IFLP   13074
INSTITUTO DE FISICA LA PLATA
Unidad Ejecutora - UE
congresos y reuniones científicas
Título:
Teaching basic special relativity in high school: the role of classical kinematics
Autor/es:
ARLEGO MARCELO; OTERO MARIA RITA
Lugar:
San Pablo
Reunión:
Congreso; 2nd World Conference on Physics Education (2nd WCPE); 2016
Institución organizadora:
GIREP-IUPAP
Resumen:
In this work a possible didactic sequence for the study of basic aspects of special relativity (SR) in high school is presented, resignifying the role of classical kinematics and the Galileo's relativity principle. A first version of the teaching sequence was implemented in Argentina in 2014 and 2015 in four high school courses. Results of those  implementations,  especially  the  general  proposal  and  the  process  of  conceptualization   are  published.  The  sequence  is  structured  in  three  phases:  The  first  one  refers  to  the  classical  (pre‐relativistic)  kinematics and the Galileo's relativity principle. Here the motion analysis from different reference systems is proposed, allowing introducing the relativity from the beginning. Thereby, statements like "the car is moving respect to the road" and vice versa acquire the same level of truth and pertinence, conspiring against the idea of a privileged reference frame, deeply rooted in the students. After that, the concept of relative velocity  is addressed, based on daily life student?s experience. For instance, a car coming from the opposite lane route approaches  us  faster  than  its  speedometer  indication.  This  type  of  situations  aims  the  emergency  of  the  Galileo's law of velocities addition. At the end of the first phase, situations that allow considering the inertia principle and Galilean relativity are presented. To this end it is proposed to personally perform different actions like stay at rest, at uniform motion (respect to the floor), as well as braking, accelerating or moving in a circle, with a pendulum hanging from the hand. With that it is intended that students "experience" the inertia and approach the idea of indistinguishability between rest and uniform translation. This aspect, which is thebasis of the relativity principle, is exploited in the last situation, where it is proposed to infer the state of motion of a wagon (ideally isolated) only with the help of a pendulum hanging from the ceiling. The second part of the sequence consists in a transition to SR, which retakes and generalizes the relativity principle and analyzes the invariance of the light velocity. Here situations related to the simultaneity or non‐simultaneity of events from different reference systems are proposed. In particular, a situation where rubber bullets are fired at the same time, in opposite directions, from the middle of an isolated wagon is presented. In this case, the simultaneous arrival of these bullets at both ends of the wagon is requested to be analyzed from the point of view of a fixed observer inside the wagon and another fixed on the platform, respectively. This analysis requires applying the concepts of relative motion and the relativity principle discussed in the first part. To this end, it is necessary to solve  kinematic  meeting  problems  which  are  treated  progressively  from  a  numerical  up  to  a  symbolic  and graphical  level.  In  the  last  part  of  the  second  phase  previous  situation  but  with  light  is  presented.  After  a discussion about the invariance of the light speed, c the corresponding meeting problem equations are solved by using the technique developed in the first part. Therefore, the non‐ simultaneity phenomenon (for platform observer)  emerges,  bringing  the  entrance  to  the  SR.  Note  that  this  phase  represents  a  transition  because although the result of rubber bullets is (relativistically) incorrect, it enables introducing the issue of simultaneity in a familiar context for students, as well as developing the technique to address the meeting problem for light. The  third  phase  considers  basic  the  kinematical  aspects  the  SR.  By  using  the  relativity  principle  and  the  c‐invariance, the time dilation, length contraction and the relativistic addition of velocities are considered. The latter  allows  reconsidering  the  issue  of  bullets  in  a  relativistic  context,  giving  to  the  phenomenon  of  non‐simultaneity  a  general  character.  Finally,  situations  to  address  the  relativistic  aberration,  starting  from everyday  life,  low  speed, examples  are  proposed. Currently  a  new  reformulated version of  the  sequence  is being tested in two high school courses of Antioquia (Colombia). The reformulations mainly concern to phases one and two of the sequence. While the aforementioned structure is maintained, the part related to classical kinematics,  especially  the  meeting  problems  and  relative  velocity  has  been  extended.  Also  the  use  of spreadsheets and graphics software is fomented, which provide versatility and quick access to analyze orders of magnitude and the relevance of c as a natural scale of SR phenomena. In this work some results on the last reformulation of parts one and two are presented. 
rds']