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.  

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:


                                    
Именно  такую  зависимость  предсказывала  теория  относительности (СТО) Альберта Эйнштейна.



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

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:  
 


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:  

                                          W_o = m_o 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:

                                             W_k = W - W_o.                                              (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.