Головна ⇒ 📌Плани-конспекти уроків по фізиці ⇒ Основні положення СТВ

Основні положення СТВ

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 з постулатів теорії відносності
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 вивченого матеріалу

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;