Концепция относительности пространства и времени. Постулаты теории относительности - раздел Информатика, Рабочая учебная программа
После Построения Классической Электродинамики Максвелла Возни...
После построения классической электродинамики Максвелла возникает естественный вопрос о ее соответствии с принципом относительности и выводами классической механики. Сразу заметим, что уравнения Максвелла содержат в себе универсальную постоянную, имеющую размерность скорости и представляющую собой скорость электромагнитных волн в вакууме (скорость света). Эта скорость инвариантна относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой, т.е. должна быть одинаковой в разных инерциальных системах отсчета. Данное утверждение находится в противоречии с классическим законом сложения скоростей (2.6), которое является прямым следствием преобразований Галилея, т.е. предположения о гипотезе абсолютного времени. Последнее предположение не вытекает из каких-либо утверждений, а является постулатом классической механики.
Для согласования электромагнитной теории и классической механики необходимо и достаточно (!!) отказаться от абсолютности времени (2.3) и принять во внимание факт существования инвариантной скорости. Только этого достаточно, чтобы привести к полному согласованию электродинамику Максвелла с механикой. При этом принцип относительности полностью сохраняет свою силу и, более того, оказывается справедлив не только для механических явлений(трактовка Галилея), но и для всех явлений в природе(трактовка Эйнштейна). Уравнения Максвелла инвариантны относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой. Преобразования Галилея (2.2–2.3) при этом автоматически заменяются на более общие преобразования Лоренца.
Рассмотренные выше положения и составляют основу специальной теории относительности. Повторим, что для ее построения достаточно отказаться от абсолютности времени и принять во внимание факт существования инвариантной скорости.
В 1905 году была опубликована статья А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся сред», а через год появилась вторая статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». В них практически полностью была изложена специальная теория относительности (СТО).
В основе СТО лежат два постулата. Первый постулат СТО – принцип относительности – гласит, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Второй постулат СТО гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала. Скорость света является предельной скоростью, ни один из процессов в природе не может иметь скорость, большую, чем скорость света – 300 тысяч километров в секунду.
Из постоянства скорости света вытекают относительность расстояний и относительность промежутков времени. Относительность расстояний означает, что размеры быстро движущихся тел сокращаются по сравнению с длиной покоящихся тел и при приближении к скорости света их размеры стремятся к нулю. Относительность промежутков времени заключается в замедлении хода часов в быстродвижущейся системе по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета.
Все выводы (формулы) СТО при малых скоростях (скоростях много меньших скорости света) переходят в выводы (формулы) классической механики Ньютона. Так, например, преобразования Лоренца при малых скоростях переходят в преобразования Галилея. Тем самым, СТО и классическая (нерелятивисткая) механика Ньютона находятся в согласии с фундаментальным принципом соответствия. Принцип соответствия гласит: новая более общая теория должна содержать в себе старую менее общую теорию в качестве своего частного (предельного) случая. Более общая теория не отвергает менее общую теорию, а устанавливает ее границы применимости. (Сделаем здесь замечание о роли эксперимента в теории. Если эксперимент противоречит созданной теории, то он указывает на существование границы области применимости данной теории и требует поиска (создания) более общей теории, которая описывала бы старые и новые экспериментальные данные.)
Следующий вывод СТО является наиважнейшим фактом, определяющим целый ряд физических процессов. СТО устанавливает эквивалентность массы и энергии покоя частицы: энергия покоя равна массе, умноженной на квадрат скорости света:
. (2.7)
Масса частицы является инвариантом преобразований Лоренца, это внутренняя характеристика частицы, как и электрический заряд. Эта характеристика никак не зависит от состояния частицы (Введение в некоторых курсах релятивистской массы, зависящей от скорости, с точки зрения современной физики является архаикой и только затемняет суть теории относительности, являясь лишним мусором). Формула Эйнштейна (2.7) устанавливает связь между разными физическими величинами: энергией покоя и массой (подобная связь между инертной и гравитационной массами обсуждалась ранее). Эти величины связаны между собой через фундаментальную постоянную – скорость света в вакууме.
