ПЕРЕЛІК ДИСЦИПЛІН:
  • Адміністративне право
  • Арбітражний процес
  • Архітектура
  • Астрологія
  • Астрономія
  • Банківська справа
  • Безпека життєдіяльності
  • Біографії
  • Біологія
  • Біологія і хімія
  • Ботаніка та сільське гос-во
  • Бухгалтерський облік і аудит
  • Валютні відносини
  • Ветеринарія
  • Військова кафедра
  • Географія
  • Геодезія
  • Геологія
  • Етика
  • Держава і право
  • Цивільне право і процес
  • Діловодство
  • Гроші та кредит
  • Природничі науки
  • Журналістика
  • Екологія
  • Видавнича справа та поліграфія
  • Інвестиції
  • Іноземна мова
  • Інформатика
  • Інформатика, програмування
  • Історичні особистості
  • Історія
  • Історія техніки
  • Кибернетика
  • Комунікації і зв'язок
  • Комп'ютерні науки
  • Косметологія
  • Короткий зміст творів
  • Криміналістика
  • Кримінологія
  • Криптология
  • Кулінарія
  • Культура і мистецтво
  • Культурологія
  • Російська література
  • Література і російська мова
  • Логіка
  • Логістика
  • Маркетинг
  • Математика
  • Медицина, здоров'я
  • Медичні науки
  • Міжнародне публічне право
  • Міжнародне приватне право
  • Міжнародні відносини
  • Менеджмент
  • Металургія
  • Москвоведение
  • Мовознавство
  • Музика
  • Муніципальне право
  • Податки, оподаткування
  •  
    Бесплатные рефераты
     

     

     

     

     

     

         
     
    Перехід від електро-магнітної теорії до спеціальної теорії відносності
         

     

    Природничі науки

    Зміст
    Вступ 3

    1. Теорія електромагнітного поля Максвелла 4

    2. Перехід від електромагнітної теорії Максвелла до СТО Ейнштейна 6

    3. Спеціальна теорія відносності А. Ейнштейна 11
    Висновок 14
    Список літератури 15

    Введення

    Для фізика початку XIX ст. не існувало поняття про стать як реальноїсередовищі, що є носієм певних сил. Але в першій половині XIX ст.почалося становлення континуальної, польовий фізики. Одночасно звиникненням хвильової теорії світла формувалася абсолютно новапарадигма фізичного дослідження - польова концепція у фізиці. Тутособлива заслуга належить великому англійському фізику М. Фарадею.

    Експериментальні відкриття Фарадея були добре відомі, і він ще прижитті здобув величезний авторитет і славу. Однак до його теоретичнимпоглядам сучасники в кращому випадку залишалися байдужими. Першимзвернув на них серйозну увагу Дж.К.Максвелла. Він сприйняв ціуявлення, розвинув їх і побудував теорію електромагнітного поля.
    Вироблене в оптиці поняття «ефір» і сформульоване в теоріїелектричних і магнітних явищ поняття «електромагнітне поле» спочаткузближуються, а потім, вже на початку XX ст., із створенням спеціальної теоріївідносності, повністю ототожнюються.

    Таким чином, поняття поля виявилося дуже корисним. Будучи спочаткулише допоміжною моделлю, це поняття стає у фізиці XIX ст. всібільш і більш конструктивною абстракцією. Вона дозволяла зрозуміти багатофакти, вже відомі в області електричних та магнітних явищ, іпередбачати нові явища. З часом ставало все більш очевидним,що цієї абстракції відповідає певна реальність. Поступово поняттяполя завоювало центральне місце у фізиці і збереглося в якості одногоз основних фізичних понять.

    1. Теорія електромагнітного поля Максвелла

    Ця теорія представлена у стислій і простій (красного) формі у виглядішести рівнянь в приватних похідних. Система поглядів, яка лягла воснову рівнянь Максвелла, отримала назву теорії електромагнітного поля
    Максвелла.

    Хоча ця система рівнянь має простий вигляд, але чим більше сам
    Максвелл і його послідовники працювали над ними, тим більш глибокий зміствідкривався ім. Генріх Герц, який експериментально отримавелектромагнітні випромінювання, передбачені теорією Максвелла, говорив проневичерпності рівнянь Максвелла. Герц зазначав: «Не можна вивчати цюдивну теорію, не відчуваючи за часами такого відчуття, нібиматематичні формули живуть власним життям, мають власногорозумом, - здається, що ці формули розумніші за нас, розумніші навіть самого автора,як ніби вони дають нам більше, ніж свого часу в них було закладено ».

