«Физика - 11 класс»
Законы электродинамики и принцип относительности
Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени (время абсолютно), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится тело или движется (длина абсолютна).
Специальная теория относительности Эйнштейна - это новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.
Принцип относительности в механике и электродинамике
После того как во второй половине XIX в. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные явления? Иными словами, протекают ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов, распространение электромагнитных волн и т. д.) одинаково во всех инерциальных системах отсчета? Или, быть может, равномерное прямолинейное движение, не влияя на механические явления, оказывает некоторое воздействие на электромагнитные процессы?
Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, или же, подобно законам Ньютона, они остаются неизменными. Только в последнем случае можно отбросить сомнения в справедливости принципа относительности применительно к электромагнитным процессам и рассматривать этот принцип как общий закон природы.
Законы электродинамики сложны, и строгое решение этой задачи - нелегкое дело. Однако уже простые соображения, казалось бы, позволяют найти правильный ответ. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 3 10 8 м/с . Но в соответствии с законом сложения скоростей механики Ньютона скорость может быть равна скорости света только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся по отношению к этой избранной системе отсчета со скоростью , скорость света должна уже быть равна - . Это означает, что если справедлив обычный закон сложения скоростей, то при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой законы электродинамики должны меняться так чтобы в этой новой системе отсчета скорость света уже была равна не , а - .
Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности. Возникшие трудности пытались преодолеть тремя различными способами.
Первый способ:
объявить несостоятельным принцип относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения разделял великий голландский физик, основатель электронной теории X. Лоренц. Электромагнитные явления еще со времен Фарадея рассматривались как процессы, происходящие в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, - мировом эфире. Инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это согласно Лоренцу особая, преимущественная система отсчета. В ней законы электродинамики Максвелла справедливы и наиболее просты по форме. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
Второй способ:
считать неправильными уравнения Максвелла и пытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (в соответствии с обычными, классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем. По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности остается справедливым.
Третий способ:
отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем чтобы сохранить как принцип относительности, так и законы Максвелла. Это наиболее революционный путь, ибо он означает пересмотр в физике самых глубоких, основных представлений. С данной точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла.
равильным оказался именно третий способ. Последовательно развивая его, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.
Точка зрения Лоренца, согласно которой должна существовать избранная система отсчета, связанная с мировым эфиром, пребывающим в абсолютном покое, была опровергнута прямыми опытами.
Если бы скорость света была равна 300 000 км/с только в системе отсчета, связанной с эфиром, то, измеряя скорость света в произвольной инерциальной системе отсчета, можно было бы обнаружить движение этой системы отсчета по отношению к эфиру и определить скорость этого движения. Подобно тому как в системе отсчета, движущейся относительно воздуха, возникает ветер, при движении по отношению к эфиру (если, конечно, эфир существует) должен быть обнаружен «эфирный ветер». Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 г. американскими учеными А. Майкельсоном и Э. Мор л и по идее, высказанной за 12 лет до этого Максвеллом.
В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Измерения проводились очень точно с помощью специального прибора - интерферометра Майкельсона. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. Но всегда получался отрицательный результат: движения Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось.
Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь, это означало, что никакой особой среды - «светоносного эфира», с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует.
При попытках Герца изменить законы электродинамики Максвелла выяснилось, что новые уравнения неспособны объяснить ряд наблюдаемых фактов. Так, согласно теории Герца движущаяся вода должна полностью увлекать за собой распространяющийся в ней свет, так как она увлекает эфир, в котором свет распространяется. Опыт же показал, что в действительности это не так
Итак,
согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.
Постулаты теории относительности
В основе теории относительности лежат два постулата.
А что такое постулат?
Постулат в физической теории выполняет ту же роль, что и аксиома в математике.
Это - основное положение, которое не может быть логически доказано.
В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.
1.
Все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета физические законы имеют одинаковую форму.
Таким образом, принцип относительности классической механики распространяется на все процессы в природе, в том числе и на электромагнитные.
2.
Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.
Скорость света занимает, таким образом, особое положение.
Более того, как вытекает из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.
Для того чтобы сформулировать постулаты теории относительности, нужна была большая научная смелость, так как они противоречили классическим представлениям о пространстве и времени.