Следующий вывод СТО состоит в объединении пространства и времени в единый четырехмерный континуум пространство – время (пространство Минковского). Пространство и время неразрывно связаны друг с другом. Эта связь отражается математически в том, что три пространственных координаты и временная координата объединяются в математическую величину – 4-вектор, являясь его компонентами. Из данных 4-х компонент образуется величина – интервал - являющаяся аналогом расстояния в трехмерном пространстве. Расстояние (длина) 
, как и промежуток времени 
, являются инвариантами относительно преобразований Галилея. Интервал
является инвариантом относительно преобразований Лоренца.
Дальнейшее развитие идеи СТО получили в общей теории относительности (ОТО), которая была создана А. Эйнштейном через одиннадцать лет после СТО. В ОТО рассматривается движение тел в сильных гравитационных полях. Т.к. согласно СТО все взаимодействия в природе распространяются с конечной скоростью, ограниченной скоростью света, то потребовался пересмотр классической теории тяготения Ньютона, предполагавшего, что гравитационное взаимодействие происходит мгновенно.
В основе ОТО лежит принцип эквивалентности, следующий из пропорциональности инертной массы, входящей в законы классической механики Ньютона, гравитационной массе, входящей в закон всемирного тяготения. Принцип эквивалентности утверждает: однородное поле гравитационных сил эквивалентно полю сил инерции в неинерциальной системе отсчета.
Следующим достижением ОТО можно назвать установление связи между гравитацией и геометрией четырехмерного пространства-времени Минковского. Согласно ОТО движение свободной частицы по инерции в поле тяготения происходит по экстремальным линиям (геодезическим) в пространстве-времени, геометрия которого не является евклидовой (криволинейность пространства). Пространство–время оказывается зависящим от движения и распределения материи. В свою очередь, распределение и движение материи зависит от геометрии пространства-времени. Тем самым устанавливается неразрывная связь между пространством–временем и материей.
2.6. Корпускулярно – волновой дуализм света
К концу XVII в. возникают две теории света: корпускулярная, предложенная И. Ньютоном, согласно которой свет представляет собой поток частиц, и волновая, предложенная Х. Гюйгенсом, в которой свет рассматривался как упругая волна.
К началу XIX в. были объяснены явления интерференции и дифракции света, в которых свет проявляет волновые свойства. Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух или нескольких световых волн происходит перераспределение энергии в пространстве. Для наблюдения устойчивой картины интерференции (чередование светлых и темных полос на экране) необходимо соблюдение условия когерентности волн, т.е. самосогласованного протекания колебательных и волновых процессов. Дифракция света состоит в явлении отклонения света от прямолинейного распространения на различных препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны. Поляризация света проявляет себя в изменении интенсивности света в зависимости от взаимной ориентации кристаллов при пропускании света через них. Это явление объясняется на основе предположения о поперечности световых волн.
Исследование явлений интерференции, дифракции, поляризации света, построение электромагнитной теории Максвелла привели к утверждению волновой теории света.
Однако в конце XIX – начале XX вв. был обнаружен ряд эффектов, которые оказалось невозможным объяснить на основе волновых представлений. Одной из проблем, стоящей перед физиками конца XIX в., была проблема излучения черного тела, т.е. тела, поглощающего всю падающую на него энергию. Попытки объяснить излучение черного тела и его закономерности были предприняты Вильгельмом Вином (1864–1927) и Джоном Уильямом Рэлеем (1842–1919). Из классической теории следовало, что раскаленное тело с течением времени должно отдавать все больше тепла в окружающее пространство и яркость его свечения должна все больше возрастать («ультрафиолетовая катастрофа»). Проблема излучения черного тела была решена немецким физиком Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком (1858–1947). 14 декабря 1900 г. М. Планк докладывает Берлинскому физическому обществу о своей знаменитой гипотезе и новой формуле излучения. Согласно гипотезе Планка, излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия Е которых определяется частотой n:
E = hn,
где h = 6,63 10-34 Дж · с – постоянная Планка, еще одна фундаментальная постоянная посредством которой связаны энергия и частота. На основе этой гипотезы удалось полностью объяснить тепловое излучение черного тела.
