Урок 1

Мета: розглянути принцип відносності Галілея й ознайомити учнів з постулатами Ейнштейна, навчатися використовувати набуті знання під час розв’язування задач та вправ

Розвивати логічне та просторове мислення, уміння орієнтуватися в навчально-енцеклопедичних виданнях

Виховувати пізнавальний інтерес до вивчення нового та пошуку відповіді на цікаві питання, що потребують підвищеної пізнавальної активності

Тип уроку Урок вивчення нового матеріалу

Обладнання: проектор, інтерактивна дошка

Основні поняття та означення уроку

Постулати Енштейна:

• У всіх інерціальних системах відліку за однакових початкових умов усі механічні явища протікають однаково

• швидкість світла у вакуумі однакова в усіх інерціальних системах відліку.

План уроку

1. Актуалізація опорних знань

2. Вивчення нового матеріалу

3. Закріплення отриманих знань, умінь, навичок

4. Рефлексія

5. Домашнє завдання

Хід уроку

І. Актуалізація опорних знань

ВЧИТЕЛЬ

Трішки історії

Наприкінці XIX ст. фізикам здавалось, що фундаментальних змін не відбудеться а наступні дослідження тільки доповнюватимуть наші знання. Ми всю цю струнку й непорушну ззовні «споруду» тепер називаємо класичною фізикою.

Основні положення класичної фізики

1. Простір є тривимірним та евклідовим

2. Час не залежить від простору

3. Лінійні розміри тіл (масштаби) і проміжки часу між двом чи кількома подіями однакові в усих системах відліку

4. Принцип Галілея стверджує існування інерціальних систем відліку.

5. Всі закони механіки однакові в усих інерціальних системах відліку, тобто вони є інваріантними

6. Взаємодія поширюється миттєво, з нескінченною швидкістю, тобто виконується принцип далеко дії

При подальшому розвитку фізики виникає питання як можна розрізнити інерціальні та неінерціальні системи відліку і як їх можна розрізнити?

ІІ. Вивчення нового матеріалу

Загальну гармонію фізики порушували лише окремі факти. Таким був, наприклад, результат досліду Майкельсона (відео №1).

Пояснити це за допомогою уявлень класичної фізики не вдалося. Найкраще пояснив цей дослід X. Лоренц за допомогою гіпотези скорочення тіл. За допомогою інтерферометра Майкельсона вчені вимірювали швидкість світла у двох перпендикулярних напрямках. При цьому обертання Землі мало привести до того, що світло мало проходити однакові відстані за різними проміжками часу. Та нажаль такої різниці не було Ці досліди виявлено. повторювалися неодноразово і це дало змогу встановити, що швидкість світла однакова в усих інерціальних системах.

При швидкостях набагато менших за швидкість світла, перетворення Лоренца майже не відрізняються від перетворень Галілея

Теорія Лоренца не лише пояснила результати досліду Майкельсона, а й за своєю формальною математичною теорією значною мірою нагадувала теорію Ейнштейна.

Наслідки з теорії Лоренца

1. Відносність поняття односаності подій: події одночасні в одній системі виявляються неоночавсними в іншій

2. Скорочення довжини: довжина тіла, який рухається виявляється меншою за довжину тіла, яке перебуває у стані спокою

3. Власний час менший за час, визначений за годинником що рухається

Ще ближче до теорії відносності були ідеї видатного французького математика А. Пуанкаре. Проте теорію відносності створив А. Ейнштейн (а не А. Пуанкаре або X. Лоренц), бо він глибше дослідив суть явищ.

Будь-яка фізична теорія насамперед визначається фізичним її змістом, а не математичним апаратом. Головним напрямом досліджень X. Лоренца й А. Пуанкаре було пристосування класичної фізики до нових фактів з метою підтвердження наявності ефіру ефіру. Гіпотеза скорочення була вільним припущенням, яке ніяк не можна було обґрунтувати в межах класичної фізики.