В самом деле, допустим, что в момент времени, когда начала координат инерциальных систем отсчета К
и К 1
, движущихся относительно друг друга со скоростью , совпадают, в начале координат происходит кратковременная вспышка света.
За время t
системы отсчета сместятся относительно друг друга на расстояние υt
, а сферическая волновая поверхность будет иметь радиус υt
.
Системы отсчета К
и К 1
равноправны, и скорость света одинакова в той и другой системе отсчета.
Следовательно, с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К , центр сферы будет находиться в точке О , а с точки зрения наблюдателя, связанного с системой отсчета К 1 , - в точке О 1 .
Но ведь не может одна и та же сферическая поверхность иметь центры в точках О и O 1 .
Это явное противоречие вытекает из рассуждений, основанных на постулатах теории относительности.
Итак,
имеется противоречие с классическими представлениями о пространстве и времени, которые при больших скоростях движения несправедливы.
Однако сама теория относительности не содержит противоречий и является абсолютно логичной.
Определение 1
Электродинамика – это раздел физики, который исследует электромагнитные поля и взаимодействия между ними.
Рисунок 1. Понятие электродинамики. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Классическая электродинамика комплексно описывает все свойства электрических и магнитных полей, а также рассматривает физические законы, благодаря которым одни физические тела соприкасаются с другими, обладающие положительным электрическим зарядом.
Электромагнитным полем принято называть универсальный вид материи, проявляющийся в результате влияния одного заряженного элемента на другой. Часто при исследовании электромагнитного поля выделяют его основные составляющие: электрическое поле и магнитное поле.
Определение 2
Электромагнитный потенциал – это особая физическая величина, которая точно определяет распределение поля в общем пространстве.
Электродинамику можно разделить на:
- электростатику;
- электродинамику сплошной среды;
- магнитостатику;
- релятивистскую электродинамику.
Вектор Пойнтинга представляет собой физическую величину, являющаяся главным вектором плотности энергетического потока поля в электродинамике. Величина указанного вектора пропорциональна энергии, которую возможно перенести в единицу временного пространства через единичную площадь поверхности, которая прямо перпендикулярна направлению распределения электромагнитной индукции.
Электродинамика составляет хорошую базу для развития оптики и физики радиоволн. Эти разделы науки считаются фундаментами для электротехники и радиотехники. Классическая электродинамика использует концепцию уравнений Максвелла при описании ключевых свойств и принципов взаимодействия электромагнитных полей, дополняя ее универсальными материальными уравнениями, начальными и граничными условиями.
Принцип относительности в электродинамике
Принцип относительности в электродинамике был сформирован во второй половине XIX столетия Максвеллом, который представил общественности основные законы действия электромагнитного поля. В результате возник логический вопрос, распространяется ли данная закономерность на явления в электродинамике. Другими словами, необходимо выяснить, смогут ли электромагнитные процессы, взаимодействуя между зарядами и токами, распространяться одинаково во всех инерциальных системах отсчета или же они будут равномерно рассредоточиваться в механических процессах.
Чтобы дать правильный и полноценный ответ на этот вопрос, физики решили изначально определить, меняются ли центральные законы электродинамики при трансформации от одной системы к другой или же остаются неизменными подобно гипотезам Ньютона. Только в последнем случае желательно не сомневаться в действительности исследуемого принципа относительно к методам электромагнитного поля, а затем уже рассматривать эту систему как общий закон природы.
Замечание 1
Законы электродинамики достаточно многогранные и сложные, поэтому грамотное решение данной задачи – непростое дело.
Однако уже устоявшиеся соображения позволяют найти рациональный ответ. Согласно принципам электродинамики, общая скорость распространения электрических и магнитных волн в вакууме всегда одинакова. Однако, с другой стороны, этот показатель также возможно приравнять с одной избранной системой отсчета в соответствии с теорией сложения скоростей механики Ньютона.
Это означает, что если обычный закон сложения скоростей справедлив и действителен, то при последующем переходе от одной инерциальной концепции к другой принципы электродинамики должны в обязательном порядке меняться так, чтобы в новой системе отсчета скорость света уже была представлен в совершенно иной формуле.
