Принцип относительности в классической механике

Специальная теория относительности

Принцип относительности в классической механике

Принцип относительности в классической механике

Принципы относительности

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г. Галилеем и окончательно сформулированный в механике И. Ньютоном. Для его понимания потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат.

Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета и с которым может быть жестко связана система координат. Таким образом, механическое движение тогда относительно, и его описание зависит от того, по отношения к какой системе координат оно рассматривается.

Среди систем отсчета особо выделяются инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо равномерном и прямолинейном движении.

Смысл принципа относительности Галилеязаключается в том, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.

По существу, это означает, что из совокупности инерциальных систем невозможно выделить какую-либо одну преимущественную систему.

Например, на судне, движущемся равномерно, тело, выпущенное из рук, падает вертикально вниз независимо от того, стоит судно или движется; вода, налитая в сосуд, на движущемся судне, как и в покое, имеет горизонтальную поверхность; на движущемся корабле при выстреле пуля летит столько же времени от носа к корме, сколько от корме к носу, и т.д.

Для описания механических движений в разных инерциальных системах координат обычно пользуются так называемыми преобразованиями Галилея, которые выражают связь координат материальной точки в условно движущейся (х', у', z') со скоростью V в момент времени t и условно неподвижной (x,y,z) системах координат

Очевидно, что координаты точки А в движущейся системе (х', у', z') связаны с координатами этой же точки в неподвижной системе (х,y,z) следующими соотношениями х' = x-Vt; у' = у, z' = z.

В классической механике, например, закон сложения скоростей выглядит следующим образом.

Пусть материальная точка А движется в системе координат х', у', z' со скоростью U, а сама система координат (х', у', z') движется со скоростью V относительно системы координат (х, у, z). Тогда в системе координат (x,y,z) точка А будет двигаться со скорость W = U + V . Действительно, по определению скорость U =

х = х ±Vt (преобразование Галилея).

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как координаты тела, скорость, импульс, кинетическая энергия, изменяются.

А такие величины, как время, масса, ускорение, сила, и, следовательно, все законы Ньютона, при подобных преобразованиях остаются неизменными, т.е. инвариантными.

Это и отражено в механическом: принципе относительности Галилея.

После создания электродинамики, доказавшей существование в природе еще одного вида материи – электромагнитного поля, которое математически описывается системой уравнений Максвелла, возник естественный вопрос: распространяется ли принцип относительности Галилея на электромагнитные явления, т.е.

сохраняется ли вид уравнений Максвелла при рассмотрении их в различных инерциальных системах координат. Оказалось, что если воспользоваться преобразованиями координат Галилея, то вид уравнений Максвелла не сохраняется.

Это приводило к далеко идущим выводам, в частности, к фундаментальному выводу о том, что законы; движения двух материальных субстанций – вещества и поля – существенно различны.

В виду важности этого обстоятельства начался период длительного и всестороннего рассмотрения данного вопроса, как в части экспериментального подтверждения такого заключения, так и в части анализа уравнений Максвелла.

Одно из направлений исследований уравнений Максвелла, проведенных Лоренцем, показало, что можно формально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной (х,у,z, t) к другой (х', y',z',t') инерциальной системе координат, если преобразование координат и времени произвести в соответствии со следующей схемой, которую сейчас называют преобразованиями Лоренца:

В дальнейшем оказалось, что соотношения Лоренца на самом деле имеют очень глубокое физическое содержание, а вначале преобразования Лоренца только вызвали целый ряд недоуменных вопросов. Например, из формул Лоренца следовало, что:

1) пространственные и временные преобразования не являются независимыми: в преобразование координат входит время, а в преобразование времени – координаты, что было совершенно непонятно;

2)время в разных системах координат течет по-разному.

Все возникшие противоречия разрешил А. Эйнштейн, создав специальную теорию относительности. Он выдвинул новую радикальную идею о связи пространства и времени.