    Необхідно, однак, відзначити, що свої рівняння Максвелл отримувавіноді всупереч правилам математики. Для нього вихідними були фізичні ідеїі міркування, які він вдягався самостійно в математичну форму.
    Тому для сучасників його теорія виглядала дивною і незрозумілою, ібагатьма вченими сприймалася скептично до тих пір, поки Герц не дав їївсебічне експериментальне обгрунтування. [2]

    Серед постійних велич, що входять в рівняння Максвелла, булаконстанта с. Застосувавши рівняння до конкретного випадку, Максвелл знайшов, щовона точно збігається зі швидкістю світла. Процес розповсюдження поля будетривати нескінченно у вигляді незатухаючий хвилі, оскільки енергіямагнітного поля в порожнині повністю переходить в енергію електромагнітногополя, і навпаки. Причому світло, так само як і електромагнітне поле,поширюється в просторі у вигляді поперечних хвиль зі швидкістю с = 300
    000 км/с. З усіх цих збігів видно, що світло має електромагнітнуприроду, що світловий потік - це потік електромагнітних хвиль. У світловиххвилях коливання здійснюють напруженості електричного і магнітного полів,а носієм хвилі служить сам простір, що знаходиться в станінапруги.

    Відкриття Максвелла можна порівняти з наукової значущості з відкриттям законувсесвітнього тяжіння Ньютона. Праці Ньютона призвели до введення поняттязагального закону тяжіння, праці Максвелла - до введення поняттяелектромагнітного поля та електромагнітної природи світла. Роботи Максвеллапривели вчених до визнання нового типу реальності - електромагнітного поля,яка не сумісна з матеріальними точками і речової масоюкласичної фізики. Поле - це нова фундаментальна фізичнареальність. Тому уявлення про полі повинні виступати в якостіпервинних, вихідних понять. Як зазначав А. Ейнштейн, електромагнітне полене потребує навіть в ефірі, оскільки поле саме є фундаментальноюреальністю.

    У роботах з принципових питань фізики А. Ейнштейн ввів поняття
    «Програма Максвелла», яку тлумачив як «польову програму». Сам
    Ейнштейн стояв на позиціях польовий програми і до кінця свого життяпрагнув побудувати єдину теорію поля, хоча й безуспішно. [2]

    Наприкінці XIX століття теорія Максвелла стала відігравати провідну роль у фізиці,і разом з тим вона вступила в протиріччя з МКМ. Замість принципудальнодії вона висунула і обгрунтувала прямо протилежний принципблізкодействія, згідно з яким силову дію передається від точки доточці. Швидкість світла включена в нову теорію, що хоча б в прихованій формісуперечить нескінченно великим швидкостями, що допускаються в класичнійфізики. Нарешті, відкрито новий тип фізичної реальності - поле, яке незводиться ні до матеріальних точок, ні до речовини, ні до атомів. Якщо до цьогододати оголіли протиріччя і слабкі сторони самої класичноїфізики, то стане зрозуміло, що в кінці XIX століття стрімко нароставкриза механістичній наукової картини світу.

    2. Перехід від електромагнітної теорії Максвелла до СТО Ейнштейна

    Теорію Максвелла ряд авторів інтерпретують як нову --електромагнітну наукову картину світу. З цим не можна погодитися: перехідНКМ від однієї до іншої може здійснитися лише за умови, якщо розвитокприродознавства призведе до якісно нової трактуванні не одного, а цілоїгрупи базисних понять. Тоді як теорія Максвелла в явному вигляді висунулалише один новий принцип - принцип блізкодействія. В іншому вона простовийшла за рамки МКМ, оскільки не укладалася в них, що само по собі неозначає нової НКМ. Правда, теорія Максвелла перша вийшла за рамки МКМ,тому подальша ломка МКМ була продовженням справи, початої Максвелом.

    З кінця XIX - початку XX століття вчені приступили до вивчення якіснонових об'єктів у порівнянні з класичною фізикою, і на цій основі булоотримано цілий ряд принципово нових результатів, які дозволили дати новетлумачення деяких базисним поняттям.

    Перше і, мабуть, самий потужний вплив на перебудову НКМсправила теорія відносності видатного фізика-теоретика XX століття
    Альберта Ейнштейна (1879-1955).

    Оскільки в теорії відносності Ейнштейна велику роль граєпринцип відносності руху у формулюванні Ньютона, то корисно ще разпривести її. Вперше цей принцип ввів Галілей, про що йшлося вище. Зурахуванням ідей Декарта Ньютон уточнив і розширив формулювання Галілея. УЗокрема, як системи відліку він брав не тіла, а декартову системукоординат. [2]

    Серед систем відліку виділяють інерціальні, особливість якихполягає в тому, що для них виконується принцип відносності руху.