Таким образом, физики обнаружили серьезные противоречия между механикой Ньютона и электродинамикой, законы которой не согласуются с принципом относительности.
Возникшие сложности пытались побороть благодаря таким способам:
- объявив несостоятельным принцип относительности в использовании к электромагнитным процессам;
- признав уравнения Максвелла неправильными и пытаясь изменить их таким образом, чтобы они при очередном переходе от одной инерциальной системы к другой, не менялись;
- отказавшись от классических идей о времени и пространстве для того, чтобы в дальнейшем сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла.
Интересно, что единственно верной оказалась именно третья возможность, ведь последовательно развивая её, А. Эйнштейн смог представить новые представления о пространстве и времени. Первые два пути в итоге были опровергнуты в ходе проведения многочисленных экспериментов. Таким образом, представление о существовании инерциальной системы отсчета не выдержало опытной проверки.
Согласовать принцип относительности с методами электродинамикой получилось только после того, как ученые отказались от классических идей о пространстве и времени, согласно которым временное течение и расстояние не зависят от преимущественной системы отсчета.
Принцип сохранения электрического заряда
При нестабильной электризации физических тел используется закон сохранения электрического положительного заряда. Эта закономерность вполне справедлива для замкнутой физической концепции. Справедливость принципа сохранения заряда в электродинамике играет важную роль в природе благодаря тому, что в состав всех веществ находятся только электрически заряженные частицы.
Взаимодействие электромагнитных сил между телами невозможно обнаружить, ведь любая материя нейтральна с электрической позиции в обычном состоянии. Отрицательно и Положительно заряженные элементы непосредственно связаны друг с другом силами электростатики и формируют нейтральные системы.
Макроскопическое вещество будет заряжено электрически в том случае, если оно включает в своем составе избыточное число элементарных частиц с определенным знаком заряда.
Ученые отделяют часть отрицательного заряда от положительного для того, чтобы наэлектризовать физическое тело. Это возможно сделать посредством трения, которое предполагает наблюдение над огромным количеством превращений элементарных частиц.
Существование исследуемого процесса, в пространстве между движущимися элементами, благодаря которым делится конечное время, - вот основное, что отличает теорию близкодействия от гипотезы действия на расстоянии. Ключевое свойство электрического поля в электродинамике – влияние его частиц на другие электрические заряды.
Замечание 2
Электростатическое поле может появиться только посредством действия электрического заряда, так как оно существует в пространстве, окружающем взаимосвязанные между собой заряды.
Линии магнитной индукции в электродинамике
За направление основного вектора магнитной индукции ученые используют показатель южного полюса относительно северной магнитной стрелки, которая свободно устанавливается в магнитном поле. Это направление в электродинамике полностью совпадает с направлением положительной энергии замкнутого контура с током. Положительная нормаль движется в ту сторону, куда трансформируется буравчик, если вращать его параллельно току в рамке.
Правило буравчика можно сформулировать следующим образом: если направление постоянного движения буравчика в итоге совпадает с показателями тока в проводнике, то направление вращения ручки автоматически будет приравниваться к вектору магнитной индукции. В магнитном поле активно действующего прямолинейного проводника стрелка устанавливается строго по касательной окружности.
Определение 3
Линии магнитной индукции – это особые линии, касательные к которым направлены аналогично тому, как и вектор в конкретной точке поля.
Параметры однородного поля всегда параллельны, а главной особенность линий индукции магнитов в электродинамике называют их бесконечность. Поля с замкнутыми силовыми линиями образуют магнитное поле, которое не имеет источников.
Цель урока: формировать представление учащихся, о том, как изменились понятия о пространстве и времени под воздействием положений специальной теории относительности Эйнштейна.
Ход урока
1. Анализ контрольной работы.
2. Изучение нового материала .
В конце 19 века были сформулированы основные положения электродинамики. Возник вопрос в справедливости принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. В разных инерциальных системах одинаково ли протекают электромагнитные явления: как распространяются электромагнитные волны, взаимодействуют заряды и токи при переходе от одной инерциальной системы к другой?
Инерциальная – это такая система отсчета, относительно которой свободные тела движутся с постоянной скоростью. Оказывает ли равномерное прямолинейное движение действие на электромагнитные процессы (на механические явления оно не влияет)?
При переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики изменяются или как законы Ньютона остаются постоянными?
Например, по законам сложения скоростей в механике скорость может равняться с=3·108м/с только в одной системе отсчета. В другой системе отсчета, которая сама движется со скоростью Ѵ, скорость света должна равняться с̄-Ѵ̄. Но согласно законам электродинамики скорость электромагнитных волн в вакууме по разным направлениям равна с=3·108м/с
Между электродинамикой и механикой Ньютона возникли противоречия.
Чтобы разрешить возникшие противоречия были высказаны три разных способа.
Первый способ Заключался в том, чтобы отказаться от принципа относительности в применении к электромагнитным явлениям. Эту возможность поддерживал основатель электронной теории Х. Л о р е н ц (голл.). Тогда считалось, что электромагнитные явления протекают в «мировом эфире» – это всепроникающая среда, заполняющая все мировое пространство. Инерциальная система отсчета, рассматривалась Лоренцем, как система покоящаяся относительно эфира. В этой системе законы электродинамики строго выполняются и в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
Второй способ заключался в том, чтобы объявить уравнения Максвелла неправильными.
Г. Герц пытался их переписать, таким образом, чтобы они не менялись при переходе от одной инерциальной системы к другой, т. е. как законы механики. Герц полагал, что эфир движется вместе с движущимися телами и поэтому электромагнитные процессы происходят одинаково независимо от движения или покоя тел. То есть Г. Герц принцип относительности сохранил.
Третий способ состоял в отказе от традиционных представлений о пространстве и времени. Сохранялись уравнения Максвелла и принцип относительности, но пришлось отказаться от самых очевидных, самых основных представлений классической механики.
Этот способ разрешения противоречий оказался в итоге правильным.
Эксперимент опроверг как первую, так и вторую попытку исправления, возникших противоречий между электродинамикой и механикой, оставив принцип относительности без изменений.
Развивая третий способ решения проблемы А. Эйнштейн доказал, что представления о пространстве и времени устарели и заменил их новыми.
Уравнения Максвелла, исправленные Герцем, не могли объяснить наблюдаемые явления. Опыт показал, что среда не может увлекать за собой свет, так как она будет увлекать эфир, в котором свет распространяется.
Опыты американских ученых А. Майкельсона и Э. Морли доказали, что никакой среды типа «светоносного эфира» не существует
Объединить электродинамику Максвелла и принцип относительности оказалось возможным при отказе от традиционных представлений о пространстве и времени, т. е. не зависят от системы отсчета ни расстояние, ни течение времени.
Во второй половине XIX века Д. Максвеллом были сформулированы основные законы электродинамики. При этом возникли сомнения в справедливости механического принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. Вспомним суть механического принципа относительности.
Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы являются инерциальными. Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму (инвариантны)
; в этом состоит суть механического принципа относительности или принципа относительности Галилея.
Для доказательства этого принципа рассмотрим две системы отсчета: инерциальную систему К
(с координатами x, y, z
), которую условно будем считать неподвижной и подвижную систему K"
(с координатами x", y", z"
), движущуюся относительно К
равномерно и прямолинейно со скоростью u
= const. Примем, что в начальный момент времени t
= 0 начала O
и O"
обеих систем координат совпадают. Расположение систем координат в произвольный момент времени t
имеет вид, изображенный на рис. 5.1. Скорость u
направлена вдоль прямой OO"
, а радиус-вектор, проведенный из точки O
в точку O"
, равен r 0 =ut
.
Координаты произвольной материальной точки A
в неподвижной и подвижной системах отсчета определяются радиусами-векторами r
и r"
, причем
В проекциях на оси координат векторное уравнение (5.1) записывается в виде, называемом преобразованиями Галилея :
(5.2)
В частном случае, когда система K" движется со скоростью v вдоль положительного направления оси x системы K , преобразования координат Галилея имеют следующий вид:
В классической механике предполагается, что ход времени не зависит от относительного движения систем отсчета. Поэтому система уравнений (5.2) дополняется еще одним соотношением:
(5.3)
Соотношения (5.2) – (5.3) справедливы лишь в случае u . При скоростях, сравнимых со скоростью света, преобразования Галилея заменяются более общими преобразованиями Лоренца.
