Главная » Сантехника » Принцип относительности. Постулаты теории относительности

Принцип относительности. Постулаты теории относительности

Реферат по предмету Концепции Современного Естествознания

Теория относительности

Развитие электродинамики привело к пересмотру представлений о пространстве и времени. Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится ли тело или движется (длина абсолютна).

Специальная теория относительности Эйнштейна – это новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

Законы электродинамики и принцип относительности

После создания электродинамики возникли сомнения в справедливости принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям.

Принцип относительности в механике и электродинамике . После того как во второй половине XIX века Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос, распространяется ли принцип относительности, и на электромагнитные явления. Иными словами, протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и т.д.) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Или, может быть, равномерное прямолинейное движение, не влияя на механические явления, оказывает некоторое воздействие на электромагнитные процессы?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы к другой или же подобно законам Ньютона они остаются неизменными. Только в последнем случае можно отбросить сомнения в справедливости принципа относительности применительно к электромагнитным процессам и рассматривать этот принцип как общий закон природы.

Законы электродинамики сложны, и строгое решение этой задачи – нелегкое дело. Однако уже простые соображения, казалось бы, позволяют найти правильный ответ. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна: c = 3 · 10 8 м/с. Но, с другой стороны, в соответствии с законом сложения скоростей механики Ньютона скорость может равняться c только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к этой избранной системе со скоростью v , скорость света должна уже равняться c ─ v . Это означает, что если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики должны меняться так, чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже равнялась не с , а c ─ v .

Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Возникшие трудности пытались преодолеть тремя различными способами.

Первая возможность состояла в том, чтобы объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитными явлениям. Эту позицию отстаивал великий голландский физик, основатель электронной теории Х. Лоренц. Электромагнитные явления еще со времен Фарадея рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполнявшей все пространство, ─ «мировом эфире». Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, ─ это согласно Лоренцу особая преимущественная система. В ней законы электродинамики Максвелла справедливы и имеют наиболее простую форму. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.

Вторая возможность состоит в том, чтобы считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем. По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами, и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности справедлив.

Наконец, третья возможность разрешения указанных трудностей состоит в отказе от классических представлений о пространстве и времени, с тем чтобы сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. Это наиболее революционный путь, ибо он означает пересмотр в физике самых глубоких, самых основных представлений. С данной точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла.

Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая её, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.

При попытках Герца изменить законы электродинамики Максвелла выяснилось, что новые уравнения не способны объяснить ряд наблюдаемых фактов. Так, согласно теории Герца движущаяся вода должна полностью увлекать за собой распространяющийся в ней свет, т.к. она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так.

Точка зрения Лоренца, согласно которой должна существовать избранная система отсчета, связанная с мировым эфиром, пребывающим в абсолютном покое, также была опровергнута прямыми опытами.

Если бы скорость света была равна 300 000 км/с только в системе отсчета, связанной с эфиром, то, измеряя скорость света в произвольной инерциальной системе, можно было бы обнаружить движение этой системы по отношению к эфиру и определить скорость этого движения. Подобно тому как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, при движении по отношению к эфиру (если, конечно, эфир существует) должен быть обнаружен «эфирный ветер». Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 г. американскими учеными А. Майкельсоном и Э. Морли по идее, высказанной за 12 лет до этого Максвеллом.

В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения проводились очень точно с помощью специального прибора – интерферометра Майкельсона. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. Но всегда получался отрицательный результат: движения Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось.

Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь это означало, что никакой особой среды – «светоносного эфира», – с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует.

Согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.

Постулаты теории относительности

В основе теории относительности лежат два постулата.

Для объяснения отрицательных результатов опыта Майкельсона и других оптов, которые должны были обнаружить движение Земли относительно эфира, вводились различные гипотезы. С помощью этих гипотез пытались объяснить, почему не удается обнаружить преимущественную систему отсчета (считали, что такая система в действительности якобы имеется).

Совсем по-иному подошел к проблеме Эйнштейн: не стоит изобретать различные гипотезы для объяснения отрицательных результатов всех попыток обнаружить различие между инерциальными системами. 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 равномерного прямолинейного движения.

Принцип относительности – главный постулат теории Эйнштейна. Его можно сформулировать так: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы в природа, в том числе и на электромагнитные. Но теория относительности основывается не только на принципе относительности. Имеются еще второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

Скорость света занимает, таким образом, особое положение. Более того, как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействия в природе.

Для того, чтобы решиться сформулировать постулаты теории относительности, нужна была большая научная мысль, т.к. они противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.

