фізика 2/22

 13.02.2023

Уроки 54, 55

Тема. Основні положення спеціальної теорії відносності (СТВ) та їхні наслідки

Релятивістський закон додавання швидкостей

Завдання:

1. Опрацювати теоретичний матеріал
2. Записати конспект в зошит
3. Відповісти на запитання в зошиті
4. Виконати: Вправа 24 (3, 4), ст 155 в зошиті підручника Фізика 10, автор В. Г. Бар'яхтар

 Основні положення спеціальної теорії відносності та їхні наслідки. Релятивістський закон додавання швидкостей

Дослід Альберта Майкельсона (1852-1931) і Альберта Морлі (1838-1923), виконаний у 1887 р., показав, що рух Землі не впливає на швидкість поширення світла. Цей факт був приголомшуючим. Фізики настільки були впевнені, що рух Землі має змінювати швидкість поширення світла відносно нерухомої системи координат, що не могли повірити в результати досліду. Вихід із цієї важкої ситуації знайшов геніальний учений Альберт Ейнштейн (1879-1955). У 1905 р. він опублікував статтю «До електродинаміки рухомих середовищ», у якій показав, що дослід Майкельсона-Морлі аналогічний до дослідів усередині вагона, що рухається рівномірно відносно Землі. У цих дослідах Земля виконувала роль нерухомої системи відліку, а вагон - роль рухомої системи відліку, об’єктом вивчення були механічні явища. У досліді Майкельсона-Морлі як нерухома система відліку було Сонце, роль рухомої системи відліку відігравала Земля, а об’єктом вивчення були оптичні явища.

Рівномірний рух вагона, як ми бачили, не впливає на хід механічних явищ, і тому в інерціальній системі відліку, пов’язаній з вагоном, усі механічні явища протікають так само, як і в системі відліку, пов’язаній із Землею. Якщо результат досліду Майкельсона-Морлі виявився негативним, то це означає, що рівномірний рух Землі не змінює швидкості поширення світла в системі відліку, пов’язаній із Землею. Швидкість поширення світла у вакуумі однакова для всіх інерціальних систем відліку, незалежно від швидкості їх руху одна відносно одної. Рівномірний рух системи відліку не впливає на характер оптичних явищ аналогічно до того, як рівномірний рух вагона не змінює характеру механічного руху тіл.

Таким чином, Ейнштейн прийшов до двох важливих висновків:

1. Усі явища природи в інерціальних системах відліку за однакових початкових умов протікають однаково.

2. В усіх інерціальних системах відліку швидкість поширення світла у вакуумі однакова і дорівнює 300 000 км/с.

Ці два положення складають основу спеціальної теорії відносності (СТВ) Ейнштейна. Їх називають принципами, або постулатами, теорії відносності. Перше положення спеціальної теорії відносності називають принципом відносності Ейнштейна.

Перший постулат можна сформулювати і в поширенішій негативній формі. Жодні фізичні досліди, що проводяться всередині рухомої системи відліку (лабораторія, вагон), не дають змоги встановити, чи перебуває ця система у прямолінійному і рівномірному русі чи ні.

У класичній механіці цей постулат відомий під назвою «принцип відносності Галілея». Головний внесок Ейнштейна в пізнання законів природи полягає 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 справджується для опису поширення всіх видів взаємодії, зокрема електромагнітної.

Як узгодити твердження про незалежність швидкості світла від руху джерела з алгебраїчним додаванням звичайних швидкостей у механіці? Ейнштейн показав, що звичайна формула механіки для додавання швидкостей неправильна й має бути змінена. Релятивістський закон додавання швидкостей має вигляд:

Розглянемо випадок з ракетами і Землею, система відліку S' (перша ракета) рухається зі швидкістю v = 0,6с відносно нерухомої системи відліку S (Земля). Швидкість другої ракети но першої v = 0,6с. Тепер, за Ейнштейном, швидкість другої ракети відносно Землі буде v = 0,8с.

Цей результат демонструє той факт, що рух системи відліку не впливає на швидкість поширення світла в ній. Величина с відіграє роль гранично великої швидкості для будь-яких тіл або матеріальних сигналів.

Виключно важливим наслідком постулатів теорії відносності є закон взаємозв’язку між масою і енергією тіла.

Між масою і енергією у природі існує певне кількісне співвідношення: кожній одиниці маси відповідає строго певна кількість енергії:

Е = mс2.

ЗАПИТАННЯ:

• 1. Які експериментальні факти є основою теорії відносності?
• 2. На яких положеннях (постулатах, передумовах) ґрунтується теорія відносності? Скільки положень потрібно для побудови теорії відносності?
• 3. Чи можна поставити дослід на Землі для виявлення руху Землі навколо Сонця?
• 4. У чому полягає принцип відносності Ейнштейна?
• 5. Чим відрізняється принцип відносності Галілея від принципу відносності Ейнштейна?
• 6. У чому полягає релятивістський закон додавання швидкостей?
• 7. Як взаємопов’язані маса тіла і його енергія з погляду сучасної фізики?