Продифференцируем уравнение (5.1) по времени и учитывая, что u
= const, найдем соотношения между скоростями и ускорениями точки А
относительно обеих систем отсчета:
откуда
(5.4)
А также
(5.5)
Если на точку А
другие тела не действуют, то a
= 0 и согласно (5.5) a"
= 0, т.е. подвижная система K"
является инерциальной – изолированная материальная точка либо движется относительно нее равномерно и прямолинейно, либо покоится.
Из выражения (5.5) следует, что
т.е. уравнения Ньютона (уравнения динамики) для материальной точки одинаковы во всех инерциальных системах отсчета или инвариантны по отношению к преобразованиям Галилея. Этот результат часто формулируют следующим образом: равномерное и прямолинейное движение системы как целого не влияет на ход протекающих в ней механических процессов
.
Классическая механика Ньютона достоверно описывает движение макроскопических тел, движущихся со скоростями, намного меньшими скорости света. В конце XIX в. было установлено, что выводы классической механики противоречат некоторым опытным данным. В частности при изучении движения быстрых заряженных частиц оказалось, что их движение не подчиняется законам Ньютона. Далее возникли затруднения при попытках применить классическую механику для объяснения распространения света. Согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и приблизительно равна с
= 3*10 8 м/с. Но в соответствии с законами классической физики скорость света может равняться с
только в одной избранной системе отсчета. В любой другой системе отсчета, движущейся относительно избранной системы со скоростью v
, она должна уже равняться с
-v
, или с
+v
. Это означает, что если справедлив закон сложения скоростей классической механики (формула (5.4)), то при переходе от одной инерциальной системы к другой законы электродинамики должны меняться, так как должна меняться скорость света. Таким образом, обнаружились противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности Галилея. Для преодоления возникших трудностей предлагались различные способы:
- Принять несостоятельность принципа относительности применительно к электромагнитным явлениям. Еще со времен Фарадея электромагнитные явления рассматривались как процессы в особой, всепроникающей среде, заполняющей все пространство, - эфире . Согласно Х. Лоренцу инерциальная система отсчета, покоящаяся относительно эфира, - это особая система, в которой законы электродинамики Максвелла справедливы. Лишь в этой системе отсчета скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.
- Считать ошибочными уравнения электродинамики Максвелла и попытаться изменить их таким образом, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой (в соответствии с классическими представлениями о пространстве и времени) не менялись. Такая попытка, в частности, была предпринята Г. Герцем, который считал, что эфир полностью увлекается движущимися телами, поэтому электромагнитные явления протекают одинаково, независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности справедлив.
- Отказаться от классических представлений о пространстве и времени, с тем, чтобы сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла. С этой точки зрения оказываются неточными не уравнения электромагнитного поля, а законы механики Ньютона, согласующиеся со старыми представлениями о пространстве и времени. Таким образом, изменять нужно законы классической механики, а не законы электродинамики Максвелла.
Развитие естествознания опровергло эти представления. Никакого абсолютного пространства и времени не существует. Вселенная заполнена материей в форме вещества и поля, а пространство выступает как всеобщее свойство материи. Время всегда связано с движением и развитием материи. Таким образом, пространство – это форма бытия материи, которая выражает ее протяженность и структурность; время – это форма бытия материи, характеризующая длительность существования всех объектов, полей и последовательность смены событий.
Основными свойствами пространства и времени являются: а) единство и неразрывная связь материи, пространства и времени; б) абсолютная непрерывность и относительная прерывность пространства и времени. Непрерывность проявляется в распространении материальных полей в пространстве всех тел и систем, в бесконечном следовании элементов длины при движении тела между двумя точками. Прерывность пространства относительна и проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, каждая из которых имеет определенные размеры и границы. Прерывность времени характеризуется лишь временем существования качественных состояний материи, каждое из которых возникает и исчезает, переходя в другие формы; в) время обладает длительностью, однонаправленностью, необратимостью.
Последовательно развивая новые, отличные от классических, представления о пространстве и времени, А. Эйнштейн в начале XX в. создал специальную теорию относительности (СТО). В рамках этой теории удалось согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла. При этом новая теория не отменяла старую (ньютоновскую механику), а включала ее в себя как частный, предельный случай.
