2-й семестр
МЕХАНІКА
5. Релятивістська механіка
– Принцип відносності Ейнштейна
– Основні положення СТВ
– Швидкість світла у вакуумі
– Взаємозв’язок маси й енергії
Тематичне планування
№ з/п | Тема уроку | Дата проведення |
1 | Основні положення СТВ | |
2 | Релятивістський закон додавання швидкостей. Відносність одночасності подій | |
3 | Основні наслідки, що випливають | |
4 | Взаємозв’язок маси й енергії |
Урок 1/68
Тема. Основні положення СТВ
Мета уроку: розкрити фізичний зміст постулатів теорії відносності
Тип уроку: вивчення нового матеріалу
План уроку
Демонстрації | 8 хв. | Фрагмент відеофільму “Елементи теорії відносності”: досліди Майкельсона – Морлі |
Вивчення нового матеріалу | 30 хв. | 1. Досліди Майкельсона – Морлі. 2. Постулати теорії відносності |
Закріплення | 7 хв. | Контрольні запитання |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Досвіди Майкельсона – Морлі
Свого часу, користуючись аналогією між явищами поширення звуку і світла, фізики ввели спеціальне середовище, так званий “ефір”, у якому світло поширюється в такий же спосіб, як і звук у повітрі. Подібно до того, як у системі відліку, що рухається відносно повітря, виникає вітер, під час руху відносно ефіру мав бути виявлений “ефірний вітер”.
Дослід з виявлення “ефірного вітру” був поставлений у 1881 р. американськими вченими А. Майкельсоном та Е. Морлі. У цьому досліді порівнювалася швидкість світла в напрямі руху Землі й у перпендикулярному напрямі. Експерименти ставили в різний час доби й різні пори року, але завжди отримували негативний результат: рух Землі відносно ефіру виявити не вдалося. Цей дослід мав вирішальне значення для теорії відносності й образно був охарактеризований як “найзначніший з усіх негативних результатів в історії науки”.
Отже, ідея про існування переважної системи відліку не витримала дослідної перевірки. У свою чергу, це означало, що ніякого особливого середовища – “світлового ефіру”, з яким можна було б пов’язати таку переважну систему відліку, не існує.
2. Постулати теорії відносності
На межі XIX і XX ст. фізика пережила глибоку кризу. Щоб правильно пояснити досліди А. Майкельсона й Е. Морлі, необхідно було відмовитися від звичних уявлень про простір і час.
Цю проблему вдалося розв’язати скромному службовцю патентного бюро у швейцарському місті Берні Альберту Ейнштейну.
У своїй роботі Ейнштейн без жодного нового експерименту, проаналізувавши й узагальнивши вже відомі дослідні факти, уперше виклав ідеї теорії відносності, які докорінно змінили звичні уявлення про властивості простору й часу.
Альберт Ейнштейн стверджував, що законом природи є цілковита рівноправність усіх інерціальних систем відліку щодо не лише механічних, але й електромагнітних процесів. Немає жодної відмінності між станом спокою й станом рівномірного прямолінійного руху. Принцип відносності – головний постулат теорії Ейнштейна. Перший постулат Ейнштейна:
O усі явища природи в усіх інерціальних системах відліку протікають однаково й описуються однаковими рівняннями.
Це означає, що в усіх інерціальних системах відліку фізичні закони мають однакову форму. Отже, принцип відносності класичної механіки узагальнюється щодо всіх процесів у природі, у тому числі й електромагнітних.
Другий постулат стверджує сталість швидкості світла в усіх ІСВ:
O швидкість світла у вакуумі – величина абсолютна, інваріантна щодо всіх ІСВ і не залежить від швидкості руху джерела або приймача сигналу.
Таким чином, швидкість світла займає особливе положення. Навіть більше, як випливає з постулатів теорії відносності, швидкість світла у вакуумі є максимально можливою швидкістю передачі взаємодій у природі.
Постулати СТВ явно суперечать класичним уявленням. Розглянемо такий уявний експеримент: у момент часу t = 0, коли координатні осі двох інерціальних систем К й К’ збігаються, у загальній точці початку координат відбувся короткочасний спалах світла. За час t системи змістяться відносно одна одної на відстань 
T, а сферичний хвильовий фронт у кожній системі матиме радіус ct (див. рис.), тому що системи рівноправні й у кожній з них швидкість світла дорівнює с.
З точки зору спостерігача в системі К, центр сфери знаходиться в точці 0, а на думку спостерігача в системі К’, він перебуватиме в точці 0′. Отже, центр сферичного фронту одночасно перебуває у двох різних точках!
Причина такого непорозуміння криється не в протиріччі між двома принципами СТВ, а в припущенні, що положення фронтів сферичних хвиль для обох систем належить до того самого моменту часу. Це припущення викладене у формулах перетворення Галілея, згідно з якими час в обох системах спливає однаково: t = t’.
Отже, постулати Ейнштейна суперечать не між собою, а формулам перетворення Галілея. Тому на зміну Галілеєвим перетворенням СТВ запропонувала інші формули перетворення під час переходу з однієї інерціальної системи в іншу – так звані перетворення Лоренца, які за швидкостей руху, близьких до швидкості світла, дозволяють пояснити всі релятивістські ефекти, а за малих швидкостей ( << с) переходять у формули перетворення Галілея. Таким чином, нова теорія (СТВ) не відкинула стару класичну механіку Ньютона, а лише уточнила межі її застосовності.
Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу
1. Що розуміють у фізиці під системою відліку?
2. Які системи відліку називаються інерціальними? Наведіть приклади.
3. Чи можна стверджувати, що фізичні процеси та явища, які коли-небудь будуть відкриті, також підпорядковуватимуться принципу відносності?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
Контрольні запитання
1. Які причини привели до створення теорії відносності?
2. У чому полягає відмінність першого постулату теорії відносності від принципу відносності в механіці?
3. Чому результати експерименту Майкельсона – Морлі суперечили класичному закону додавання швидкостей?
Що ми дізналися на уроці
– Постулати спеціальної теорії відносності:
1) усі явища природи в усіх інерціальних системах відліку протікають однаково й описуються однаковими рівняннями;
2) швидкість світла у вакуумі – величина абсолютна, інваріантна щодо всіх ІСВ і не залежить від швидкості руху джерела або приймача сигналу.
Домашнє завдання
1. П.: § 47.
2. 36.: № 22.1; 22.2; 22.3; 22.4.
(2 votes, average: 5,00 out of 5)