А. Ейнштейн мав зовсім іншу мету. Він не пристосовував стару теорію, а створив якісно нову, яка зуміла пояснити всі нові факти, відкинувши ефір. Основні положення спеціальної теорії відносності А. Ейнштейн виклав у своїй статті «До електродинаміки рухомих тіл» (1905 р.). Створена А. Ейнштейном спеціальна теорія відносності ґрунтується на двох дослідних фактах: принципі відносності та сталості швидкості світла. Принцип відносності — головний постулат теорії Ейнштейна — формулюється так: в інерціальних системах відліку всі фізичні явища відбуваються однаково. Інакше кажучи, всі фізичні закони в цих системах однакові. Отже, принцип відносності поширюється на всі фізичні процеси, в тому числі на електромагнітні.

Проте теорія відносності ґрунтується не тільки на принципі відносності. Є ще другий постулат: швидкість світла у вакуумі однакова в усіх інерціальних системах відліку і не залежить від напряму його поширення, а також від напряму і швидкості руху джерела і приймача

На відміну від своїх попередників А. Ейнштейн вбачав у негативному результаті досліду Майкельсона не випадкові труднощі, які потребували того чи іншого настільки ж випадкового пояснення, а прояв деякого загального закону природи. Він полягав у тому, що неможливо виявити прямолінійний і рівномірний рух лабораторії відносно ефіру (абсолютного простору) не тільки механічними, а й оптичними методами. Узагальнюючи цей результат, він висунув гіпотезу, яка є розширенням принципу відносності Галілея і називається принципом відносності Ейнштейна.

Принцип відносності Ейнштейна є таким самим вірогідним науковим фактом, як і твердження про атомістичну структуру речовини або закон збереження енергії. У зв’язку з цим будь-яка ідея створення фізичного приладу (механічного, оптичного тощо) для виявлення абсолютного руху системи має бути безумовно відкинута, як і ідея вічного двигуна.

Зрозуміло, що принцип відносності робить надуманою і безпредметною гіпотезу абсолютного простору. Якщо в усіх лабораторіях, що рухаються одна відносно одної рівномірно і прямолінійно, всі фізичні явища відбуваються однаково, то не можна надати перевагу жодній із них. Одночасно виявляються зайвими поняття абсолютного спокою і абсолютного руху. Будь-який рух відносний і слід мати на увазі лише рух одного тіла відносно іншого.

Гіпотеза ефіру як неперервного пружного середовища внутрішньо суперечлива. Справді, якщо справедливий принцип відносності Ейнштейна і фізичні явища відбуваються однаково в усіх інерційних системах, то в жодній із цих систем не повинен виявлятися «ефірний вітер». Це означало б, що ефір має бути в стані спокою відносно будь- якої з цих лабораторій, що явно безглуздо. Отже, принцип відносності Ейнштейна не сумісний з гіпотезою про існування ефіру.

Оскільки принцип відносності Ейнштейна витісняє з фізики те гіпотетичне пружне середовище, в якому, згідно з хвильовою теорією, поширюються електромагнітні (зокрема, світлові) хвилі, то перед фізиками знову постало питання про природу світла, яке здавалось остаточно розв’язаним. Відповідь на нього дав А. Ейнштейн, створивши 1905 р. основи квантової теорії світла.

Принцип відносності Галілея

Отже, рух будь-якого тіла відносний: його положення, швидкість, вид траєкторії залежать від того, відносно якої системи відліку (тіла відліку) цей рух розглядається. Щоб описати рух тіла, зручно вибирати інерціальну систему відліку, оскільки в цій системі відліку зміна швидкості тіла зумовлена лише дією на нього інших тіл.Інерціальними системами відліку називають такі системи відліку, у яких виконується перший закон Ньютона. Уперше твердження про рівноправність усіх інерціальних систем відліку висловив Галілей, тому його називають принципом відносності Галілея (або принципом відносності класичної фізики).

1. У всіх інерціальних системах відліку за однакових початкових умов усі механічні явища протікають однаково.

З цього принципу випливає, що не існує якоїсь виділеної системи відліку, яку можна було б назвати «такою, що перебуває в стані спокою»: усі інерціальні системи відліку цілком рівноправні. А це означає, що швидкість будь-якого тіла є відносною: її можна визначити лише відносно певного тіла.З принципу відносності Галілея випливає, що закони Ньютона мають той самий прояв у всіх ІСВ. При цьому, якщо тіло рухається відносно інерціальної системи зі швидкістю ,ur а сама система рухаєтьсязі швидкістю rv відносно нерухомої системи, то швидкість ur тіла відносно нерухомої системи відліку дорівнює:

uuv=+rrrrv.