    Принцип відносності руху означає, що у всіх інерційнихсистемах відліку механічні процеси інваріантні. Інакше кажучи, дваспостерігача в одній і іншій інерційній системі відліку побачать, що в їхньомусистемах фізичні процеси протікають однаково. Це означає також, щоперехід від однієї інерціальній системи відліку до іншої здійснюється заправилами галілеєвих перетворень, розглянутих вище. І навпаки, якщопри переході від однієї системи відліку до іншої правила галілеєвихперетворень не виконуються, то і принцип відносності руху невиконується, тому такі системи відліку не будуть інерційних. Такимсмислом наповнений принцип відносності руху в класичній механіці.

    Ейнштейн був тонким мислителем, він завжди прагнув максимальнопорядок логічну структуру фізичних теорій. Фізики-теоретики тогочасу, включаючи Ейнштейна, прагнули теоретично і логічно порядокелектродинаміку Максвелла. У результаті таких зусиль виникли нові теоріїспеціальна і загальна теорія відносності Ейнштейна.

    Теорії електромагнітного поля Максвелла були властиві два недоліки:

    1. Вона не поєднувалася з принципом відносності рухукласичної фізики, оскільки її рівняння виявилися неінваріантниміщодо перетворень Галілея. Це був істотний недолік, оскількився практика підтверджувала і підтверджує цей принцип, і ніяка теорія неспростовує його.

    2. Польова картина фізичної реальності Максвелла виявиласятеоретично неповною і логічно суперечливою, тому що трактуванняелектричного поля і електрично заряджених частинок (носіїв поля) небула пов'язана концептуально. Ейнштейн зазначав: теорія Максвелла хоча іправильно описує поведінку електрично заряджених часток, але не даєтеорії цих частинок. Отже, вони повинні розглядатися на основікласичної механіки як матеріальні точки, розташовані в просторідискретно, що суперечить поняттю поля. Послідовна польова теоріявимагає безперервності всіх елементів теорії. [2]

    Рішення цього питання, дане Ейнштейном, оригінально і повчально.
    Об'єктом вивчення в класичній механіці були або матеріальні точки, аботочки простору, або моменти часу. Він відкидає всі цірозділові «або».

    Об'єктом теорії відносності виступають «фізичні події» якцілісні об'єкти, в яких об'єднані поняття матерії, руху,простору, часу. Фізичної реальністю, відзначав Ейнштейн, володіютьне точки простору і не моменти часу, а тільки самі події,певні чотирма числами х, у, z, t. «Закони природи візьмуть найбільшзадовільний з точки зору логіки вид, будучи виражені як закони вчотиривимірному просторово-часовому континуумі »[4].

    Зупинимося тепер на розгляді першого недоліку. Аналізпоказав, що рівняння Максвелла неінваріантни щодо галілеєвихперетворень. Це означає, що при переході від однієї інерціальній системивідліку до іншої форма рівнянь виявлялася різною. Це рівнозначно тому,що в різних системах відліку один і той же фізичний процесздійснювався за різними законами, що суперечить науці. Як же вберегтитеорію Максвелла від цього недоліку?

    У 1890 році Г. Герц штучно підібрав систему рівнянь,інваріантних щодо галілеєвих перетворень, які в приватномувипадку покоїться тіла звертаються в рівняння Максвелла. Однак рівняння
    Герца суперечили дослідно встановленому сталості швидкості світла (300
    000 км/с).

    Ще один варіант переробки рівнянь Максвола зробивголландський фізик-теоретик Г. Лоренц, але і його рівняння виявилисянеінваріантнимі щодо галілеєвих перетворень.

    І тоді надійшли, як у тій відомій притчі: «Якщо гора не йде до
    Магомеду, то Магомед йде до гори »Оскільки не вдалося переформулюватирівняння Максвелла так, щоб вони стали інваріантними щодогалілеєвих перетворень, то Лоренц почав зворотний хід: вирішив саміправила галілеєвих перетворень видозмінити (простіше кажучи, підігнати)так, щоб відносно цих правил рівняння Максвелла виявилисяінваріантними.

