 |
Лекция 67. Постулаты теории относительности. Относительность одновременности, следствие, вытекающие из постулатов
|
|
|
|
Цель занятия: раскрыть физический смысл постулатов теории относительности
Тип занятия: изучение нового материала
План занятия
| Демонстрации | Фрагмент видеофильма «Элементы теории относительности»: опыты Майкельсона - Морли |
| Изучение нового материала | 1. Опыты Майкельсона - Морли. 2. Постулаты теории относительности |
| Закрепление изученного материала | Контрольные вопросы |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Опыты Майкельсона - Морли
В свое время, пользуясь аналогии между явлениями распространения звука и света, физики ввели специальную среду, так называемый «эфир», в котором свет распространяется таким же образом, как и звук в воздухе. Подобно тому, как в системе отсчета, которая движется относительно воздуха, возникает ветер, во время движения относительно эфира должен быть обнаружен «эфирный ветер».
Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 г. американскими учеными А. Майкельсоном и Э. Морли. В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Эксперименты ставили в разное время суток и разные времена года, но всегда получали отрицательный результат: движение Земли относительно эфира обнаружить не удалось. Этот опыт имел решающее значение для теории относительности и образно был охарактеризован как «самый значительный из всех отрицательных результатов в истории науки».
Итак, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь, это означало, что никакого особого среды - «светового эфира», с которым можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует.
2. Постулаты теории относительности
|
|
|
На рубеже XIX и XX вв. физика пережила глубокий кризис. Чтобы правильно объяснить опыты А. Майкельсона и Э. Морли, необходимо было отказаться от привычных представлений о пространстве и времени.
Эту проблему удалось решить скромному служащему патентного бюро в швейцарском городе Берне Альберту Эйнштейну.
В своей работе Эйнштейн без всякого нового эксперимента, проанализировав и обобщив уже известные опытные факты, впервые изложил идеи теории относительности, коренным образом изменили привычные представления о свойствах пространства и времени.
Альберт Эйнштейн утверждал, что законом природы является полное равноправие всех инерциальных систем отсчета относительно не только механических, но и электромагнитных процессов. Нет никакого различия между состоянием покоя и состоянием равномерного прямолинейного движения. Принцип относительности - главный постулат теории Эйнштейна. Первый постулат Эйнштейна:
Ø все явления природы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково и описываются одинаковыми уравнениями.
Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета физические законы имеют одинаковую форму. Следовательно, принцип относительности классической механики обобщается относительно всех процессов в природе, в том числе и электромагнитных.
Второй постулат утверждает постоянство скорости света во всех ИСВ:
Ø скорость света в вакууме - абсолютная величина, инвариантная относительно всех ИСВ и не зависит от скорости движения источника или приемника сигнала.
Таким образом, скорость света занимает особое положение. Даже больше, как следует из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.
Постулаты СТВ явно противоречат классическим представлениям. Рассмотрим такой мысленный эксперимент: в момент времени t = 0, когда координатные оси двух инерциальных систем К и К' совпадают, в общей точке начала координат состоялся кратковременный вспышка света. За время t системы сместятся относительно друг друга на расстояние 
t, а сферический волновой фронт в каждой системе будет иметь радиус ct (см. рис.), потому что системы равноправны и в каждой из них скорость света равна с.
|
|
|
С точки зрения наблюдателя в системе K центр сферы находится в точке 0, а по мнению наблюдателя в системе К', он будет находиться в точке 0'. Итак, центр сферического фронта одновременно находится в двух разных точках!
Причина такого недоразумения кроется не в противоречии между двумя принципами СТВ, а в предположении, что положение фронтов сферических волн для обеих систем принадлежит до того самого момента времени. Это предположение изложенное в формулах преобразования Галилея, согласно которым время в обеих системах всплывает все равно: t = t'.
Итак, постулаты Эйнштейна не противоречат между собой, а формулам преобразования Галилея. Поэтому на смену Галилеевым преобразованием СТВ предложила другие формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую - так называемые преобразования Лоренца, которые при скоростях движения, близких к скорости света, позволяют объяснить все релятивистские эффекты, а при малых скоростей ( с) переходят в формулы преобразования Галилея. Таким образом, новая теория (СТВ) не отвергла старую классическую механику Ньютона, а лишь уточнила границы ее применимости.
Контрольные вопросы:
1. Что понимают в физике под системой отсчета?
2. Какие системы отсчета называются инерциальными? Приведите примеры.
3. Можно утверждать, что физические процессы и явления, которые когда-нибудь будут открыты, также будут подчиняться принципу относительности?
4. Какие причины привели к созданию теории относительности?
5. В чем отличие первого постулата теории относительности от принципа относительности в механике?
6. Почему результаты эксперимента Майкельсона - Морли противоречили классическому закону сложения скоростей?
Домашнее задание
1. П.: § 47.
2. 36.: № 22.1; 22.2; 22.3; 22.4.
|
|
|
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
|
|
|
