Номер 3, страница 50 - гдз по физике 7 класс учебник Башарулы, Тезекеев

3. На основе каких опытов был установлен принцип относительности Галилея и как он формулируется?

На основе каких опытов был установлен принцип относительности Галилея

Принцип относительности Галилея был установлен не столько на основе сложных физических экспериментов в современном понимании, сколько на базе обобщения повседневных наблюдений и, что наиболее известно, с помощью мысленного эксперимента. Галилео Галилей описал этот эксперимент в своей книге «Диалог о двух главнейших системах мира — птолемеевой и коперниковой».

Суть мысленного эксперимента такова:

Представьте, что вы находитесь в запертой каюте под палубой большого корабля. В этой каюте вместе с вами находятся различные живые существа и предметы: летающие мухи и бабочки, аквариум с рыбками, сосуд, из которого капля за каплей падает вода в другой сосуд, подставленный снизу.

Сначала корабль стоит неподвижно. Вы наблюдаете за происходящим: мухи свободно летают во всех направлениях, рыбы плавают в аквариуме, капли падают строго вертикально в центр подставленного сосуда. Если вы бросите какой-нибудь предмет своему другу, вам не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую. Прыгая, вы будете приземляться на то же самое место.

Затем корабль начинает двигаться с постоянной скоростью, без рывков и качки (т. е. равномерно и прямолинейно). Галилей утверждает, что, находясь в каюте и не имея возможности выглянуть наружу, вы не заметите абсолютно никакой разницы в протекании всех этих явлений. Мухи будут летать так же, как и раньше, рыбы не станут скапливаться у одной из стенок аквариума, капли будут по-прежнему падать вертикально в подставленный сосуд, и ваши прыжки и броски предметов не изменятся.

Из этого мысленного эксперимента Галилей сделал фундаментальный вывод: никакой механический опыт, проведенный внутри замкнутой системы отсчета, не позволяет определить, находится ли эта система в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Ответ: Принцип относительности Галилея был установлен на основе мысленного эксперимента с наблюдателем в закрытой каюте корабля. Наблюдая за различными механическими явлениями (полетом мух, падением капель воды, прыжками), наблюдатель не может определить, покоится корабль или движется равномерно и прямолинейно, так как все эти явления протекают одинаково в обоих случаях.

Как формулируется принцип относительности Галилея

Принцип относительности Галилея является одним из фундаментальных принципов классической механики. Его можно сформулировать несколькими способами.

Классическая формулировка:

Во всех инерциальных системах отсчета все механические явления при одинаковых начальных условиях протекают совершенно одинаково.

Современная формулировка:

Все законы механики инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Это означает, что математическая форма уравнений, описывающих законы механики (например, второго закона Ньютона), не изменяется при переходе между такими системами.

Под инерциальной системой отсчета (ИСО) понимают такую систему, в которой все тела, на которые не действуют внешние силы, либо покоятся, либо движутся равномерно и прямолинейно (то есть выполняется закон инерции). Любая система отсчета, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно, также является инерциальной.

Математически этот принцип выражается через преобразования Галилея. Если система отсчета $K'$ движется относительно системы $K$ с постоянной скоростью $v$ вдоль оси $x$, то координаты и время в этих системах связаны следующими соотношениями (при условии, что в начальный момент $t=t'=0$ начала координат систем совпадали):

$x' = x - v t$

$y' = y$

$z' = z$

$t' = t$

Из этих преобразований следует, что ускорение тела в обеих системах одинаково ($a' = a$). Поскольку в классической механике масса $m$ и сила $F$ считаются инвариантами, то второй закон Ньютона $F = m a$ будет иметь тот же самый вид и в системе $K'$: $F' = m' a'$, что и доказывает инвариантность законов механики.

Ответ: Принцип относительности Галилея формулируется следующим образом: во всех инерциальных системах отсчета все законы механики действуют одинаково. Это означает, что никакими механическими опытами, проведенными внутри замкнутой системы, невозможно отличить состояние покоя от состояния равномерного прямолинейного движения.