Найденное Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время – совершенно различные и не связанные друг с другом понятия.

С точки зрения Эйнштейна, реальный мир представляет собой не трехмерное, а четырехмерное пространство, поскольку оно также должно включать время, так как пространственные и временные координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство-время.

Затем анализ принципа относительности Галилея привел А. Эйнштейна к выводу, что этот принцип является одним из фундаментальных законов, который применим не только к механическим, но и к любым другим явлениям природы – тепловым, электромагнитным, оптическим и т.д. В результате Эйнштейн сформулировал два постулата, легшие в основу специальной теории относительности:

1. Принцип относительности, который гласит, что в любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом.

2. Принцип постоянства скорости света, утверждающего, что во всех инерциальных системах скорость света с одинакова и равна с= 108 м/с.

Первый принцип, по сути, распространяет принцип относительности Галилея для законов механики на законы электродинамики.

Второй принцип основан на уже достаточно хорошо установленном экспериментальном факте постоянства скорости света независимо от характера относительного движения источника и приемника света.

Специальная теория относительности Эйнштейна привела к необходимости пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства и времени, материи и движения. Оказалось, что: с увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения и увеличивается масса по законам:

где L0 и М0 – линейные размеры и масса тела в состоянии покоя.

Независимость скорости света ни от направления распространения, ни от скорости источника ставит точку в спорах относительно существования «мирового эфира», возмущениями которого являются электромагнитные волны. Таким образом, инвариантность скорости света является существенным подтверждением принципа относительности.

Установлена новая фундаментальная связь между энергией массой материальных тел, выражающаяся соотношением Е = тс2.

Из СТО, как видно, следует, что время, линейные размеры и масса тел являются относительными. Их величина зависит от того, в какой инерциальной системе координат мы их рассматриваем.

Оказывается, время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, промежуток времени между какими-либо двумя событиями будет зависеть от выбора системы координат, и, следовательно, события, одновременные в одной инерциальной системе координат, будут не одновременными в других системах отсчета.

Как и в механике Ньютона, в СТО считается, что пространстве однородно и изотропно, а время однородно. Но если в механике Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя единое четырехмерное пространство-время.

Одно из следствий СТО – новый (по сравнению с классической механикой) закон сложения скоростей.

Основанная на инвариантности скорости света специальная теория относительности приводит к интересным результатам, которые подтверждаются практикой.

Прежде всего, это «парадокс близнецов», а также тот факт, что скорость сигнала, несущего информацию, не может превышать скорость света.

Из закона сложения скоростей следует, что если скорость света в какой-либо системе координат равна с, то она будет такой же и ппюсительно любой другой инерциальной системы координат.

Действительно, если Ух=с и F0=c, то Vx >с, т.е. при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света.

Таким образом, скорость света является максимально возможной скоростью в природе.

Из приведенных соотношений относительно длины, времени, массы видно, что эффекты СТО могут быть заметны только при скоростях, близких к скорости света, если же V, т.е. V/с «1, то так называемые релятивистские эффекты становятся малы, ими можно пренебречь и тогда релятивистская механика Эйнштейна переходит в классическую механику Ньютона.

В заключение следует подчеркнуть, что все выводы СТО в настоящее время нашли полное экспериментальное подтверждение.

Источник: https://studopedia.su/14_156322_spetsialnaya-teoriya-otnositelnosti.html

Принцип относительности Галилея

Принцип относительности в классической механике

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: инерциальные системы отсчёта, принцип относительности Галилея.

Изучение теории относительности Эйнштейна мы начинаем с более глубокого рассмотрения принципа относительности Галилея. Это позволит нам лучше понять, каковы были предпосылки создания теории относительности.

Ключевую роль в механике и теории относительности играет понятие инерциальной системы отсчёта. Если вы забыли, что это такое, то обязательно прочитайте ещё раз Первый закон Ньютона.

