|
Версия 12:54, 26 марта 2012
Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Концепция четырехмерного пространства - времени
2.3. Концепция четырехмерного пространства - времени
Важнейшим достижением классического естествознания явилось открытие законов сохранения импульса и энергии. Эти законы остаются в силе и для современного естествознания, так как законы сохранения являются следствием свойств симметрии пространства и времени и не зависят от конкретного вида внутренних сил в замкнутой системе - электрических, механических, магнитных или ядерных. Проверка этих фундаментальных законов природы в области скоростей движения частиц, стремящихся к скорости света, приводит к неожиданным результатам.
Взаимодействием может быть удар двух частиц, например электрона и атома. При этом возможны потери кинетической энергии электрона. Если происходит возбуждение электронной оболочки атома, удар будет неупругим. При соударении двух протонов возбуждения не происходит, и удар является абсолютно упругим. Для таких случаев законы сохранения позволяют найти величины векторов импульсов частиц после удара.
Отметим, не приводя вычислений, характерную особенность разлетающихся частиц: сумма углов разлета должна быть равна прямому углу.
карт
Рис. 2.6. Схема сохранения величины импульса при упругом столкновении
Для регистрации столкновений протонов используют метод ядерных фотоэмульсий, в которых заряженные частицы оставляют автографы - треки. После проявления фотопластинок следы, оставленные частицами разных энергий, рассматривают при увеличении, производят измерения углов разлета и пробегов рассеянных частиц. Проведенные эксперименты показали, что в области скоростей, много меньших скорости света, имеется точное согласие с предсказаниями классической механики. А вот при высоких энергиях протонов, при которых их скорость сопоставима со скоростью света, угол разлета оказывается заметно меньше девяноста градусов. Это означает, что-либо закон сохранения импульса не выполняется при высоких, релятивистских скоростях, либо что-то происходит с величиной массы протонов. Чтобы расчеты были в согласии с экспериментальными данными и чтобы можно было пользоваться классическим определением импульса, необходимо было признать, что масса частиц зависит от скорости движения:
карт
Именно такую зависимость предсказывала теория относительности (СТО) Альберта Эйнштейна.
карт
А. Эйнштейн
(1879 – 1955)
В основу СТО положены два постулата.
1. Во всех инерциальных системах отсчета скорость света неизменна (является инвариантом) и не зависит от движения источника, приемника или самой
системы отсчета
с = inv. (2.2)
В классической механике Галилея - Ньютона величина скорости относительного сближения двух тел всегда больше скоростей этих тел и зависит как от скорости одного объекта, так и от скорости другого.
Поэтому нам трудно поверить, что скорость света не зависит от скорости его источника, но это научный факт.
2. Реальное пространство и время образуют единый четырехмерный пространственно-временной континуум (сокращенно будем его обозначать ПВК) так, что при переходе между системами отсчета сохраняется неизменным величина пространственно-временного интервала между событиями
карт
Величина ?S определяется следующим выражением
карт
В СТО не существует событий одномоментных во всех системах отсчета. Здесь два события, одновременные в одной системе отсчета, выглядят разновременными с точки зрения другой, движущейся или покоящейся, системы отсчета.
В специальной теории относительности сохраняются все основные определения классической физики - импульса, работы, энергии. Однако появляется и новое: в первую очередь - зависимость массы от скорости движения (2.1). Поэтому нельзя использовать классическое выражение для кинетической энергии, ведь оно получено в предположении о неизменности массы объекта и при высоких, релятивистских скоростях должно быть заменено на новую зависимость
W = m с2 (2.5)
Это самая известная формула специальной теории относительности. Оказывается, что изменение релятивистской энергии тела эквивалентно изменению его динамической массы. Используя формулу (2.5), можно связать энергию с величиной массы покоя:
карт
В этом выражении присутствует квадрат скорости, что роднит его с формулой кинетической энергии в механике Ньютона. Однако для неподвижного тела релятивистская энергия не обращается в ноль:
Wo = mo с2. (2.7)
Очевидно, что для этой энергии нет аналога в классическом естествознании, где для неподвижного тела имеется потенциальная энергия взаимодействия частей тела, но она явным образом зависит от расстояния между взаимодействующими частями тела. Можно сказать, что W0 - это потенциальная энергия внутренних уровней взаимодействия, которые не могут быть сведены к механическому движению, гравитационному или кулоновскому взаимодействиям.
Чтобы найти величину кинетической энергии тела в СТО, необходимо из полной энергии вычесть энергию покоящегося тела:
WK = W - Wo. (2.8)
Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.
Содержание урока
 конспект урока
опорный каркас
презентация урока
акселеративные методы
интерактивные технологии
Практика
задачи и упражнения
самопроверка
практикумы, тренинги, кейсы, квесты
домашние задания
дискуссионные вопросы
риторические вопросы от учеников
Иллюстрации
аудио-, видеоклипы и мультимедиа
фотографии, картинки
графики, таблицы, схемы
юмор, анекдоты, приколы, комиксы
притчи, поговорки, кроссворды, цитаты
Дополнения
рефераты
статьи
фишки для любознательных
шпаргалки
учебники основные и дополнительные
словарь терминов
прочие
Совершенствование учебников и уроков
исправление ошибок в учебнике
обновление фрагмента в учебнике
элементы новаторства на уроке
замена устаревших знаний новыми
Только для учителей
идеальные уроки
календарный план на год
методические рекомендации
программы
обсуждения
Интегрированные уроки
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.
|