В 1905 г. А. Эйнштейн на основе предположения о том, что свет не только испускается отдельными порциями, но и поглощается в виде отдельных порций, объяснил все закономерности явления фотоэффекта открытого в 1887 г. Г. Герцем.
Явление фотоэффекта состоит в испускании электронов веществом под действием света. Количественные закономерности фотоэффекта были экспериментально установлены Александром Григорьевичем Столетовым (1839–1896): 1) количество вырываемых с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) пропорционально интенсивности падающего на поверхность тела излучения; 2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности светового излучения; 3) если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты (красная граница фотоэффекта), то фотоэффект не наблюдается; 4) фотоэффект протекает практически мгновенно.
На основе волновой теории удавалось объяснить только первый из четырех законов фотоэффекта.
Итак, в ряде экспериментов свет обнаруживает наряду с волновыми свойствами и свойства частиц – фотонов, обладающих энергией и импульсом. Фотон – частица, обладающая нулевой массой, но имеющая определенную энергию и импульс. (Фотон движется всегда со скоростью света и не существует в покое, существование безмассовых частиц предсказывает СТО; говорить о массе покоя вообще не имеет смысла в силу инвариантности массы и отсутствия в природе покоящихся фотонов) Энергия фотона определяется через его частоту, которая характеризует наличие у фотона-частицы волновых свойств.
Итак, изучение свойств распространения света и его взаимодействия с веществом привели к корпускулярно-волновому дуализму света: свет способен проявлять как свойства волны, так и свойства частиц. Заметим, что природа света едина (!) – электромагнитная, а свойства его носят двойственный характер.
Все темы данного раздела:
Базина Инна Викторовна
Концепции современного естествознания: рабочая учебная программа. – М.: МГУТУ, 2011. – с.
Рабочая учебная программа дисциплины «Концепции современного есте
Цели и задачи дисциплины.
Учебная дисциплины «Концепции современного естествознания» - дисциплина по выбору математического и естественного цикла государственного образовательного стандарта по направлению подготовки 080200
Общие требования к содержанию и уровню освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен приобрести знания, умения владения и профессиональные компетенции.
Знать:
· основные этапы развития естествознания
Учебно-образовательные модули дисциплины, их трудоемкость и рекомендуемые виды учебной работы
В таблице 2 дано наименование тем и рекомендованные виды учебной работы, которые в вузовской рабочей программе детализируются в зависимости от используемых технологий обучения. Трудоемкость модулей
Дидактически минимум учебно-образовательных модулей дисциплины.
Таблица 3. Обязательный дидактический минимум содержания дисциплины и её учебно-образовательных модулей.
№
п/п
Наименование модуля и темы дисциплин
Лабораторные работы
Лабораторный практикум является формой аудиторной работы в малых группах. Основная цель лабораторного практикума это приобретение инструментальных компетенций и практических навыков в области «Конц
Цели самостоятельной работы
Формирование способностей к самостоятельному познанию и обучению, поиску литературы, общению, оформлению и представлению полученных результатов, их анализу, умению принять решение, аргументированно
Дополнительная
1. Дмитриева В.Ф., Михайлов М.А., Икренникова Ю.Б. Концепции современного естествознания. УМП.-М.:МГУТУ, 2011.
2. Дмитриева В.Ф., Базина И.В., Икренникова Ю.Б, Самсонов Г.А. Концепции совр
Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Для проведения лабораторных занятий используются специализированные лаборатории, приборы и оборудование, учебный класс для самостоятельной работы по дисциплине, оснащенный компьютерной техникой, не
Контроль знаний по дисциплине
По дисциплине «Концепции современного естествознания» проводится контроль знаний студентов: входной, текущий, рубежный и промежуточная аттестация – экзамен.