В конце этой темы было кратко сказано о принципе относительности Галилея. Настало время поговорить о нём подробнее. В чём же суть данного принципа?

Наблюдатель на корабле

Представьте себе, что вы находитесь в каюте корабля. Никакого движения в пространстве вы не ощущаете — вам кажется, что корабль стоит на месте. Но вас всё же интересует, покоится ли корабль или движется равномерно и прямолинейно. Можете ли вы установить это, не выглядывая в иллюминатор?

Допустим, что с данной целью вы производите всевозможные эксперименты, наблюдая различные механические явления в вашей каюте.

Вы исследуете свободное падение тел, соскальзывание тела с наклонной плоскости, вращательное движение, колебания маятников, распространение звуковых волн. . .

Вам детально известен ход этих явлений в неподвижной лаборатории на земле, и теперь вы пытаетесь найти какие-либо отклонения в их протекании, вызванные равномерным прямолинейным движением судна.

Никаких отклонений обнаружить не удастся! Поставив в каюте корабля любой механический эксперимент и сопоставив его с аналогичным экспериментом на земле, вы увидите, что полученные результаты не отличаются друг от друга.

Например, вы бросаете мячик со скоростью 5 м/с под углом к горизонту относительно палубы.

Оказывается, мячик на корабле опишет ровно ту же самую траекторию, что и на берегу при тех же начальных условиях (скорость и угол броска).

Равномерное прямолинейное движение корабля никак не сказывается на протекании механических явлений на этом корабле. Поэтому никакой опыт из механики, проведённый в лаборатории корабля, не в состоянии определить, покоится ли корабль или движется равномерно и прямолинейно.

Систему отсчёта, связанную с землёй, во многих ситуациях можно считать инерциальной.(Конечно, Земля совершает суточное вращение и движется вокруг Солнца, поэтому земная лаборатория будет иметь ускорение. Но во многих задачах этим ускорением можно пренебречь.

) Система отсчёта корабля, движущаяся относительно земной системы отсчёта равномерно и прямолинейно, также будет инерциальной.

Мы приходим к выводу, что с точки зрения механических явлений инерциальные системы отсчёта совершенно равноправны: никакой механический эксперимент не в состоянии выделить и сделать привилегированной какую-то одну инерциальную систему отсчёта по сравнению с остальными.

Это и есть принцип относительности, открытый Галилеем.

Принцип относительности Галилея. Всякое механическое явление при одних и тех же начальных условиях протекает одинаково в любой инерциальной системе отсчёта.

Инвариантность законов механики

Принцип относительности Галилея означает, что законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. А именно, математическая форма второго и третьего законов Ньютона не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Давайте убедимся в этом непосредственно на следующем простом примере.

Рассмотрим две системы отсчёта: и . Координатные оси этих систем сонаправлены. Систему будем считать неподвижной. Система движется относительно неё с постоянной скоростью вдоль общего направления осей и (рис. 1)

Рис. 1. Система движется относительно системы

В тот момент, когда начала координат и совпадали, часы обеих систем были выставлены на ноль и запущены. Стало быть, часы в системах и идут синхронно, показывая одно и то же время . В момент времени расстояние равно .

Нас интересует, как описывается движение тела (для определённости называемого далее частицей) в системах отсчёта и .

Прежде всего, выясним, как связаны друг другом координаты частицы и моменты времени в обеих системах отсчёта.

Пусть в момент времени по часам частица имеет в системе координаты . Вообще, четвёрка чисел называется событием. Событие состоит в том, что в данной точке пространства в данный момент времени что-то происходит — вот, например, в точке с координатами в момент времени оказывается наша частица.

В системе это же событие описывается четвёркой чисел . А именно, местонахождение частицы в системе описывается координатами , а часы показывают при этом время .

Глядя на рис. 1, совершенно ясно, что будет меньше на величину , координата совпадает с , а совпадает с . Кроме того, как уже было сказано, время на часах и одно и то же: .

