Цель: формировать представление учащихся, о том, как изменились понятия о пространстве и времени под воздействием положений специальной теории относительности Эйнштейна. Познакомить учащихся со специальной теорией относительности, ввести основные понятия, раскрыть содержание основных положений СТО, познакомить с выводами СТО и опытными фактами, которые подтверждают их.
Оборудование: компьютер, проектор, презентация.
Ход урока.
I.Организационный момент.
II. Анализ контрольной работы.
III. Изучение нового материала.
В конце 19 века были сформулированы основные положения электродинамики. Возник вопрос в справедливости принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. В разных инерциальных системах одинаково ли протекают электромагнитные явления: как распространяются электромагнитные волны, взаимодействуют заряды и токи при переходе от одной инерциальной системы к другой?
Инерциальная – это такая система отсчета, относительно которой свободные тела движутся с постоянной скоростью. Оказывает ли равномерное прямолинейное движение действие на электромагнитные процессы ( на механические явления оно не влияет)? При переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики изменяются или как законы Ньютона остаются постоянными?
Например, по законам сложения скоростей в механике скорость может равняться с=3·108 м/с только в одной системе отсчета. В другой системе отсчета, которая сама движется со скоростью Ѵ, скорость света должна равняться с̄-Ѵ̄. Но согласно законам электродинамики скорость электромагнитных волн в вакууме по разным направлениям равна с=3·108 м/с
Между электродинамикой и механикой Ньютона возникли противоречия. Чтобы разрешить возникшие противоречия были высказаны три разных способа.
Первый способ заключался в том, чтобы отказаться от принципа относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту возможность поддерживал основатель электронной теории Х. Л о р е н ц (голл.). Тогда считалось, что электромагнитные явления протекают в «мировом эфире» – это всепроникающая среда, заполняющая все мировое пространство. Инерциальная система отсчета, рассматривалась Лоренцем, как система покоящаяся относительно эфира. В этой системе законы электродинамики строго выполняются и в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
Второй способ заключался в том, чтобы объявить уравнения Максвелла неправильными. Г. Герц пытался их переписать, таким образом, чтобы они не менялись при переходе от одной инерциальной системы к другой, т.е. как законы механики. Герц полагал, что эфир движется вместе с движущимися телами и поэтому электромагнитные процессы происходят одинаково независимо от движения или покоя тел. То есть Г. Герц принцип относительности сохранил. Третий способ состоял в отказе от традиционных представлений о пространстве и времени. Сохранялись уравнения Максвелла и принцип относительности, но пришлось отказаться от самых очевидных, самых основных представлений классической механики. Этот способ разрешения противоречий оказался в итоге правильным. Эксперимент опроверг как первую, так и вторую попытку исправления, возникших противоречий между электродинамикой и механикой, оставив принцип относительности без изменений. Развивая третий способ решения проблемы А. Эйнштейн доказал, что представления о пространстве и времени устарели и заменил их новыми. Уравнения Максвелла, исправленные Герцем, не могли объяснить наблюдаемые явления. Опыт показал, что среда не может увлекать за собой свет, так как она будет увлекать эфир, в котором свет распространяется. Опыты американских ученых А. Майкельсона и Э. Морли доказали , что никакой среды типа «светоносного эфира» не существует. Объединить электродинамику Максвелла и принцип относительности оказалось возможным при отказе от традиционных представлений о пространстве и времени, т.е. не зависят от системы отсчета ни расстояние, ни течение времени.
Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.
Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, — релятивистскими скоростями.
Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от направления (изотропность) и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.
При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае. Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является верной теорией в своей области применимости.
Фундаментальность специальной теории относительности для физических теорий, построенных на её основе, привела в настоящее время к тому, что сам термин «специальная теория относительности» практически не используется в современных научных статьях, обычно говорят лишь о релятивистской инвариантности отдельной теории.
Специальная теория относительности, как и любая другая физическая теория, может быть сформулирована на базе из основных понятий и постулатов (аксиом) плюс правила соответствия её физическим объектам.
Система отсчёта представляет собой некоторое материальное тело, выбираемое в качестве начала этой системы, способ определения положения объектов относительно начала системы отсчёта и способ измерения времени. Обычно различают системы отсчёта и системы координат. Добавление процедуры измерения времени к системе координат «превращает» её в систему отсчёта.