В самом деле, допустим, что в момент времени, когда начала координат инерциальных систем отсчета К и К 1 , движущихся друг относительно друга со скоростью v , совпадают, в начале координат происходит кратковременная вспышка света. За время t системы сместятся друг относительно друга на расстояние vt , а сферическая волновая поверхность будет иметь радиус ct :

Системы К и К 1 равноправны, и скорость света одинакова в той и другой системе. Следовательно, с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К , центр сферы будет находиться в точке О, а с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К 1 , он будет находиться в точке О 1 . Но ведь не может одна и та же сферическая поверхность иметь центры О и О 1 . Это явное противоречие вытекает из рассуждений, основанных на постулатах теории относительности.

Противоречие здесь действительно есть. Но не внутри самой теории относительности. Имеется лишь

противоречие с классическими представлениями о пространстве и времени, которые при больших скоростях уже несправедливы.

Относительность одновременности

До начала XX века никто не сомневался, что время абсолютно. Два события, одновременные для жителей Земли, одновременны для жителей любой космической цивилизации. Создание теории относительности показало, что это не так.

Причиной несостоятельности классических представлений о пространстве и времени является неправильное предположение о возможности мгновенной передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Существование предельной конечной скорости передачи взаимодействий вызывает необходимость глубокого изменения обычных представлений о пространстве и времени, основанных на повседневном опыте. Представление об абсолютном времени, которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от материи и её движения, оказывается неправильным.

Если допустить мгновенное распространение сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках А и В произошли одновременно, будет иметь абсолютный смысл. Можно поместить в точки А и В часы и синхронизировать их с помощью мгновенных сигналов. Если такой сигнал отправлен из А , например, в 0 ч 45 мин и он в этот же момент времени по часам В пришел в точку В, то, значит, часы показывают одинаковое время, т.е. идут синхронно. Если же такого совпадения нет, то часы можно синхронизировать, подведя вперед те часы, которые показывают меньшее время в момент отправления сигнала.

Любые события, например, два удара молнии, одновременны, если они происходят при одинаковых показаниях синхронизированных часов.

Только располагая в точках А и В синхронизированными часами, можно судить о том, произошли ли два каких-либо события в этих точках одновременно или нет. Но как можно синхронизировать часы, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, если скорость распространения сигналов не бесконечно велика?

Для синхронизации часов естественно прибегнуть к световым или вообще электромагнитным сигналом, т.к. скорость электромагнитных волн в вакууме является строго определенной, постоянной величиной.

Рассмотрим подробнее простой метод синхронизации часов, не требующий никаких вычислений. Допустим, что космонавт хочет узнать, одинаково ли идут часы А и В , установленные на противоположных концах космического корабля.

движется, положение иное. Часы на носу корабля удаляются от того места, где произошла вспышка света источника (точка с координатой ОС ), и, чтобы достигнуть часов А , свет должен преодолеть расстояние, большее половины длины корабля.

Напротив, часы В на корме приближаются к месту вспышки, и путь светового сигнала меньше половины длины корабля (на рисунках слева показано, как, в первом случае, координаты х и х 1 совпадают в момент вспышки, потом, как свет достигает часов В ). Поэтому наблюдатель в системе К приходит к выводу, что сигналы достигают часов неодновременно.

Два любых события в точках А и В , одновременные в системе К 1 , неодновременны в системе К. Но в системе принципа относительности системы К 1 и К совершенно равноправны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы вынуждены прийти к заключению, что одновременность пространственно разделенных событий относительна . Причиной относительности одновременности является, как мы видим, конечность скорости распространения сигналов.

Одновременность событий относительна. Представить себе это наглядно, «почувствовать», мы не в состоянии из-за того, что скорость света много больше тех скоростей, с которыми движемся мы.

Основные следствия, вытекающие из постулатов теории относительности.

Из постулатов теории относительности вытекает ряд важнейших следствий, касающихся свойств пространства и времени.

Относительность расстояний . Расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета.

Обозначим через l o длину стержня с системе отсчета К , относительно которой стержень покоится. Тогда длина l этого стержня в системе отсчета К 1 , относительно которой стержень движется со скоростью определяется формулой:

Как видно из этой формулы, l l 0 . В этом состоит релятивистское сокращение размеров тела в движущихся системах отсчета (релятивистскими называются эффекты, наблюдаемые при скоростях движения, близких к скорости света).

Относительность промежутков времени . Пусть интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы К , равен τ 0 . Этими событиями, например, могут быть два удара метронома, отсчитывающего секунды.

Тогда интервал τ между этими же событиями в системе отсчета К 1, движущейся относительно системы К выражается так:

Очевидно, что τ > τ o . В этом состоит релятивистский эффект замедления времени в движущихся системах отсчета.