Входной контроль предназ
Оценка учебной деятельности
1. Общее количество баллов за виды учебной деятельности студента, предусмотренные основной программой освоения дисциплины, должно составлять не более 60 баллов ( зачетный балл). Так как по дисципли
Тематический план лабораторных занятий
№ п/п
Наименование
темы
Количество часов по формам обучения
Полная
Сокращенная
очн
Матрица формирования компетенций
№ п/п
Наименование
nемы
Компетенции, формируемые на занятиях
А
Б
В
Г
Изучение корпускулярно-волнового дуализма материи
Материя – бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не толь
Лабораторная работа №1А
Определение длины волны при помощи дифракционной решетки
1.Дифракция света
Развитие оптики вплоть до начала XX века базировалось в основном, на представлении
Дифракционная решетка
Для получения ярких дифракционных спектров применяются дифракционные решетки. Дифракционная решетка представляет собою совокупность большого числа узких параллельных щелей одинаковой ширины, распол
Определение постоянной дифракционной решетки
В первой части работы определяют постоянную дифракционной решетки по известной длине волны света, получаемого от монохроматического источника света,
Постоянную дифракционной решетки С опре
Определение длины волны одной из линий спектра белого света.
Во второй части работы определяют длину волны одной из линий спектра белого света. Спектр создается с помощью дифракционной решетки. Используют значение постоянной решетки С, полученное в первой ча
Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы
В работе применяется селеновый фотоэлемент.
Устанавливают фотоэлемент
Дисперсия света
Основным понятием геометрической оптики является понятие светового луча. Законы, определяющие направления световых лучей – закон прямолинейного распространения в однородной среде, законы отражения
Постоянная Планка
Свет представляет собой форму лучистой энергии, которая распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. В 1900 году ученый Макс Планк – один из основоположников квантовой механики – п
Работа может выполняться как на лабораторной установке, так и на компьютере.
3. Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы.
Для исследования видимой части спектра применяют спектроскопы. Спектроскопом называется прибор, служащи
Описание виртуальной установки и порядок выполнения работы.
Лабораторная работа является электронной моделью соответствующей лабораторной установки на кафедре физики МГУТУ.
Меню лабораторной работы содержит методические указания и виртуальную модел
Исследование влияния радиоактивного излучения на живые организмы
Когда в 1896 году А. Беккерель впервые обнаружил наличие ионизирующих излучений у соединений урана, никто не предполагал, что они настолько опасны. Только через полстолетия, после взрывов первых ат
Радиоактивность.
Радиоактивностью называется процесс самопроизвольного превращения неустойчивых элементов в устойчивые, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или излучением энергии.
a - излучени
Скорость химических реакций и факторы ее обуславливающие
Одна из особенностей химических реакций заключается в том, что они протекают во времени. Одни реакции протекают медленно, месяцами, как например, коррозия железа или брожение виноградного сока, в р
Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ
Необходимым условием того, чтобы между частицами исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом, поэтому скорость реакции пропорциональна числу соударе
Влияние температуры на скорость реакции
С ростом температуры возрастает энергия сталкивающихся частиц и повышается вероятность того, что при столкновении произойдет химическое превращение, поэтому скорость реакции должна увеличиваться. Д
Влияние катализаторов
Наиболее сильное влияние на скорость реакции оказывает присутствие в реагирующей системе катализатора – вещества, которое повышает (а иногда и уменьшает – тогда его называют ингибитором) ско
Порядок выполнения работы
При взаимодействии раствора тиосульфата натрия Na2S2O3 и серной кислоты выпадает сера, вызывающая при достижении определенной концентрации помутнение раствора:
Матрица формирования компетенций
№ п/п
Наименование темы
Компетенции, формируемые на занятиях
A
Б
В
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОФОРМЛЕНИЮ РЕФЕРАТА
Творческая работа студентов по написанию реферата состоит из нескольких этапов:
1. Выбор темы исследования, подбор и изучение литературы по теме.
