Классическая физика и постулаты СТО - ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ - ОПТИКА

В начале XX в. возникла новая физическая теория — специальная теория относительности (СТО). Она уточнила и углубила представления о свойствах пространства и времени, ответила на принципиальные вопросы о познании физических явлений в разных инерциальных системах отсчёта. СТО как система знаний является фундаментальной в физике. Фундаментальной потому, что в СТО формулируются общие закономерности познания (описания) явлений в пространстве и во времени (в системах отсчёта).

Идеи СТО возникли при рассмотрении электродинамики движущихся тел. При введении новых представлений в электродинамике следует опираться на два положения (опытных): постоянство скорости распространения электромагнитных волн (света) и зависимость силы взаимодействия зарядов от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Эти положения оказались несовместимыми с представлениями классической механики о пространстве и времени. Возникла научная проблема — построить новую теорию.

Содержание школьного курса СТО идейно строится как распространение представлений механики на движение тел с большими скоростями. Структурно выделяют три части СТО: исходные положения, кинематику и динамику. При планировании на изучение темы отводят 4—6 ч; при углублённом изучении отводят 8—9 ч.

При разработке методики изучения темы следует учесть, что для школьников имеется богатый выбор литературы, например:

Ломизе Л. Г. Из школьной физики — в теорию относительности: Книга для внеклассного чтения учащихся 9—11 кл. — М.: Просвещение, 1991.

Школьникам о современной физике: Акустика. Теория относительности. Биофизика. — М.: Просвещение, 1990.

Урок 1. Классическая физика и постулаты СТО

Задачи урока: показать необходимость развития представлений о пространстве и времени; повторить основные принципы механики; ввести и обосновать постулаты СТО.

План урока

Этапы урока	Время, мин	Приёмы и методы
I. Введение	7—10	Сообщение учителя. Постановка учебной проблемы
II. Изучение нового материала	20—25	Рассказ учителя. Беседа. Записи в тетрадях
III. Отработка знаний	10	Работа с учебником. Решение задач
IV. Подведение итогов. Домашнее задание	5	Ответы на вопросы. Обобщение

I. При разработке любой новой физической теории учёные опираются на какие-то общие идеи и методы познания. Учитель предлагает обсудить важнейшие положения, которые послужили основанием для поиска и определения физических закономерностей СТО.

1. Для начала повторяют основные понятия физики, которые используются и в специальной теории относительности. (Учитель может задать вопросы, подвести к нужным ответам.)

Инерциальная система отсчёта (ИСО) — это система отсчёта (система координат, тело отсчёта и часы), относительно которой свободное тело движется прямолинейно и равномерно или покоится. ИСО — это абстракция, идеальный объект науки, средство описания явлений. В природе ИСО нет.

Событие — это любое физическое явление, происходящее в определённой точке пространства относительно любой ИСО в некоторый момент времени. Событие — абстракция, модель явления.

Постулат — исходное положение, утверждение, принимаемое без строгого доказательства, но обоснованное, например, экспериментами.

Собственной инерциальной системой отсчёта называют систему отсчёта, относительно которой тело покоится. Время движения тела, измеренное в такой системе, называют собственным временем. Массу тела, измеренную в такой системе, называют массой покоя.

Инвариант (inv) — величина, независимая от выбора ИСО, например скорость света. Событие тоже инвариант.

2. В механике для определения и изучения движения (в целом явлений) необходимо выбрать систему отсчёта. Самая “удобная” из систем отсчёта — инерциальная система отсчёта. В ней невзаимодействующее тело движется прямолинейно и равномерно или покоится. По определению ИСО множество: если есть одна, то любая другая, движущаяся относительно первой прямолинейно и равномерно, тоже инерциальная. Естественно, перед учёными встал вопрос: как описывать явления в разных ИСО, как согласовывать эти описания?

Для ответа ещё в XVII в. Г. Галилей сформулировал один из важнейших принципов физики — принцип относительности. Галилей утверждал, что все инерциальные системы отсчёта равноправны, т. е. механические явления при равных начальных условиях протекают одинаково во всех инерциальных системах. А раз так, то и описывать явления следует одинаково (одинаковыми законами) в разных ИСО. При переходе от описания движения тела в одной ИСО (K) к описанию в другой ИСО (K₁) (рис. 111), в частности, используется простой закон сложения скоростей:

В классической механике, согласно принципу дальнодействия, скорость передачи взаимодействия бесконечна; поэтому она по определению инвариантна в разных ИСО. Второй закон Ньютона одинаков в разных ИСО: а) масса — скалярная величина и inv; б) ускорение, т. е. изменение скорости в единицу времени, в разных ИСО — inv; в) так как значит, второй закон одинаков в разных ИСО.

И всё было хорошо до открытия и изучения электромагнитных волн. В ходе различных экспериментов (ссылка на опыты Майкельсона) учёные пришли к выводу о том, что скорость электромагнитных волн в вакууме постоянна и конечна вне зависимости от выбора ИСО. Абсолютность (инвариантность) скорости света вступила в противоречие с классическим законом сложения скоростей. Возникла научная проблема: справедлив ли принцип относительности?

II. Как согласовать между собой принципы механики и закономерности электродинамики? Этот вопрос и решил в 1905 г. гениальный физик А. Эйнштейн (1879—1955). Он поступил радикально: обобщил принцип относительности Галилея, применив ко всем физическим процессам, и объединил его с постулатом о постоянстве скорости света. (По учебнику формулируют постулаты.)

Объединить в систему противоречащие друг другу постулаты оказалось возможным только за счёт революционного уточнения представлений о пространстве и времени. В качестве примера рассматривают ситуацию с распространением светового сигнала в двух ИСО (рис. 8.1 учебника). Способ выхода из этого противоречия будет обсуждаться на следующем уроке. (Необходимо хотя бы кратко рассказать о личности и трудах А. Эйнштейна, порекомендовать для чтения одну-две книги о нём; как вариант возможен доклад ученика.)

III—IV. При отработке знаний и подведении итогов обсуждают вопросы и решают задачи. Вопросы: чем отличается принцип относительности Галилея от первого постулата СТО? Может ли в СТО инерциальная система отсчёта двигаться с бесконечной скоростью? (Ответ. Нет.) Существует ли, согласно СТО, привилегированная инерциальная система отсчёта? Что такое событие? Является ли событие инвариантом в классической механике? в СТО? Являются ли инвариантом координаты тела в механике? в СТО? Зависит ли кинетическая энергия материальной точки от выбора системы координат?

Домашнее задание: § 61*, 62 (1-я часть); упр. на с. 235 (ЕГЭ).