Если v c , то в формулах можно пренебречь величиной v 2 / c 2 . Тогда l ≈ lo и τ ≈ τ o , т.е. релятивистское сокращение размеров тел и замедление вреиени в движущейся системе отсчета можно не учитывать.

Релятивистский закон сложения скоростей . Новым релятивистским представлениям о пространстве и времени соответствует новый закон сложения скоростей. Очевидно, что классический закон сложения скоростей не может быть справедлив, так как он противоречит утверждению о постоянстве скорости света в вакууме.

Если поезд движется со скоростью v и в вагоне в направлении движения поезда распространяется световая волна, то ее скорость относительно Земли должна равняться опять-таки с , а не v + c . Новый закон сложения скоростей и должен приводить к требуемому результату.

Запишем закон сложения скоростей для частного случая, когда тело движется вдоль оси Х 1 системы отсчета К 1 , которая в свою очередь движется со скоростью v относительно системы отсчета К . Причем в процессе движения координатные оси Х и Х 1 все время совпадают, а координатные оси Y и Y 1 , Z и Z 1 и и остаются параллельными.

Обозначим скорость тела относительно К 1 через v 1 , а скорость этого же тела относительно К через v . Тогда релятивистский закон сложения скоростей будет иметь вид

Если и, то дробью в знаменателе можно пренебречь, и вместо этой фигни слева мы получим классический закон сложения скоростей: v 2 = v 1 +v . При v 1 =c скорость v 2 также равна c , как этого требует второй постулат теории относительности. Действительно,

Замечательным свойством релятивистского закона сложения скоростей является то, что при любых скоростях v электродинамики и принцип относительности . Постулаты специальной теории относительности...

Рабочая программа среднего (полного) общего образования по физике Учителя физики

Рабочая программа

Часть 2: электродинамика , электромагнитные колебания и волны, оптика. Основы специальной теории относительности , квантовая физика... Р. № 1104, 1105 59/18 Законы электродинамики и принцип относительности . Постулаты теории относительности . § 75, 76 60/19 ...

Рабочая программа учебного предмета муниципального образовательного учреждения средней общеобразовательной школы с. Березняк

Рабочая программа

ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (3 часа) 32 Законы электродинамики и принцип относительности . Постулаты теории относительности 1 Комбинированный урок Постулаты теории относительности Эйнштейна...

Учебники для 10 и 11 класса

Учебники

Относитель- ности 5 ч 1. Законы электродинамики и принцип относительности . 75/2 2. Постулаты теории относительности . Релятивистский закон сложения скоростей...

Тема: «Законы электродинамики и принцип относительности. Постулаты теории относительности».

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=3·10 8 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=3·10 8 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

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.

Определение 1

Электродинамика – это раздел физики, который исследует электромагнитные поля и взаимодействия между ними.

Рисунок 1. Понятие электродинамики. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Классическая электродинамика комплексно описывает все свойства электрических и магнитных полей, а также рассматривает физические законы, благодаря которым одни физические тела соприкасаются с другими, обладающие положительным электрическим зарядом.

Электромагнитным полем принято называть универсальный вид материи, проявляющийся в результате влияния одного заряженного элемента на другой. Часто при исследовании электромагнитного поля выделяют его основные составляющие: электрическое поле и магнитное поле.

Определение 2

Электромагнитный потенциал – это особая физическая величина, которая точно определяет распределение поля в общем пространстве.

Электродинамику можно разделить на:

электростатику;
электродинамику сплошной среды;
магнитостатику;
релятивистскую электродинамику.

Вектор Пойнтинга представляет собой физическую величину, являющаяся главным вектором плотности энергетического потока поля в электродинамике. Величина указанного вектора пропорциональна энергии, которую возможно перенести в единицу временного пространства через единичную площадь поверхности, которая прямо перпендикулярна направлению распределения электромагнитной индукции.

Электродинамика составляет хорошую базу для развития оптики и физики радиоволн. Эти разделы науки считаются фундаментами для электротехники и радиотехники. Классическая электродинамика использует концепцию уравнений Максвелла при описании ключевых свойств и принципов взаимодействия электромагнитных полей, дополняя ее универсальными материальными уравнениями, начальными и граничными условиями.

Принцип относительности в электродинамике

Принцип относительности в электродинамике был сформирован во второй половине XIX столетия Максвеллом, который представил общественности основные законы действия электромагнитного поля. В результате возник логический вопрос, распространяется ли данная закономерность на явления в электродинамике. Другими словами, необходимо выяснить, смогут ли электромагнитные процессы, взаимодействуя между зарядами и токами, распространяться одинаково во всех инерциальных системах отсчета или же они будут равномерно рассредоточиваться в механических процессах.