2. Составление плана и определени
Методологические основы научного познания
1.1 . Структура научного знания.
1.2 . Критерии научного знания.
1.3 . Уровни и методы научного познания.
1.4 . Общенаучные подходы.
Наука – это
Естествознание в системе научного знания. Предмет, цели и история естествознания
2.1. Предмет и иерархическая структура естествознания.
2.2. Этапы и история развития естествознания.
2.3. Основные черты современного естествознания.
&nbs
Современные концепции физической картины мира
3.1. Соотношение динамических и статистических законов.
3.2. Принципы современной физики.
3.3. Структурные уровни материи.
3.4. Виды физического взаимодей
Современные космологические концепции. Антропный принцип
4.1. Происхождение Вселенной. Концепция Большого взрыва.
4.2. Возникновение и структура Солнечной системы.
4.3. Антропный принцип в современной науке.
&nb
Концепции современной химии
5.1. Специфика химии как науки
5.2. Четыре уровня химического знания.
Одной из важнейших естественных наук является химия – наука, изучающая превращения веществ, с
Возникновение жизни на Земле и ее разнообразие
6.1. Структурные уровни организации жизни.
6.2. Основные концепции происхождения жизни на Земле.
6.3. Появление жизни на Земле.
Уровни орг
Факторы и движущие силы эволюционного процесса
7.1. Теория эволюции Ч. Дарвина.
7.2. Механизмы и законы эволюции.
7.3. Синтетическая теория эволюции.
Понятие эволюции – процесса длитель
Синергетика и естествознание XXI века
Основоположники синергетики рассматривают ее как новое междисциплинарное направление исследований, как учение о сложноорганизованных системах. Г. Хакен подчеркивает, что все основные ее понятия «от
Тест №2
Этот тест предназначен для текущего контроля знаний студентов по следующим темам: «Концепции современной химии»; «Фундаментальные свойства живой материи»; «Возникновение жизни и эволюция ее форм».
Матрица формирования компетенций
№ п/п
Наименование темы
Компетенции, формируемые на занятиях
A
Б
В
ДО НАЧАЛА 20 ВЕКА
1.1. Истоки науки: мифология, религия,
античная натурфилософия
В период зарождения человеч
Медицина в эпоху античности
Основателем научной медицины принято считать Гиппократа (около 460 – около 370 гг. до н.э.), который основал Косскую (по названию острова Кос) медицинскую школу. Основные его работы – трактаты: «О
Культура. Агон
Важнейшей характеристикой греческой культуры является ее состязательность – агональность (агон – состязательность, «игра»). М.И.Козьякова в книге «История. Культура. Повседневная Западная Европа: о
Развитие взглядов на строение Вселенной
Зарождение астрономии. Астрономия, пожалуй, является самой древней наукой. Зачатки астрономических знаний уходят в далекое прошлое: древний Египет, Вавилон, Индия, Китай и др. Одна
Наука в эпоху Средневековья
Западная средневековая наука и философия представляют собой длительный отрезок времени (примерно с I–V вв. по XV в.), когда они в большей мере основывались на христианской религии, которая возникае
Наука в эпоху Возрождения. И. Ньютон
В эпоху Возрождения – переходный период от средневековья к новому времени (XIV–XVII вв.) – на передний план выдвигается исследование природы, опыт, экспериментальный метод. Видное место завоевывает
СТРУКТУРА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Фундаментальные физические взаимодействия
Под взаимодействием понимается развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением.
