2-й семестр

МЕХАНИКА

5. Релятивистская механика

· Принцип относительности Эйнштейна

· Основные положения СТВ

· Скорость света в вакууме

· Взаимосвязь массы и энергии

Тематическое планирование

Урок 1/68

Тема. Основные положения СТВ

Цель урока: раскрыть физическое содержание постулатов теории относительности

Тип урока: изучение нового материала

План урока

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Опыты Майкельсона — Морли

Своего времени, 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, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, при движении относительно эфира должен быть обнаружен «эфирный ветер».

Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881. американскими учеными А. Майкельсоном и Е. 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 Е. 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 единого нового эксперимента, проанализировав и обобщив уже известные опытные факты, впервые изложил идеи теории относительности, которые коренным образом изменили привычные представления о свойствах пространства и времени.

Альберт Эйнштейн утверждал, что законом природы является полное равноправие всех инерциальных систем отсчета в отношении 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 вытекает 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 произошел кратковременный вспышка света. За время t системы сместятся друг относительно 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 К, центр сферы находится в точке 0, а по мнению наблюдателя в системе K’ он будет находиться в точке 0′. Следовательно, центр сферического фронта одновременно находится в двух разных точках!

Причина такого недоразумения кроется не в противоречии между двумя принципами СТВ, а в допущении, что положение фронтов сферических волн для обеих систем относится к тому же моменту времени. Это предположение изложенное в формулах преобразования Галилея, согласно которым время в обеих системах всплывает одинаково: t = t‘.

Итак, постулаты Эйнштейна не противоречат между собой, а формулам преобразования Галилея. Поэтому на смену Галілеєвим 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 ( << c) переходят в формулы преобразования Галилея. Таким образом, новая теория (СТВ) не отвергла старую классическую механику Ньютона, а только уточнила пределы ее применимости.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Что понимают в физике под системой отсчета?

2. Какие системы отсчета называются инерциальными? Приведите примеры.

3. Можно ли утверждать, что физические процессы и явления, которые когда-нибудь будут открыты, также подчиняться принципу относительности?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

Контрольные вопросы

1. Какие причины привели к созданию теории относительности?

2. В чем отличие первого постулата теории относительности от принципа относительности в механике?

3. Почему результаты эксперимента Майкельсона — Морли противоречили классическому закону сложения скоростей?

Что мы узнали на уроке

• Постулаты специальной теории относительности:

1) все явления природы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково и описываются одинаковыми уравнениями;

2) скорость света в вакууме — абсолютная величина, инвариантная относительно всех ИСВ и не зависит от скорости движения источника или приемника сигнала.

Домашнее задание

1. П.: § 47.

2. 36.: № 22.1; 22.2; 22.3; 22.4.