Номер 3, страница 217 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Творческие задания. Параграф 46. Взаимосвязь энергии и массы. 7. Релятивистская механика. Механика - номер 3, страница 217.

Условие.

3. Подготовьте доклад «Теория относительности: от Галилея до Эйнштейна».

Решение.

Решение

Доклад на тему: «Теория относительности: от Галилея до Эйнштейна»

Введение

Теория относительности — одна из самых фундаментальных физических теорий, коренным образом изменившая наши представления о пространстве, времени, гравитации и Вселенной. Её развитие представляет собой увлекательную историю научной мысли, которая простирается на несколько столетий. Этот доклад прослеживает ключевые этапы эволюции концепции относительности, начиная с работ Галилео Галилея и заканчивая революционными теориями Альберта Эйнштейна.

1. Принцип относительности Галилея

Основы теории относительности были заложены ещё в XVII веке итальянским учёным Галилео Галилеем. В своём труде «Диалог о двух главнейших системах мира» (1632 г.) он сформулировал так называемый принцип относительности. Галилей утверждал, что никакими механическими экспериментами, проведёнными внутри замкнутой системы (например, в каюте корабля), невозможно определить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно. Это означает, что законы механики инвариантны (неизменны) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой.

Математически этот переход описывается преобразованиями Галилея. Для двух систем отсчёта, одна из которых (штрихованная) движется со скоростью $v$ вдоль оси $x$ относительно другой, преобразования координат и времени выглядят так:

$x' = x - vt$

$y' = y$

$z' = z$

$t' = t$

Из этих преобразований следует классический закон сложения скоростей: $u' = u - v$. Принцип относительности Галилея успешно применялся в классической механике Ньютона и считался незыблемым на протяжении более двух веков.

2. Кризис в физике конца XIX века

Во второй половине XIX века теория электромагнетизма, разработанная Джеймсом Клерком Максвеллом, привела к неожиданным выводам. Уравнения Максвелла предсказывали существование электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме с постоянной скоростью $c$ (скоростью света), которая не зависела от скорости источника или наблюдателя. Это вступало в прямое противоречие с преобразованиями Галилея и классическим законом сложения скоростей.

Чтобы разрешить этот парадокс, физики предположили существование гипотетической среды — светоносного эфира, — которая заполняет всё пространство и служит средой для распространения света. Движение Земли через этот эфир должно было создавать «эфирный ветер», который можно было бы обнаружить. Однако знаменитый эксперимент Альберта Майкельсона и Эдварда Морли в 1887 году, направленный на обнаружение этого ветра, дал отрицательный результат. Физика оказалась в тупике: либо принцип относительности Галилея был неправ, либо уравнения Максвелла были неверны.

3. Специальная теория относительности (СТО)

Революционное решение было предложено в 1905 году Альбертом Эйнштейном. В своей работе «К электродинамике движущихся тел» он отказался от концепции эфира и построил новую теорию, основанную на двух постулатах:

1. Принцип относительности: Все законы природы (а не только механики) одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.

2. Принцип постоянства скорости света: Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта и не зависит от движения источника или наблюдателя.

Эти, казалось бы, простые постулаты привели к глубочайшим последствиям для нашего понимания пространства и времени. Эйнштейн показал, что время и пространство не абсолютны, а относительны и зависят от системы отсчёта. Вместо преобразований Галилея для согласования механики и электродинамики стали использоваться преобразования Лоренца.

Ключевые следствия СТО: относительность одновременности (события, одновременные в одной системе отсчёта, могут быть не одновременными в другой); замедление времени (часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут медленнее, чем неподвижные, что математически выражается как $\Delta t = \frac{\Delta t_0}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$, где $\Delta t_0$ — собственное время); сокращение длины или Лоренцево сокращение (объект, движущийся относительно наблюдателя, кажется короче в направлении движения: $L = L_0 \sqrt{1 - v^2/c^2}$, где $L_0$ — собственная длина); и эквивалентность массы и энергии, выраженная знаменитой формулой $E = mc^2$, которая стала основой ядерной энергетики.

4. Общая теория относительности (ОТО)

Специальная теория относительности описывала только инерциальные системы отсчёта. Эйнштейн потратил ещё десять лет на обобщение своей теории, чтобы включить в неё неинерциальные системы (движущиеся с ускорением) и гравитацию. Результатом стала опубликованная в 1915 году Общая теория относительности.

В основе ОТО лежит принцип эквивалентности, который гласит, что невозможно отличить действие гравитационного поля от эффектов, вызванных ускоренным движением системы отсчёта. Например, наблюдатель в закрытом лифте в космосе, движущемся с ускорением $g$, будет испытывать те же ощущения, что и наблюдатель в неподвижном лифте на поверхности Земли.

Из этого принципа Эйнштейн сделал вывод, что гравитация — это не сила в традиционном ньютоновском смысле, а проявление искривления пространства-времени под действием массы и энергии. Массивные тела «продавливают» ткань пространства-времени, а другие тела движутся по кратчайшим путям (геодезическим линиям) в этом искривлённом пространстве.

ОТО получила блестящие экспериментальные подтверждения: аномальная прецессия перигелия Меркурия (теория точно объяснила смещение орбиты Меркурия, не укладывавшееся в рамки ньютоновской механики); искривление света в гравитационном поле (предсказание, подтверждённое в 1919 году, что свет от далёких звёзд отклоняется вблизи Солнца); гравитационное красное смещение (свет, покидающий массивный объект, теряет энергию); и, наконец, прямое детектирование в 2015 году гравитационных волн — колебаний ткани пространства-времени.

Заключение

Путь от принципа относительности Галилея до общей теории относительности Эйнштейна — это пример триумфа человеческого разума. Галилей установил относительность для механики, но столкновение его идей с электродинамикой Максвелла привело к кризису, который был разрешён гением Эйнштейна. Специальная и общая теории относительности не просто уточнили старые законы, а создали совершенно новую картину мира, в которой пространство, время и гравитация оказались тесно переплетёнными. Сегодня эти теории являются краеугольным камнем современной физики и космологии, а их практические применения, такие как система глобального позиционирования (GPS), стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Ответ:

Доклад на тему «Теория относительности: от Галилея до Эйнштейна» подготовлен и представлен выше. Он охватывает ключевые этапы развития теории: принцип относительности Галилея, кризис классической физики, создание специальной и общей теорий относительности Эйнштейном, а также их основные постулаты, следствия и экспериментальные подтверждения.