08.02.2023
Уроки 53, 54
Теми. Самостійна робота на закон збереження механічної енергії.
Виконати тести, нище за посиланням:
https://www.classtime.com/code/W443K4
Тема. Межі застосування законів класичної механіки
Завдання:
- Опрацювати теоретичний матеріал
- Записати коротко конспект в зошит
- Відповісти на запитання в зошиті
- Переглянути відео, нище за посиланням:
https://www.youtube.com/watch?v=4RuwR0iIIao
Межі застосування законів класичної механіки
Як ви вже знаєте, кінематика вивчає рух матеріальних тіл без урахування причин, які спричинили цей рух. Динаміка вивчає рух матеріальних тіл, ураховуючи ці причини, тобто вона вивчає зв’язок між взаємодією одного тіла з іншими тілами або полями та змінами стану руху тіла внаслідок цієї взаємодії. Тому динаміка є основним розділом механіки.
Основою класичної, або ньютонівської, механіки є три закони динаміки, які сформулював Ньютон у 1687 р. Ці закони є узагальненням усіх дослідних і теоретичних відомостей, які були отримані до Ньютона і самим Ньютоном.
Протягом двох століть ньютонівська механіка досягла таких великих успіхів, що багато хто в XIX ст. був переконаний в її силі і вважав, що пояснити будь-яке фізичне явище означає звести його до механічного процесу, який підкоряється законам Ньютона. Однак з розвитком науки було виявлено нові факти, які виходили за межі класичної механіки. Ці факти одержали своє пояснення в нових фізичних теоріях - теорії відносності та квантовій механіці. Перегляд А. Ейнштейном ньютонівських уявлень про простір і час дав змогу створити в 1905 р. «механіку великих швидкостей» - релятивістську механіку, що не привела до заперечення ньютонівської механіки. Рівняння релятивістської механіки у випадку швидкостей, дуже малих порівняно зі швидкістю поширення світла, переходять у рівняння ньютонівської механіки. Аналогічно рівняння квантової механіки переходять у рівняння ньютонівської механіки, яка описує рух мас, значно більших від маси атома. Отже, розвиток науки не перекреслив класичну механіку - механіку великих мас і малих швидкостей, а лише засвідчив її обмежене застосування. Тут дуже чітко проявляється співвідношення між відносною й абсолютною істиною, тобто між знанням незавершеним (яке надалі підлягає уточненню, поглибленню) і повним, вичерпним знанням, що досягається лише в нескінченному русі думки. Узгодженість теорій зумовлена єдністю матеріального світу, досліджуваного цими теоріями.
Відомо три типи ситуацій, у яких класична механіка перестає відображати реальність.
Властивості мікросвіту неможливо пояснити в рамках класичної механіки. Зокрема, у поєднанні з термодинамікою вона породжує багато протиріч. Відповідною мовою для опису властивостей атомів і субатомних частинок є квантова механіка. Слід підкреслити, що перехід від класичної до квантової механіки - це не просто заміна рівнянь руху, а повна перебудова всієї сукупності понять (що таке фізична величина, що спостерігається, процес вимірювання тощо).
При швидкостях, близьких до швидкості поширення світла, класична механіка не може описати фізичні явища і процеси, і потрібно переходити до спеціальної теорії відносності (СТВ). Цей перехід має на увазі повний перегляд парадигми, а не просту видозміну рівнянь руху. Якщо ж, нехтуючи новим поглядом на реальність, спробувати все-таки привести рівняння руху до виду F = mа, то доведеться вводити тензор мас, компоненти якого збільшуються зі збільшенням швидкості. Ця конструкція вже довгий час слугує джерелом численних помилок, тому користуватися нею не рекомендується.
Класична механіка стає неефективною, коли розглядають системи з дуже великим числом частинок (або ж великим числом ступенів вільності). У цьому випадку практично доцільно переходити до статистичної фізики.
Принцип відносності - фундаментальний фізичний принцип, згідно з яким усі фізичні процеси в інерціальних системах відліку протікають однаково, незалежно від того, нерухома система чи вона перебуває у стані рівномірного і прямолінійного руху. Звідси випливає, що всі закони природи однакові в усіх інерціальних системах відліку.
Розрізняють принцип відносності Ейнштейна і принцип відносності Галілея, який стверджує те саме, але не для всіх законів природи, а тільки для законів класичної механіки, маючи на увазі можливість застосування перетворень Галілея, залишаючи відкритим питання про можливість застосування принципу відносності до оптики та електродинаміки.
У сучасній літературі принцип відносності в його застосуванні до інерціальних систем відліку (найчастіше за відсутності гравітації або при нехтуванні нею) зазвичай позначають терміном «лоренц-коваріантність» (або «лоренц-інваріантність»).
Релятивістська механіка - розділ фізики, який розглядає закони механіки (закони руху тіл і частинок) при швидкостях, порівняних зі швидкістю поширення світла. При швидкостях значно менших від швидкості поширення світла переходить у класичну (ньютонівську) механіку.
ЗАПИТАННЯ:
- 1. Що є основою класичної механіки?
- 2. Які принципи відносності ви знаєте?
- 3. У чому полягають межі застосування законів механіки?
Основні положення спеціальної теорії відносності та їхні наслідки.
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.
Немає коментарів:
Дописати коментар