Итак, имеем:

(1)

Формулы (1) называются преобразованиями Галилея. Они связывают координаты и время одного и того же события, измеренные в разных инерциальных системах отсчёта: в движущейся системе и неподвижной системе .

Таким образом, преобразования Галилея в механике служат математическим описанием перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из преобразований Галилея.

Пусть наша частица имеет в системе скорость , а в системе — скорость . Как связаны между собой эти скорости? Дифференцируем первые три равенства (1) по времени (которое одинаково в обеих системах отсчёта):

.

Производные координат по времени — это проекции скоростей:

. (2)

Три равенства (2) можно записать в виде одной векторной формулы:

,

или

.

Получился хорошо известный нам закон сложения скоростей: скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта есть скорость тела относительно движущейся системы отсчёта плюс скорость движущейся системы относительно неподвижной. Мы видим, таким образом, что закон сложения скоростей в механике является следствием преобразований Галилея.

Дифференцируем по времени ещё раз — на сей раз соотношения (2). Производная постоянной величины обращается в нуль, и мы получаем равенство ускорений:

,

или

.

Итак,
ускорение частицы одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Это ещё одно следствие преобразований Галилея.

Теперь запишем второй закон Ньютона для нашей частицы в системе :

(3)

При переходе в систему ускорение частицы , как мы выяснили, остаётся прежним. А что можно сказать об остальных двух величинах, входящих в (3), — массе и силе?

Масса есть мера инертности тела; масса показывает, в какой степени тело «сопротивляется» изменению скорости. Но приращение скорости — нашей частицы будет одним и тем же в любой инерциальной системе отсчёта. Следовательно, масса частицы во всех инерциальных системах отсчёта одинакова.

Силы в механике зависят от расстояний между телами и, быть может, скоростей тел друг относительно друга. Но расстояние между двумя точками пространства одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.

Скорость одной частицы относительно другой также не зависит от того, в какой инерциальной системе отсчёта рассматривается движение. Стало быть, сила одинакова во всех инерциальных системах отсчёта.

Величины и соотношения, не меняющиеся при определённых условиях, часто называются инвариантными. Так, ускорение, масса и сила инвариантны относительно выбора инерциальной системы отсчёта. Поэтому второй и третий законы Ньютона во всех системах отсчёта имеют одинаковый вид, т. е. инвариантны относительно преобразований Галилея.

Законы механики инвариантны относительно преобразований Галилея — такова альтернативная формулировка принципа относительности Галилея.

Подчеркнём, что речь идёт об инвариантности математической формы законов механики.

В результате этой инвариантности одно и то же механическое явление, наблюдаемое при одних и тех же начальных условиях, будет протекать одинаково во всех инерциальных системах отсчёта

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/princip-otnositelnosti-galileya/

Глава 3. Концепция относительности пространства – времени

Принцип относительности в классической механике

Вмеханистической картине мира понятияпространства и времени рассматривалисьвне связи и безотносительно к свойствамдвижущейся материи.

Пространство в нейвыступает в виде своеобразного вместилищадля движущихся тел, а время — никак неучитывает реальные изменения, происходящиес ними, и поэтому выступает просто какпараметр, знак которого можно менятьна обратный.

Иными словами, в механикерассматриваются лишь обратимые процессы,что значительно упрощает действительность.

Другойнедостаток этой картины состоит в том,что в ней пространство и время как формысуществования материи изучаются отдельнои обособленно, вследствие чего их связьостается невыявленной.

Современнаяконцепция физического пространства -времени значительно обогатила нашиестественно-научные представления,которые стали ближе к действительности.Поэтому знакомство с ними мы начнем стеории пространства — времени в томвиде, как она представлена в современнойфизике.