Це співвідношення називається законом додавання швидкостей Галілея (або класичним законом додавання швидкостей).

2. Передумови теорії відносності

Принцип відносності класичної фізики правильно описує звичайні механічні явища, але виникає запитання: чи можна поширити принцип відносності на всі фізичні явища, не обмежуючись лише механічними? Чи можна, наприклад, поширити його і на електромагнітні явища? Здавалося б, що на це запитання можна дати ствердну відповідь, тому що взаємодії електричних зарядів і електричних струмів у різних інерціальних системах відліку є однаковими. Однак тут виникла проблема з поширенням світла.Як відомо, світло являє собою електромагнітну хвилю (це вперше теоретично довів англійський фізик Дж. Максвелл). Німецький фізик Г.Герц підтвердив цей факт дослідним шляхом. Але, відповідно до теорії Максвелла, швидкість світла в усіх ІСВ має бути однією й тією ж, тобто не відносною, як швидкості звичайних тіл, а абсолютною. Американські фізики А. Майкельсон і Е. Морлі наприкінці ХІХ ст. вирішили порівняти швидкість світла, що поширюється за напрямком руху Землі її орбітою й у протилежному напрямку. Досліди, проведені вченими, переконливо довели, що світло у вакуумі поширюється завжди з однією і тією ж швидкістю (близькою до 300 000 км/с).Щоб правильно пояснити досліди А. Майкельсона й Е. Морлі, необхідно було відмовитися від звичних уявлень про простір і час. Виникла суперечність, розв’язати яку на початку ХХ ст. намагалося багато видатних фізиків. Але зробити це вдалося скромному службовцеві патентного бюро у швейцарському місті Берні Альберту Ейнштейну.

Історично першу оцінку швидкості світла зробив Оле Ремер 1675 року. Ремер спостерігав затемненнясупутників Юпітера й зауважив, що вони відбуваються не зовсім регулярно. За його спостереженнями відхилення досягало 22 хвилин від розрахункового. Зміни в ритмі затемнень відбувалися із певною закономірністю. У міру того як Земля (у її русі орбітою навколо Сонця) наближалась до Юпітера, затемненняІо наставали все раніше й раніше очікуваного моменту, а з віддаленням Землі вони наставали дедалі пізніше. Ремер припустив, що така нерегулярність зумовлена різницею у відстані між Юпітером і Землею, а, отже, зміною проміжку часу, який потрібен світлу, щоб досягнути Землі. 22 хвилини — це час, який потрібен світлу, щоб подолати відстань, яка дорівнює діаметру орбіти Землі. З урахуванням оцінки розмірів земної орбіти на той час, Ремер обчислив, що швидкість світла становить 214 тис. км/с. Таким чином, вперше вдалося отримати значення швидкості світла з непоганою точністю, а розбіжність із сучасними даними пояснюється похибкою в обчисленні часу затемнень — насправді затримка становить 17 хвилин. Принциповим для подальшого розвитку фізики стало не чисельне значення швидкості, а експериментальне підтвердження того, що швидкість світла скінчена.

ПОСТУЛАТИ СПЕЦІАЛЬНОЇ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ

І (принцип відносності Енштейна) усі закони природи однакові в усіх інерціальних системах відліку. Цей постулат є поширенням принципу відносності Галілея на всі фізичні явища.

ІІ. (принцип сталості швидкості світла) швидкість світла у вакуумі однакова у всіх інерціальних системах відліку і не залежить від швидкостей руху як джерел, так і приймачів світла. Швидкість світла у вакуумі є однією із найважливіших фізичних констант, це гранична швидкість у природі

Закріплення отриманих знань, умінь, навичок

1. Які основні положення ми знаємо з класичної фізики?

2. Про що говорять нам постулати Енштейна?

3. Як Ви зрозуміли їх твердження?

4. Яка швидкість світла у вакуумі?

Рефлексія

1. Що викликало найбільші труднощі

2. Які питання виникли під час вивченя нового матеріалу

Домашнє завчання

Доповіді про вчених що займалися вивченням швидкості світла та опис їх дослідів (4-6 хв)

§____