Imię i nazwisko autora:

Andrzej Kajetan Wróblewski

Włodzimierz Natorf

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Co przeszkadza w rozumieniu szczególnej teorii względności?

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy, zakres rozszerzony; rozszerzenie zapisów podstawy programowej

Podstawa programowa:

Cele kształcenia - wymagania ogólne:
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.
IV. Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy materiałów źródłowych, w tym tekstów popularnonaukowych.

Zakres podstawowy
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach;
15) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu;
16) przedstawia własnymi słowami główne tezy tekstu popularnonaukowego z dziedziny fizyki lub astronomii;
17) przedstawia wybrane informacje z historii odkryć kluczowych dla rozwoju fizyki.
II. Mechanika. Uczeń:
9) rozróżnia układy inercjalne i nieinercjalne; posługuje się pojęciem siły bezwładności.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach;
17) przedstawia wybrane informacje z historii odkryć kluczowych dla rozwoju fizyki;
18) przedstawia własnymi słowami główne tezy tekstu popularnonaukowego z dziedziny fizyki lub astronomii;
19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.
II. Mechanika. Uczeń:
1) opisuje ruch względem różnych układów odniesienia;
19) stosuje zasadę równoważności układów inercjalnych (zasadę względności Galileusza).
XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. Uczeń:
1) wskazuje niezależność prędkości światła w próżni od prędkości źródła i prędkości obserwatora; opisuje względność równoczesności;
2) posługuje się związkiem między energią całkowitą, masą cząstki i jej prędkością; posługuje się pojęciem energii spoczynkowej;
3) opisuje równoważność masy i energii spoczynkowej;
4) wskazuje prędkość światła w próżni jako maksymalną prędkość przekazu energii i informacji.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

• kompetencje cyfrowe,

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. tłumaczy i omawia podstawy szczególnej teorii względności,

2. analizuje i ocenia sposób popularnonaukowego przedstawienia efektów relatywistycznych w zakresie kinematyki,

3. proponuje własne pomysły na uzupełnienie takiego przedstawienia o zagadnienia związane ze wzorem E = mcIndeks górny 2²,

4. porównuje przewidywania mechaniki klasycznej i relatywistycznej, dotyczące przekraczania prędkości c,

5. określa, na przykładzie z lektury popularnonaukowej, granice stosowalności szczególnej teorii względności.

Strategie nauczania:

elementy strategii odwróconej klasy (lektura domowa), IBSE

Metody nauczania:

nauczanie problemowe (w sekwencja pytań i odpowiedzi)

Formy zajęć:

wspólna praca całego zespołu klasowego, dyskusja uczniowska

Środki dydaktyczne:

szkolna tablica, komputer z rzutnikiem, dostęp do internetu

Materiały pomocnicze:

niniejszy e‑materiał; książka George Gamow „Pan Tompkins w Krainie Czarów: Wstęp oraz rozdział „Miasto ograniczonej prędkości”

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Na poprzedniej lekcji nauczyciel zlecił uczniom przeczytanie – w konwencji zbliżonej do lektury szkolnej – Wstępu oraz rozdziału „Miasto ograniczonej prędkości” z książki „Pan Tompkins w Krainie Czarów” George’a Gamowa.
We wstępnej części lekcji nauczyciel prosi uczniów o ustosunkowanie się do problematyki podniesionej we Wstępie, a dotyczącej sposobu postrzegania upływu czasu. Cytuje przy tym powiedzenie przypisywane Einsteinowi: „Zdrowy rozsądek to zbiór uprzedzeń nabytych do osiemnastego roku życia.” Celem tej części jest wykazanie, że sposób postrzegania czasu przez człowieka ma charakter kulturowy, a nie naukowy. Podstawą tego jest obserwacja „zjawisk z życia codziennego”.
Celem dla potrzeb dalszego ciągu lekcji jest prawidłowa interpretacja pojęcia „Miasta ograniczonej prędkości”.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel zachęca uczniów, by w opowieści wskazali:

• efekty „z życia codziennego”, które mieszkańcom Miasta służą do oceny prędkości, zbliżonych do ‘c’;

• efekty świadczące o względności ruchu.

Nauczyciel prosi uczniów, by wymyślili kilka sytuacji z życia mieszkańców miasta, które pozwoliłyby unaocznić równoważność masy i energii, zgodnie z wyrażeniem E = m·cIndeks górny 2².
W razie potrzeby nauczyciel kieruje uwagę uczniów ku problematyce reakcji chemicznych i jądrowych, ale także „zwykłych” czynności jak podgrzewanie wody, chód zegarka sprężynowego albo zasilanego baterią, itp.
Najciekawsze pomysły nauczyciel zapisuje na tablicy jako propozycje tematów do pracy domowej.
W ostatnim etapie nauczyciel zleca uczniom, w parach, rozwiązanie jednego z dwóch zadań 6. i 7.
(Uwaga! Zad. 7. może sprawić niektórym uczniom problemy ze względu na wymaganie przeprowadzenia formalnego dowodu. W takiej sytuacji można ograniczyć wymaganie do przeliczenia jednego‑dwóch przykładów).
Nauczyciel sprawdza następnie, czy w obu rozwiązaniach wszystkie etapy są jasne i zrozumiałe. W razie potrzeby udziela wyjaśnień.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel prosi uczniów o odniesienie się do problematyki końcowej części opowiadania, w której mowa jest o spowolnionym tempie starzenia się ludzi, którzy często poruszają się ruchem przyspieszonym.
Podsumowując wypowiedzi, nauczyciel komentuje, że zagadnienie to (związek upływu czasu z nieinercjalnym charakterem układu odniesienia lub z występowaniem pola grawitacyjnego) wykracza poza zakres zainteresowań szczególnej teorii względności, przynależąc do zakresu ogólnej teorii względności.
Na koniec wspólnie z uczniami nauczyciel rozwiązuje zadanie 8.

Praca domowa:

Nauczyciel proponuje, by każdy z uczniów napisał fragment opowiadania, będącego możliwym wątkiem (ciągiem dalszym) przygód Pana Tompkinsa w Mieście ograniczonej prędkości. Fragment, o objętości od połowy do całej strony, powinien zachować konwencję i kompozycję możliwie zbliżoną do oryginału. Tematykę wątku każdy uczeń bądź wybiera spośród zapisanych na tablicy podczas dyskusji, bądź wymyśla sam.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Notkę biograficzną oraz audiobook z poleceniami aktywizującymi można wykorzystać jako kilkuminutowy wstęp (zainteresowanie tematem) do lekcji o efekcie fotoelektrycznym.