Предварительно, однако, напомнимнекоторые положения, относящиеся кклассической механике Галилея

3.1. Принцип относительности в классической механике

Впервые этот принцип был установленГалилеем, но окончательную формулировкуполучил лишь в механике Ньютона. Дляего понимания нам потребуется ввестипонятие системы отсчета,иликоординат.Как известно, положениедвижущегося тела в каждый момент времениопределяется по отношению к некоторомудругому телу, которое называется системойотсчета.

С этим телом связана соответствующаясистема координат, например, привычнаянам декартова система. На плоскостидвижение тела или материальной точкиопределяется двумя координатами:абсциссойх,показывающей расстояниеточки от начала координат по горизонтальнойоси, и ординатойу,измеряющейрасстояние точки от начала координатпо вертикальной оси.

В пространстве кэтим координатам добавляется третьякоординатаz.

Среди систем отсчета особо выделяютинерциальные системы,которыенаходятся друг относительно друга либов покое, либо в равномерном и прямолинейномдвижении. Особая роль инерциальныхсистем заключается в том, что для нихвыполняетсяпринцип относительности.

Принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом.

В таких системах законы движения телвыражаются той же самой математическойформой, или, как принято говорить внауке, они являются ковариантными.Действительно, два разных наблюдателя,находящихся в инерциальных системах,не заметят в них никаких изменений.

3.2. Специальная теория относительности и ее роль в науке

Когда в естествознании господствоваламеханистическая картина мира исуществовала тенденция сводить объяснениевсех явлений природы к законам механики,принцип относительности не подвергалсяникакому сомнению.

Положение резкоизменилось, когда физики вплотнуюприступили к изучению электрических,магнитных и оптических явлений. Максвеллобъединил все эти явления в рамкахединой электромагнитной теории. Ссозданием этой теории для физиков сталаочевидной недостаточность классическоймеханики для описания явлений природы.

В связи с этим естественно возник вопрос:выполняется ли принцип относительностии для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждении, создательтеории относительности Альберт Эйнштейнуказывает на два аргумента, которыесвидетельствовали в пользу всеобщностипринципа относительности.

• Этот принцип с большой точностьювыполняется в механике, и поэтому можнобыло надеяться, что он окажется правильными в электродинамике.

• Если инерциальные системы неравноценныдля описания явлений природы, то разумнопредположить, что законы природы прощевсего описываются лишь в одной инерциальнойсистеме.

Например, в системе отсчета,связанной с движущимся вагоном,механические процессы описывались бысложнее, чем в системе, отнесенной кжелезнодорожному полотну. Еще болеепоказателен пример, если рассматриваетсядвижение Земли вокруг Солнца со скоростью30 километров в секунду.

Если бы принципотносительности в данном случае невыполнялся, то законы движения телзависели бы от направления и пространственнойориентировки Земли. Ничего подобного,т.е. физической неравноценности различныхнаправлений, не обнаружено.

Однако здесьвозникает кажущаяся несовместимостьпринципа относительности с хорошоустановленным принципом постоянстваскорости света в пустоте (300 000 км/с).

Возникает дилемма: отказ либо от принципапостоянства скорости света, либо отпринципа относительности. Первый принципустановлен настолько точно и однозначно,что отказ от него был бы явно неоправданными к тому же связан с чрезмерным усложнениемописания процессов природы. Не меньшиетрудности возникают и при отрицаниипринципа относительности в областиэлектромагнитных процессов.

Обратимся к мысленному эксперименту.Предположим, что по рельсам движетсяжелезнодорожный вагон со скоростью v,в направлении движения которогопосылается световой луч со скоростьюс.Процесс распространения света,как и любой физический процесс,определяется по отношению к некоторойсистеме отсчета.

В нашем примере такойсистемой будет полотно дороги.Спрашивается, какова будет скоростьсвета относительно движущегося вагона?Легко подсчитать, что она рав-наw=с -, т. е. разностискорости света по отношению к полотнудороги и к вагону.