Чтобы дать правильный и полноценный ответ на этот вопрос, физики решили изначально определить, меняются ли центральные законы электродинамики при трансформации от одной системы к другой или же остаются неизменными подобно гипотезам Ньютона. Только в последнем случае желательно не сомневаться в действительности исследуемого принципа относительно к методам электромагнитного поля, а затем уже рассматривать эту систему как общий закон природы.

Замечание 1

Законы электродинамики достаточно многогранные и сложные, поэтому грамотное решение данной задачи – непростое дело.

Однако уже устоявшиеся соображения позволяют найти рациональный ответ. Согласно принципам электродинамики, общая скорость распространения электрических и магнитных волн в вакууме всегда одинакова. Однако, с другой стороны, этот показатель также возможно приравнять с одной избранной системой отсчета в соответствии с теорией сложения скоростей механики Ньютона.

Это означает, что если обычный закон сложения скоростей справедлив и действителен, то при последующем переходе от одной инерциальной концепции к другой принципы электродинамики должны в обязательном порядке меняться так, чтобы в новой системе отсчета скорость света уже была представлен в совершенно иной формуле.

Таким образом, физики обнаружили серьезные противоречия между механикой Ньютона и электродинамикой, законы которой не согласуются с принципом относительности.

Возникшие сложности пытались побороть благодаря таким способам:

объявив несостоятельным принцип относительности в использовании к электромагнитным процессам;
признав уравнения Максвелла неправильными и пытаясь изменить их таким образом, чтобы они при очередном переходе от одной инерциальной системы к другой, не менялись;
отказавшись от классических идей о времени и пространстве для того, чтобы в дальнейшем сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла.

Интересно, что единственно верной оказалась именно третья возможность, ведь последовательно развивая её, А. Эйнштейн смог представить новые представления о пространстве и времени. Первые два пути в итоге были опровергнуты в ходе проведения многочисленных экспериментов. Таким образом, представление о существовании инерциальной системы отсчета не выдержало опытной проверки.

Согласовать принцип относительности с методами электродинамикой получилось только после того, как ученые отказались от классических идей о пространстве и времени, согласно которым временное течение и расстояние не зависят от преимущественной системы отсчета.

Принцип сохранения электрического заряда

При нестабильной электризации физических тел используется закон сохранения электрического положительного заряда. Эта закономерность вполне справедлива для замкнутой физической концепции. Справедливость принципа сохранения заряда в электродинамике играет важную роль в природе благодаря тому, что в состав всех веществ находятся только электрически заряженные частицы.

Взаимодействие электромагнитных сил между телами невозможно обнаружить, ведь любая материя нейтральна с электрической позиции в обычном состоянии. Отрицательно и Положительно заряженные элементы непосредственно связаны друг с другом силами электростатики и формируют нейтральные системы.

Макроскопическое вещество будет заряжено электрически в том случае, если оно включает в своем составе избыточное число элементарных частиц с определенным знаком заряда.

Ученые отделяют часть отрицательного заряда от положительного для того, чтобы наэлектризовать физическое тело. Это возможно сделать посредством трения, которое предполагает наблюдение над огромным количеством превращений элементарных частиц.

Существование исследуемого процесса, в пространстве между движущимися элементами, благодаря которым делится конечное время, - вот основное, что отличает теорию близкодействия от гипотезы действия на расстоянии. Ключевое свойство электрического поля в электродинамике – влияние его частиц на другие электрические заряды.

Замечание 2

Электростатическое поле может появиться только посредством действия электрического заряда, так как оно существует в пространстве, окружающем взаимосвязанные между собой заряды.

Линии магнитной индукции в электродинамике

За направление основного вектора магнитной индукции ученые используют показатель южного полюса относительно северной магнитной стрелки, которая свободно устанавливается в магнитном поле. Это направление в электродинамике полностью совпадает с направлением положительной энергии замкнутого контура с током. Положительная нормаль движется в ту сторону, куда трансформируется буравчик, если вращать его параллельно току в рамке.

Правило буравчика можно сформулировать следующим образом: если направление постоянного движения буравчика в итоге совпадает с показателями тока в проводнике, то направление вращения ручки автоматически будет приравниваться к вектору магнитной индукции. В магнитном поле активно действующего прямолинейного проводника стрелка устанавливается строго по касательной окружности.

Определение 3

Линии магнитной индукции – это особые линии, касательные к которым направлены аналогично тому, как и вектор в конкретной точке поля.