    Лоренцеви перетворення - це нові (відмінні від галілеєвих) правилапереходу від однієї інерціалиюй системи відліку до іншої. Для однієї точки вдекартовій системі координат без штрихів при переході до системи відліку зштрихами лоренцеви перетворення встановлюють наступні правила:

    Як бачимо, відмінність правил лоренцевих перетворень від галілеєвихістотно. Ця відмінність стане ще більш наочним, якщо визначати некоординату матеріальної точки, а розмір макроскопічного тіла, наприклад,жорсткого стрижня довжиною l. Такий стрижень має початкову та кінцеву точкина осі х1, х. Визначивши координати цих точок і віднімаючи з координати звеликим значенням координату з меншим значенням, отримаємо математичневираз для довжини (l) і для часу (t) рухомого стрижня:

    Тут l-довжина рухомого стрижня, l0 - довжина покоїться стрижня, v --швидкість руху стрижня (системи відліку), t - час покоїться стрижня,t0 - час рухається стержня, с - швидкість світла в порожнечі. [2]

    Розглянемо співвідношення l і t спочатку формально. При малих значенняхвеличини v, у порівнянні зі швидкістю світла, значенням дробу й подкоренноговиразу можна знехтувати. Тоді l = l0 та t = t0, що рівносильно поверненнювід лоренцевих перетворень до галілеєвих. Якщо ж значення величини vдосить великі (порівнянні зі швидкістю світла), то значеннямподкоренного вираження не можна нехтувати і воно буде зменшуватися.
    Відповідно до цього значення величини l буде зменшуватися, а значеннявеличини t - зростати. У такому разі зі зростанням швидкості руху (v)відмінності між перетвореннями Лоренца і перетвореннями Галілея будутьнаростати.

    Отже, Лоренц штучно отримав нові правила переходу від однієїінсрпіалиюй системи до іншої. При цьому рівняння Максвелла виявляютьсяінваріантними в будь-яких інерційних системах відліку. Однак невідомоюзалишається реальність самих перетворень Лоренца: чи мають вони фізичнийзміст або пег? Оскільки ці правила отримані штучно, то сам Лоренцвідмовлявся надавати їм фізичний зміст. Над ним висіла поданнякласичної фізики про незмінність простору і часу. [3]

    Інакше підійшов до цього питання А. Ейнштейн. За фактом гарноюузгодженості лоренцевих перетворень з теорією Максвелла він вгадавреальний фізичний зміст самих перетворень. Для цього він зробивспробу дедуктивного побудови теорії, яка б наповнила перетворення
    Лоренца фізичним змістом. Інакше кажучи, він задався метою поглибитирозуміння принципу відносності шляхом його розгортання в теоріювідносності.

    3. Спеціальна теорія відносності А. Ейнштейна

    Як постулатів дедуктивної теорії він взяв два принципи.
    Перш за все - принцип відносності класичної фізики, різко розширившийого, поширивши її не тільки на механічний рух, а й наелектромагнітні та світлові процеси. Вже в початковій посилці Ейнштейноб'єднав класичну механіку і електромагнітну теорію Максвелла. Уякості другого постулату він взяв принцип сталості швидкості світла упорожнечі. Оскільки швидкість світла у якості константи включена в рівняння
    Максвелла, то Ейнштейн прийняв цю константу і для класичної фізики. Тимбільше, що в кінці XIX століття експериментально було надійно встановлено, щошвидкість світла кінцева, хоча й велика. Пізніше було прийнято вважати, щошвидкість снігу в порожнечі складає приблизно 300 000 км/с.

    Таким чином, постулатами приватної теорії відносності єдва принципи.

    1. Принцип відносності руху, якому Ейнштейн надавзагальний характер, поширивши його з механічних на магнітні,електричні та світлові процеси.

    2. Принцип сталості швидкості світла у порожнечі, що становить 300
    000 км/с. Ця швидкість є максимальною можливою швидкістюпоширення матеріальних взаємодій.

    З цих двох фізичних принципів Ейнштейн заново вивівматематичні правила перетворення Лоренца. Але тепер математичнаформа співвідношень l і t наповнена фізичним змістом, оскільки їх Ейнштейнвивів з фізичних посилок. З співвідношень l і t можна бачити, що, колишвидкість руху тіла стає порівнянної зі швидкістю світла, лінійнийрозмір тіла фізично скорочується в напрямку його руху. З часомвідбуваються протилежні зміни: його протягом сповільнюється, ритмікаплину часу розтягується. [1]

    Якщо швидкість руху тіла наближається до швидкості світла, то тілостискається в напрямку руху до такого ступеня, що перетворюється наплоску фігуру (в коржик). Значить, допускаються в класичній фізицішвидкості, що перевищують швидкість світла в порожнечі, не мають фізичноїсенсу. Звідси випливає, що швидкість поширення матеріальнихвзаємодій в природі не може превишать швидкість світла в порожнечі.