Выходит, что она меньшепостоянного ее значения, а это противоречитпринципу относительности, согласнокоторому физические процессы происходятодинаково во всех инерциальных системахотсчета, какими являются железнодорожноеполотно и равномерно прямолинейнодвижущийся вагон.

Однако это противоречиеявляется кажущимся, потому что на самомделе скорость света не зависит от того,движется ли источник света или покоится.

В действительности, как показал А.Эйштейн:

Закон распространения света и принцип относительности совместимы. И это положение составляет основу специальной теории относительности.

Кажущееся противоречие принципаотносительности закону постоянстваскорости света возникает потому, чтоклассическая механика, по заявлениюЭйнштейна, опиралась «на две ничемне оправданные гипотезы»:

• промежуток времени между двумясобытиями не зависит от состояниядвижения тела отсчета;

• пространственное расстояние междудвумя точками твердого тела не зависитот состояния движения тела отсчета.

Исходя из этих, кажущихся вполнеочевидными, гипотез классическаямеханика молчаливо признавала, чтовеличины промежутка времени и расстоянияимеют абсолютные значения,т. е. независят от состояния движения телаотсчета.

Выходило, что если человек вравномерно движущемся вагоне проходит,например, расстояние в 1 метр за однусекунду, то этот же путь по отношению кполотну дороги он пройдет тоже за однусекунду.

Аналогично этому считалось,что пространственные размеры тел впокоящихся и движущихся системах отсчетаостаются одинаковыми.

И хотя этипредположения с точки зрения обыденногосознания и так называемого здравогосмысла кажутся само собой очевидными,тем не менее они не согласуются срезультатами тщательно проведенныхэкспериментов, подтверждающих выводыновой, специальной теории относительности.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе,рассмотрим, каким условиям должныудовлетворять преобразованияпространственных координат и временипри переходе от одной системы отсчетак другой. Если принять предположениеклассической механики об абсолютномхарактере расстояний и времен, тоуравнения преобразования будут иметьследующий вид:

xi=x-t,

y=y; (3.1)

z=z,

t=t.

Эти уравнения часто называютпреобразованиями Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворятьтакже требованию постоянства скоростисвета, то они описываются уравнениямиЛоренца, названного по имени нидерландскогофизика Хендрика Антона Лоренца(1853-1928). Когда одна система отсчетадвижется относительно другой равномернопрямолинейно вдоль оси абсцисс х,тогда координаты и время в движущейсясистеме выражаются уравнениями:

,

y=y, (3.2)

z=z,

Опираясь на преобразования Лоренца,легко проверить, что движущаяся твердаялинейка будет короче покоящейся, и темкороче, чем быстрее она движется. В самомделе, пусть начало линейки находится вначале координат и ее абсцисса х=0, а конецх =1. Чтобы найти длинулинейки относительно неподвижнойсистемы отсчетаК,воспользуемсяпервым уравнением преобразованияЛоренца:

х (начало линейки) = ,

х (конец линейки) = .

Таким образом, если в системе отсчетаКдлина линейки равна 1, скажем, 1метру, то в системеК*она составит,поскольку линейка движется со скоростьюв направлении ее длины.

Нетруднотакже установить связь междупреобразованиями Лоренца и Галилея.Если принять скорость света бесконечнобольшой, то при подстановке ее в уравненияЛоренца последние переходят в уравненияГалилея.

Но специальная теория, какизвестно, постулирует постоянствоскорости света и, следовательно, недопускает движений со сверхсветовойскоростью, которая считается предельнойдля всех движений. Этот постулат, какотмечалось выше, следует из уравненийМаксвелла. Для того чтобы гарантировать,что принцип относительности имеет общийхарактер, т.е.

законы электромагнитныхпроцессов имеют одинаковую форму дляинерциальных систем, Эйнштейну пришлосьотказаться от галилеевских преобразованийи принять преобразования Лоренца.

Специальная теория относительностивозникла из электродинамики и мало чемизменила ее содержание, но зато значительноупростила ее теоретическую конструкцию,т. е. вывод законов и, самое главное,уменьшила количество независимыхгипотез, лежащих в ее основе.

