Тема. Основні положення спеціальної теорії відносності
Мета уроку: розглянути принцип відносності Галілея й ознайомити учнів з постулатами Ейнштейна.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Принцип відносності Галілея
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).
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 ?v відносно нерухомої системи, то швидкість ur тіла відносно нерухомої системи відліку дорівнює:uuv=+rrr?v.Це співвідношення називається законом додавання швидкостей Галілея (або класичним законом додавання швидкостей).2. Передумови теорії відносностіПринцип 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.
2. Основні положення спеціальної теорії відносності
Альберт Ейнштейн стверджував, що законом природи є цілковита рівноправність усіх інерціальних систем відліку щодо не лише механічних, але й електромагнітних процесів. Немає жодних відмінностей між станом спокою й рівномірного прямолінійного руху.Ейнштейн узяв установлені на досліді факти як основні положення теорії, названої згодом спеціальною теорією відносності.Ці положення називають постулатами теорії відносності:
1) усі фізичні явища протікають однаково в усіх інерціальних системах відліку;
2) швидкість світла у вакуумі однакова в усіх інерціальних системах відліку.
Перший постулат назвали принципом відносності Ейнштейна. Другий постулат стверджує сталість швидкості світла в усіх інерціальних системах відліку.Головний внесок Ейнштейна в пізнання законів природи полягав навіть не у відкритті нових формул, а в радикальній зміні основних фундаментальних уявлень про простір, час, речовину і рух.Поширення принципу відносності Галілея на всі закони природи означає, що закон додавання швидкостей справедливий для опису поширення всіх видів взаємодії, зокрема електромагнітної.
Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу
1. Що у фізиці розуміють під системою відліку?
2. Які системи відліку називаються інерціальними? Наведіть приклади.
3. Скільки існує інерціальних систем відліку?
4. У чому полягають відмінності у формулюваннях принципу відносності Галілея і принципу відносності Ейнштейна?
5. Чи можна стверджувати, що фізичні процеси та явища, які коли-небудь іще відкриють, 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?
Про що ми дізналися на уроці
-Принцип відносності Галілея:у всіх інерціальних системах відліку за однакових початкових умов усі механічні явища протікають однаково.
-Постулати спеціальної теорії відносності:
1) усі фізичні явища протікають однаково в усіх інерціальних системах відліку;
2) швидкість світла у вакуумі однакова в усіх інерціальних системах відліку.
Домашнє завдання