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.
Изменились представления 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 тело или движется (длина абсолютна).
Специальная теория относительности Эйнштейна - это новое учение о простраш-гво и времени, пришедшее на смену старым (классичснчсим) представлениям.
§ 75 ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
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 - .
Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Возникшие трудности пытались преодолеть тремя различными способами.
Первый способ: объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории X. . 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.
Наконец, 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.
Единственно правильным 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 к м/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.
Эйнштейн Альберт (1879-1955) - великий физик XX в. Создал новое учение о пространстве и времени - специальную теорию относительности. Обобщая эту теорию для неинер-циальных систем отсчета, разработал общую теорию относительности, представляющую собой современную теорию тяготения . Впервые ввел представление о частицах света - фотонах. Его работа по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества.
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.
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.
Согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказав-И1ись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.
Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.
Календарно-тематическое планирование, задачи школьнику 11 класса по физике скачать , Физика и астрономия онлайн
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиВо второй половине XIX века Д. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики. При этом возникли сомнения в справедливости механического принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. Вспомним суть механического принципа относительности.
Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы являются инерциальными. Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму (инвариантны)
; в этом состоит суть механического принципа относительности или принципа относительности Галилея.
Для доказательства этого принципа рассмотрим две системы отсчета: инерциальную систему К
(с координатами x, y, z
), которую условно будем считать неподвижной и подвижную систему K"
(с координатами x", y", z"
), движущуюся относительно К
равномерно и прямолинейно со скоростью u
= const. Примем, что в начальный момент времени t
= 0 начала O
и O"
обеих систем координат совпадают. Расположение систем координат в произвольный момент времени t
имеет вид, изображенный на рис. 5.1. Скорость u
направлена вдоль прямой OO"
, а радиус-вектор, проведенный из точки O
в точку O"
, равен r 0 =ut
.
Координаты произвольной материальной точки A
в неподвижной и подвижной системах отсчета определяются радиусами-векторами r
и r"
, причем
В проекциях на оси координат векторное уравнение (5.1) записывается в виде, называемом преобразованиями Галилея :
(5.2)
В частном случае, когда система K" движется со скоростью v вдоль положительного направления оси x системы K , преобразования координат Галилея имеют следующий вид:
В классической механике предполагается, что ход времени не зависит от относительного движения систем отсчета. Поэтому система уравнений (5.2) дополняется еще одним соотношением:
(5.3)
Соотношения (5.2) – (5.3) справедливы лишь в случае u . При скоростях, сравнимых со скоростью света, преобразования Галилея заменяются более общими преобразованиями Лоренца.
Продифференцируем уравнение (5.1) по времени и учитывая, что u
= const, найдем соотношения между скоростями и ускорениями точки А
относительно обеих систем отсчета:
откуда
(5.4)
А также
(5.5)
Если на точку А
другие тела не действуют, то a
= 0 и согласно (5.5) a"
= 0, т.е. подвижная система K"
является инерциальной – изолированная материальная точка либо движется относительно нее равномерно и прямолинейно, либо покоится.
Из выражения (5.5) следует, что
т.е. уравнения Ньютона (уравнения динамики) для материальной точки одинаковы во всех инерциальных системах отсчета или инвариантны по отношению к преобразованиям Галилея. Этот результат часто формулируют следующим образом: равномерное и прямолинейное движение системы как целого не влияет на ход протекающих в ней механических процессов
.
Классическая механика Ньютона достоверно описывает движение макроскопических тел, движущихся со скоростями, намного меньшими скорости света. В конце XIX в. было установлено, что выводы классической механики противоречат некоторым опытным данным. В частности при изучении движения быстрых заряженных частиц оказалось, что их движение не подчиняется законам Ньютона. Далее возникли затруднения при попытках применить классическую механику для объяснения распространения света. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и приблизительно равна с
= 3*10 8 м/с. Но в соответствии с законами классической физики скорость света может равняться с
только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся относительно избранной системы со скоростью v
, она должна уже равняться с
-v
, или с
+v
. Это означает, что если справедлив закон сложения скоростей классической механики (формула (5.4)), то при переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики должны меняться, так как должна меняться скорость света. Таким образом, обнаружились противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности Галилея. Для преодоления возникших трудностей предлагались различные способы:
- Принять несостоятельность принципа относительности применительно к электромагнитным явлениям. Еще со времен Фарадея электромагнитные явления рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, - эфире . Согласно Х. Лоренцу инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это особая система, в которой законы электродинамики Максвелла справедливы. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
- Считать ошибочными уравнения электродинамики Максвелла и попытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем, который считал, что эфир полностью увлекается движущимися телами, поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности справедлив.
- Отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем, чтобы сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла. С этой точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Таким образом, изменять нужно законы классической механики, а не законы электродинамики Максвелла.
Развитие естествознания опровергло эти представления. Никакого абсолютного пространства и времени не существует. Вселенная заполнена материей в форме вещества и поля, а пространство выступает как всеобщее свойство материи. Время всегда связано с движением и развитием материи. Таким образом, пространство – это форма бытия материи, которая выражает ее протяженность и структурность; время – это форма бытия материи, характеризующая длительность существования всех объектов, полей и последовательность смены событий.