Однакочтобы согласоваться с постулатамиспециальной теории относительности,классическая механика нуждается внекоторых изменениях. Эти изменениякасаются в основном законов быстрыхдвижений, т.е. движений, скорость которыхсравнима со скоростью света.

В обычныхземных условиях мы встречаемся соскоростями, значительно меньшимискорости света, и поэтому поправки,которые требует вносить теорияотносительности, имеют крайне малуювеличину и ими во многих случаяхпрактически можно пренебречь.

Достаточно,например, отметить, что даже при скоростидвижения спутника Земли, равной примерно8 км/с, поправка к массе составит околоодной двухмиллиардной ее части.

Во втором законе Ньютона (F=та)масса считалась постоянной, в теорииотносительности она зависит от скоростидвижения и выражается формулой:

Когда скорость тела приближается кскорости света, масса его неограниченнорастет и в пределе приближается кбесконечности. Поэтому согласно теорииотносительности движения со скоростью,превышающей скорость света, невозможны.

Движения со скоростями, сравнимыми соскоростью света, впервые удалосьнаблюдать на примере электронов, а затеми других элементарных частиц.

Тщательнопоставленные эксперименты с такимичастицами действительно подтвердилипредсказания теории об увеличении ихмассы с возрастанием скорости.

Источник: https://studfile.net/preview/2974462/

Принцип относительности в классической механике

Принцип относительности в классической механике

Классическая механика имеет огромное значение в истории развития науки и естествознания. На ее фундаменте появились многие научные направления, поэтому в течение длительного времени это учение является основой технического прогресса.

Особое влияние механика оказала на становление философии и формирование правильного мировоззрения.

Причем именно в мировоззренческой области данный раздел физики остается незаменимым мостом для человеческого мышления, а также ассоциативного осмысления происходящих на Земле и ее пределами явлений.

Фундаментом классической механики является базовая теория Ньютона, которая характеризует физическую реальность определениями времени, пространства, точки и силы как комплексного взаимодействия материальных тел. Все физические явления в этой концепции определяются как движение физических элементов, управляемое постоянными неизменными законами Ньютона.

Замечание 1

Закон распространения света и принцип относительности в классической механике совместимы, поэтому данное положение составляет базу специальной гипотезе относительности.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

При детальном описании физических процессов ученые всегда используют какую-либо систему отсчета. Например, движение материальных частиц чаще всего рассматривают относительно Земли, условно принимая земной шар за неподвижный элемент.

Таким образом, принцип относительности, разработанный Галилеем, показал, что в условиях нашей планеты действует закон инерции.

Согласно этому закону, влияние на тело сил проявляется в мгновенных изменениях скорости; для поддержания же взаимосвязи с неизменной по величине скоростью присутствия сил не требуется.

Концепция относительности пространства – времени

Рисунок 1. Концепция относительности пространства – времени. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В механистической картине мира определения времени и пространства всегда рассматривались вне зависимости от свойств движущейся материи.

Пространственный показатель в ней выступает в качестве универсального вместилища для движущихся материальных тел, а время — не учитывает никак реальные изменения, которые происходят с ними, и поэтому выступает обычным параметром.

Другими словами, в механике исследуются только обратимые процессы, что существенно упрощает реальность.

Недостатком такой картины выступает то, что в концепции относительности пространство и время как формы существования материи характеризуются обособленно и отдельно, в результате чего их взаимосвязь остается неопределенной.

Современная система физического пространства — времени кардинально изменила естественнонаучные представления, ставшие ближе к действительности.

Поэтому первое знакомство с классической механикой необходимо начинать с гипотезы пространства — времени в том виде, как она выглядит в настоящее время.