Параметры однородного поля всегда параллельны, а главной особенность линий индукции магнитов в электродинамике называют их бесконечность. Поля с замкнутыми силовыми линиями образуют магнитное поле, которое не имеет источников.

«Физика - 11 класс»

Законы электродинамики и принцип относительности

Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится тело или движется (длина абсолютна).

Специальная теория относительности Эйнштейна - это новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

Принцип относительности в механике и электродинамике

После того как во второй половине XIX в. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные явления? Иными словами, протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и т. д.) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Или, быть может, равномерное прямолинейное движение, не влияя на механические явления, оказывает некоторое воздействие на электромагнитные процессы?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, или же, подобно законам Ньютона, они остаются неизменными. Только в последнем случае можно отбросить сомнения в справедливости принципа относительности применительно к электромагнитным процессам и рассматривать этот принцип как общий закон природы.

Законы электродинамики сложны, и строгое решение этой задачи - нелегкое дело. Однако уже простые соображения, казалось бы, позволяют найти правильный ответ. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 3 10 8 м/с . Но в соответствии с законом сложения скоростей механики Ньютона скорость может быть равна скорости света только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к этой избранной системе отсчета со скоростью , скорость света должна уже быть равна - . Это означает, что если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой законы электродинамики должны меняться так чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже была равна не , а - .

Первый способ:
объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории X. Лоренц. Электромагнитные явления еще со времен Фарадея рассматривались как процессы, происходящие в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, - мировом эфире. Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это согласно Лоренцу особая, преимущественная система отсчета. В ней законы электродинамики Максвелла справедливы и наиболее просты по форме. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.

Второй способ:
считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем. По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности остается справедливым.

Третий способ:
отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем чтобы сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. Это наиболее революционный путь, ибо он означает пересмотр в физике самых глубоких, основных представлений. С данной точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла.

равильным оказался именно третий способ. Последовательно развивая его, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.

Точка зрения Лоренца, согласно которой должна существовать избранная система отсчета, связанная с мировым эфиром, пребывающим в абсолютном покое, была опровергнута прямыми опытами.

Если бы скорость света была равна 300 000 км/с только в системе отсчета, связанной с эфиром, то, измеряя скорость света в произвольной инерциальной системе отсчета, можно было бы обнаружить движение этой системы отсчета по отношению к эфиру и определить скорость этого движения. Подобно тому как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, при движении по отношению к эфиру (если, конечно, эфир существует) должен быть обнаружен «эфирный ветер». Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 г. американскими учеными А. Майкельсоном и Э. Мор л и по идее, высказанной за 12 лет до этого Максвеллом.

В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения проводились очень точно с помощью специального прибора - интерферометра Майкельсона. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. Но всегда получался отрицательный результат: движения Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось.

Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь, это означало, что никакой особой среды - «светоносного эфира», с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует.

При попытках Герца изменить законы электродинамики Максвелла выяснилось, что новые уравнения неспособны объяснить ряд наблюдаемых фактов. Так, согласно теории Герца движущаяся вода должна полностью увлекать за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так

Итак,
согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.

Постулаты теории относительности

В основе теории относительности лежат два постулата.

А что такое постулат?

Постулат в физической теории выполняет ту же роль, что и аксиома в математике.
Это - основное положение, которое не может быть логически доказано.
В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.

1.
Все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета физические законы имеют одинаковую форму.
Таким образом, принцип относительности классической механики распространяется на все процессы в природе, в том числе и на электромагнитные.

2.
Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

Скорость света занимает, таким образом, особое положение.
Более того, как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.

Для того чтобы сформулировать постулаты теории относительности, нужна была большая научная смелость, так как они противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.

В самом деле, допустим, что в момент времени, когда начала координат инерциальных систем отсчета К и К 1 , движущихся относительно друг друга со скоростью , совпадают, в начале координат происходит кратковременная вспышка света.
За время t системы отсчета сместятся относительно друг друга на расстояние υt , а сферическая волновая поверхность будет иметь радиус υt .
Системы отсчета К и К 1 равноправны, и скорость света одинакова в той и другой системе отсчета.

Следовательно, с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К , центр сферы будет находиться в точке О , а с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К 1 , - в точке О 1 .

Но ведь не может одна и та же сферическая поверхность иметь центры в точках О и O 1 .
Это явное противоречие вытекает из рассуждений, основанных на постулатах теории относительности.

Итак,
имеется противоречие с классическими представлениями о пространстве и времени, которые при больших скоростях движения несправедливы.
Однако сама теория относительности не содержит противоречий и является абсолютно логичной.

Напечатать