Все силы и
Принцип относительности
В классической механике Ньютона постулируется абсолютность пространства и времени, т.е. считается, что свойства пространства и времени не зависят от материи и ее движения; пространст
Электромагнитная концепция
Электродинамика – наука, о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрическими заряда
Корпускулярно-волновой дуализм вещества
Представление об атомах как мельчайших неделимых частицах вещества возникло во времена античности. Но в средние века идея атомизма не получает признания и только к началу XVIII века
Закон сохранения и превращения энергии
Открытие закона сохранения и превращения энергии явилось одним из величайших достижений науки XIX века. Его открытие непосредственно связано с предыдущем развитием всех областей физики и естествозн
И неравновесная термодинамика
Классическая термодинамика XIX века занималась изучением тепловых явлений без учета молекулярного строения тел. При этом предметом ее исследований выступали закрытые системы, т.е
Симметрия в природе. Законы сохранения и их связь с симметрией пространства и времени
Слово симметрия имеет греческое происхождение и переводится как соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей.
Симметрия предполагает
СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ
Космология – это учение о Вселенной как целом, которое включает в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области как части Вселенной (Метагалактика). В космологии
Модель расширяющейся Вселенной
В 1922–1924 годах на основе представлений об однородной, изотропной, бесконечной Вселенной и уравнений ОТО советским математиком А. Фридманом были получены результаты, говорящие о том, что Вселенна
Модель горячей Вселенной
Для определения того, как происходило расширение Вселенной с момента начала расширения, какие процессы при этом протекали, необходимо провести расчеты при разных предположениях о расширении, о сост
Строение и происхождение галактик
Галактики представляют собой гигантские скопления звезд, связанных между собой силами гравитации. Галактики содержат от нескольких миллионов до многих сотен миллиардов звезд. Наряду
Эволюция звезд
Все небесные тела можно разбить на две группы: 1) испускающие энергию – звезды и 2) не испускающие энергию – планеты, кометы, метеориты, космическая пыль.
Зве
Состав и строение Солнечной системы
Солнечная система представляет собой группу небесных тел, объединенных в единую систему благодаря гравитационному взаимодействию, с центральным телом – Солнце. Кроме Солнца в состав Солне
Строение и движение Земли
Радиус Земли составляет 6,38 · 106 м., ее масса 5,98 · 1024 кг, плотность 5,5 · 103 кг/м3. Скорость обращения Земли вокруг Солнца примерн
Солнечной системы и Земли
Существует несколько различных гипотез о происхождении Солнечной системы и планеты Земля. Пожалуй, здесь следует начать с гипотезы французского естествоиспытателя Жоржа Бюффона (1707–1788). В своей
В биологии
Биология до XVIII века в основном носила описательный и систематический характер. Зоология и ботаника того времени занимались преимущественно изучением и описанием видов. При этом о
Эволюционная теория Ч. Дарвина
Основы эволюционной теории были сформулированы Ч. Дарвиным в его работе "Происхождение видов" (1859) на предшедствующего эмпирического материала и своих наблюдений в ходе
Проблема живого и неживого
Одной из самых сокровенных тайн во все века была тайна происхождения человека и всего живого на Земле. Ученые разных времен и народов высказывали всевозможные гипотезы о том, когда
Концепции возникновения жизни
Среди основных гипотез возникновения жизни на Земле можно выделить следующие:
1) Креационизм – божественное сотворение жизни;
2) Концепции многократного
Структурные уровни организации материи
Жизнь, как и неживая природа, имеет ряд уровней своей материальной организации.
Выделяют следующие уровни организации живой материи:
1) Системы доклеточного уровня
Экологическая проблема
Растения и животные существуют не сами по себе, а в тесной связи, зависимости от окружающей неживой природы (климат, рельеф, почва) и от других организмов. В изоляции жизнь растений
Карта обеспеченности студентов учебной и методической литературой
№ п/п
Автор, название, место издания, издательство, год издания учебной литературы
Кол-во экз.
Кол-во студентов, изучающих дисциплин
Модульно-рейтинговая система оценки результатов обучения
Таблица. Модульно- рейтинговая карта по дисциплине «Концепции современного естествознания»
Виды учебной работы
Максимальный балл
Зачетны
Лист регистрации изменений и дополнений
Номер
изме-нения
Номера листов
Основание для внесения изменений
Подпись
Расшифровка подписи
Дата
Новости и инфо для студентов