Впервые принцип относительности был сформулирован Галилеем, но окончательную версию это учение получило лишь в механике Ньютона. Для его понимания требуется ввести понятие концепции отсчета или координат. Как известно, нахождение движущегося тела в любой момент времени определяется только по отношению к другому физическому объекту, которое в физике называется системой отсчета.

С материальным телом напрямую связана соответствующая методология координат, например, известная всем декартова система. На определенной плоскости движение физической точки определяется такими основными координатами:

  • абсциссой х – демонстрирующей точное расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси;
  • координатой у — измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси.
  • показатель z – добавляется в пространстве к двум предыдущим показателям.

Среди систем отсчета исследователи особо выделяют инерциальные системы, находящиеся друг относительно друга или в равномерном движении, или в покое.

Значимая роль указанных концепций состоит в том, что для них всегда используется принцип относительности.Принцип относительности означает, что в инерциальных системах абсолютно все механические явления происходят аналогичным образом.

В таких условиях закономерности движения материальных тел выражаются математической формой и являются ковариантными.

Теория относительности и ее роль в науке

Рисунок 2. Следствия из постулатов теории относительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Теория относительности – гипотеза пространства-времени, которая детально описывает все свойства физических процессов.

Когда в естествознании и науке в целом существовала тенденция сводить трактовку всех процессов природы к законам механики, принцип относительности был главным и не подвергался никакому сомнению. Положение внезапно изменилось, когда ученые вплотную начали исследовать электрические, магнитные и оптические явлений.

Максвелл смог в результате объединить все эти процессы в пределах единой электромагнитной гипотезы. С появлением данной теории для исследователей стала очевидной несовершенство классической механики для точного описания природных явлений.

В связи с этим автоматически возник вопрос: возможно ли использовать принцип относительности для электромагнитных систем?

Создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указывает на два главных аргумента, которые свидетельствовали в пользу комплексности этого принципа:

  • такой метод с большой точностью выполняется в механике, поэтому его возможно считать правильным и в электродинамике;
  • если инерциальные системы отсчета неравноценны для детального описания явлений природы, то получается, что все законы проще всего описать с помощью одной концепции.

Замечание 2

Это означает, что в любой системе отсчета, которая связана с движущимся телом, механические явления описываются гораздо сложнее, чем в концепции, отнесенной к общему положению этих элементов.

Еще более показателен пример, если рассматривается движение планеты вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду.

Если бы теория относительности в таком случае не выполнялась, то законы движения физических тел непосредственно зависели бы от пространственной ориентировки Земли. Однако в физической неравноценности других направлений не было обнаружено.

Здесь и появляется несовместимость принципа относительности с хорошо установленным методом определения постоянства и скорости света в пустоте

У ученых возникла дилемма: отказаться от гипотезы постоянства световой скорости, либо от принципа относительности. Первый метод был установлен настолько однозначно и точно, что отказ от него стал бы неоправданным. Не меньшие трудности возникают и при отрицании действия теории относительности в сфере постоянных электромагнитных процессов.

Такое противоречие принципа относительности к закону постоянства появилось в результате того, что классическая механика опиралась «на две ничем не подтвержденные идеи»:

  • промежуток временного пространства между двумя определенными событиями не зависит от состояния движения материального тела;
  • пространственное расстояние между двумя физическими очками твердого вещества не зависит от состояния отсчета.

Исходя из этих гипотез, классическая механика полностью признавала, что показатели промежутка расстояния и времени имеют абсолютные значения и находятся вне зависимости от состояния движения тела отсчета.

Аналогично этому утверждению считалось, что пространственные размеры материальных тел в спокойных и движущихся системах отсчета всегда остаются одинаковыми.

И хотя эти теории с точки зрения привычного сознания и так называемого здравого разума кажутся вполне очевидными, тем не менее, они не могут согласоваться с результатами многочисленных экспериментов, подтверждающих выводы абсолютно новой теории относительности.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/princip_otnositelnosti_v_klassicheskoy_mehanike/

Booksm
Добавить комментарий