Инерциальная система отсчёта (ИСО) — это такая система, относительно которой объект, не подверженный внешним воздействиям, движется равномерно и прямолинейно.
Событием называется любой физический процесс, который может быть локализован в пространстве, и имеющий при этом очень малую длительность. Другими словами, событие полностью характеризуется координатами (x, y, z) и моментом времени t.
Примерами событий являются: вспышка света, положение материальной точки в данный момент времени и т. п. Обычно рассматриваются две инерциальные системы S и S'. Время и координаты некоторого события, измеренные относительно системы S обозначаются как (t, x, y, z), а координаты и время этого же события, измеренные относительно системы S', как (t', x', y', z'). Удобно считать, что координатные оси систем параллельны друг другу и система S' движется вдоль оси x системы S со скоростью v. Одной из задач СТО является поиск соотношений, связывающих (t', x', y', z') и (t, x, y, z), которые называются преобразованиями Лоренца.
Обычно рассматриваются две инерциальные системы S и S'. Время и координаты некоторого события, измеренные относительно системы S обозначаются как (t, x, y, z), а координаты и время этого же события, измеренные относительно системы S', как (t', x', y', z'). Удобно считать, что координатные оси систем параллельны друг другу и система S' движется вдоль оси x системы S со скоростью v. Одной из задач СТО является поиск соотношений, связывающих (t', x', y', z') и (t, x, y, z), которые называются преобразованиями Лоренца.
1 принцип относительности.
Все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой (протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета).
Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна.
2 принцип относительности.
Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.
Следствия из теории, созданной на основе этих принципов, подтверждались бесконечными опытными проверками. СТО позволила разрешить все проблемы «доэйнштейновской» физики и объяснить «противоречивые» результаты известных к тому времени экспериментов в области электродинамики и оптики. В последующее время СТО была подкреплена экспериментальными данными, полученными при изучении движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций и т. п.
Пример. Постулаты СТО находятся в явном противоречии с классическими представлениями. Рассмотрим такой мысленный эксперимент: в момент времени t = 0, когда координатные оси двух инерциальных систем K и K' совпадают, в общем начале координат произошла кратковременная вспышка света. За время t системы сместятся относительно друг друга на расстояние υt, а сферический волновой фронт в каждой системе будет иметь радиус ct, так как системы равноправны и в каждой из них скорость света равна c. С точки зрения наблюдателя в системе K центр сферы находится в точке O, а с точки зрения наблюдателя в системе K' он будет находиться в точке O'. Следовательно, центр сферического фронта одновременно находится в двух разных точках!
Объяснение противоречий.
Причина возникающего недоразумения лежит не в противоречии между двумя принципами СТО, а в допущении, что положение фронтов сферических волн для обеих систем относится к одному и тому же моменту времени. Это допущение заключено в формулах преобразования Галилея, согласно которым время в обеих системах течет одинаково: t = t'. Следовательно, постулаты Эйнштейна находятся в противоречии не друг с другом, а с формулами преобразования Галилея. Поэтому на смену галилеевых преобразований СТО 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 релятивисткие эффекты, а при малых скоростях (υ << c) переходят в формулы преобразования Галилея. Таким образом, новая теория (СТО) не отвергла старую классическую механику Ньютона, а только уточнила пределы ее применимости. Такая взаимосвязь между старой и новой, более общей теорией, включающей старую теорию как предельный случай, носит название принципа соответствия.
IV. Закрепление изученного материала
1. Решение, какой проблемы привело к новым представлениям о пространстве и времени.
2. Три способа решения данной проблемы.
3. Какой способ оказался справедливым?
4. Какие из приведенных ниже утверждений соответствуют постулатам теории относительности: 1 - все процессы природы протекают одинаково в любой инерциальной системе отсчета; 2 - скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета; 3 - все процессы природы относительны и протекают в различных системах отсчета неодинаково?
А. Только 1 Б. Только 2 В. Только 3 Г. 1 и 2 Д. 1 и 3
5. Из уравнений Максвелла следует, что скорость распространения световых волн в вакууме по всем направлениям (одинакова).
6. Можно ли какими-либо механическими опытами установить, покоится инерциальная система отсчета или движется прямолинейно и равномерно?
V. Итоги урока
VI. Домашнее задание: §75,76.