    Таким чином, дедуктивні наслідки з фізичних постулатів привели
    Ейнштейна до побудови розгорнутої змістовної теорії, яку потім вінназве приватної, чи спеціальною. Спеціальна теорія відносності (СТО)узагальнює класичну фізику і електродинаміку Максвелла і виступає якрелятивістська фізика, в якій дається нова теорія таких понять, якмаса, рух, простір, час.

    У класичній фізиці простір відірвано від часу, і вонирозглядаються як абсолютні. Абсолютно вони тому, що відірвані відрухомих матеріальних тел. Спеціальна теорія відносностівстановлює залежність простору і часу від швидкості рухуматеріальних тел. Крім того, вона встановлює нерозривний зв'язокпростору і часу, оскільки вони змінюються синхронно, і то впротилежних напрямках: при великих швидкостях руху тіл їхлінійний розмір скорочується в напрямку руху, а ритміка течіїчасу розтягується. Тому розгляд фізичних подій маєставитися до єдиного чотиривимірному просторово-тимчасового континууму:х, у, z, t.

    Свою критику класичної механіки Ейнштейн почав з перегляду
    «Абсолютного часу», що розуміється як одночасність всіх подій у світі.
    У класичній фізиці одночасності двох подій в точках простору Аі В обгрунтовувалася перенесенням годин з однієї точки в іншу.
    Неспроможність цього аргументу випливає з факту кінцевої швидкостіпоширення матеріальних взаємодій. [3]

    Хоча СТО базується на розгляді інерційних систем відліку, вонавсе-таки дозволяє встановити важливу залежність для прискореного руху. Урелятивістської фізики вважається, що чим вище швидкість руху тіла, тимважче збільшити її. Оскільки опір зміни швидкості тіланазивається його масою (інерційної), то звідси випливає, що маса тілазростає зі збільшенням швидкості його руху. У класичній механіці масурозглядають як постійний розмір - це релятивістська маса спокою. У
    СТО масу вважають змінною величиною, яка залежить від швидкості руху:

    Ця зміна маси можна виявити лише при великих швидкостях,наприклад, під час руху електронів навколо ядра атома, що й було потімвстановлено експериментально.

    Після опублікування СТО Ейнштейн із залежності маси від швидкостіруху математичним шляхом отримав нове слідство - висновок про рівністьінертною і ваговій маси.

    Звідси вчений зробив два радикальних висновки:

    а) про рівність ваговій і інертною маси,б) про еквівалентність маси і енергії.

    Випадок з кінетичної енергією Ейнштейн узагальнив на всі форми енергії:енергія в будь-якій формі веде себе як маса. Енергія є масою, амаса являє собою енергію. Енергія і маса перетворюються один вдруга за формулою:
    E = m · c2де Е - енергія, m - маса рухомого тіла, с - швидкість світла в порожнечі.

    Висновок

    Створення СТО було якісно новим кроком у розвитку фізичноїпізнання. Від класичної механіки СТО відрізняється тим, що у фізичнеопис релятивістських явищ органічно входить спостерігач ззасобами спостереження. Опис фізичних процесів в СТО істотнопов'язане з вибором системи координат. Фізична теорія описує нефізичний процес сам по собі, а результат взаємодії фізичногопроцесу із засобами дослідження. Звертаючи на це увагу, Ейнштейнстатті «До електродинаміки рухомих тіл» пише: «Судження будь-якої теоріїстосуються співвідношень між твердими тілами (координатними системами),годинами і електромагнітними процесами »[5]. В СТО через усвідомлення того, щоне можна дати опис фізичного процесу самого по собі, можна тільки датийого опис по відношенню до певної системи відліку, вперше в історіїфізики безпосередньо проявився діалектичний характер процесу пізнання,активність суб'єкта пізнання, невідривно взаємодія суб'єкта та об'єктапізнання.

    Список літератури

    1. Горелов А.А. Концепції сучасного природознавства. - М.: Центр, 2001. -
    208с.
    2. Мотилева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепції сучасного природознавства. - СПб.: Союз, 2000. - 320с.
    3. Найдыш В.М. Концепції сучасного природознавства. - М.: Гардарики,
    2000. - 476с.
    4. Пахомов Б.Я. Становлення сучасної наукової картини світу. - М., 1995.
    5. Ейнштейн А. Збори наукових праць. - М.: Просвещение, 1987.


         
     
         
    Реферат Банк
     
    Рефераты
     
    Бесплатные рефераты
     

     

     

     

     

     

     

     
     
     
      Все права защищены. Reff.net.ua - українські реферати !