Основными свойствами пространства и времени являются: а) единство и неразрывная связь материи, пространства и времени; б) абсолютная непрерывность и относительная прерывность пространства и времени. Непрерывность проявляется в распространении материальных полей в пространстве всех тел и систем, в бесконечном следовании элементов длины при движении тела между двумя точками. Прерывность пространства относительна и проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, каждая из которых имеет определенные размеры и границы. Прерывность времени характеризуется лишь временем существования качественных состояний материи, каждое из которых возникает и исчезает, переходя в другие формы; в) время обладает длительностью, однонаправленностью, необратимостью.
Последовательно развивая новые, отличные от классических, представления о пространстве и времени, А. Эйнштейн в начале XX в. создал специальную теорию относительности (СТО). В рамках этой теории удалось согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла. При этом новая теория не отменяла старую (ньютоновскую механику), а включала ее в себя как частный, предельный случай.
Принцип относительности и законы Ньютона
Принцип относительности Галилея органически вошел в созданную И. Ньютоном классическую механику. Ее основу составляют три «аксиомы» - три знаменитых закона Ньютона. Уже первый из них, гласящий: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние», говорит об относительности движения и одновременно указывает на существование систем отсчета (они были названы инерциальными), в которых тела, не испытывающие внешних воздействий, движутся «по инерции», не ускоряясь и не замедляясь. Именно такие инерциальные системы имеются в виду и при формулировке двух остальных законов Ньютона. При переходе из одной инерциальной системы в другую меняются многие величины, характеризующие движение тел, например, их скорости или формы траектории движения, но законы движения, то есть соотношения, связывающие эти величины, остаются постоянными.
Преобразования Галилея
Чтобы описывать механические движения, то есть изменение положения тел в пространстве, Ньютон четко сформулировал представления о пространстве и времени. Пространство мыслилось как некий «фон», на котором развертывается движение материальных точек. Их положение можно определять, например, с помощью декартовых координат x, у, z, зависящих от времени t. При переходе из одной инерциальной системы отсчета К в другую К", движущуюся по отношению к первой вдоль оси x со скоростью v, координаты преобразуются: x" = x - vt, y" = у, z" = z, а время остается неизменным: t" = t. Таким образом принимается, что время абсолютно. Эти формулы получили название преобразований Галилея.
По Ньютону, пространство выступает как некая координатная сетка, на которую не влияет материя и ее движение. Время в такой «геометрической» картине мира как бы отсчитывается некими абсолютными часами, ход которых ничто не может ни ускорить, ни замедлить.
Принцип относительности в электродинамике
Принцип относительности Галилея более трехсот лет относили только к механике, хотя в первой четверти 19 в., прежде всего благодаря трудам М.Фарадея, возникла теория электромагнитного поля, получившая затем дальнейшее развитие и математическую формулировку в работах Дж.К. Максвелла. Но перенос принципа относительности на электродинамику представлялся невозможным, так как считалось, что все пространство заполнено особой средой - эфиром, натяжения в котором и истолковывались как напряженности электрического и магнитного полей. При этом эфир не влиял на механические движения тел, так что в механике он «не чувствовался», но на электромагнитных процессах движение относительно эфира («эфирный ветер») должно было сказываться. В результате находящийся в закрытой кабине экспериментатор при помощи наблюдения над такими процессами мог, казалось, определить, находится ли его кабина в движении (абсолютном!), или же она покоится. В частности, ученые полагали, что «эфирный ветер» должен влиять на распространение света. Попытки обнаружить «эфирный ветер», однако, не увенчались успехом, и концепция механического эфира была отвергнута, благодаря чему принцип относительности как бы родился заново, но уже как универсальный, справедливый не только в механике, но и в электродинамике, и других областях физики.
Преобразования Лоренца
Подобно тому, как математической формулировкой законов механики являются уравнения Ньютона, уравнения Максвелла являются количественным представлением законов электродинамики. Вид этих уравнений также должен оставаться неизменным при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Чтобы удовлетворить этому условию, необходимо заменить преобразования Галилея иными: x"= g(x-vt); y"= y; z"=z; t"=g(t-vx/c 2), где g = (1-v 2 / c 2)-1/2, а с - скорость света в вакууме. Последние преобразования, установленные Х. Лоренцем в 1895 и носящие его имя, являются основой специальной (или частной) теории относительности. При vc они переходят в преобразования Галилея, но если v близко к c, то проявляются существенные отличия от картины пространства - времени, которую принято называть нерелятивистской. Прежде всего, обнаруживается несостоятельность привычных интуитивных представлений о времени, выясняется, что события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой. Меняется и закон преобразования скоростей.
Преобразование физических величин в релятивистской теории
В релятивистской теории пространственные расстояния и промежутки времени не остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой со скоростью v. Длины сокращаются (в направлении движения) в 1/g раз, и в такое же число раз «растягиваются» промежутки времени. Относительность одновременности - основная принципиально новая черта современной частной 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 программаЧасть 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 программаТЕОРИИ 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
УчебникиОтноситель- ности 5 ч 1. Законы электродинамики и принцип относительности . 75/2 2. Постулаты теории относительности . Релятивистский закон сложения скоростей...