2.Релятивістська механіка. Експериментальні основи спеціальної теорії відносності. Постулати Ейнштейна. Перетворення Лоренца. Релятивістська форма другого закону Ньютона.Релятивістська механіка

Класична механіка ґрунтується на принципі відносності Галілея (Ніякими механічними дослідами, проведеними всередині даної ІСВ, неможливо встановити, перебуває вона в стані спокою чи рухається рівномірно і прямолінійно) і законах Ньютона (Рівняння механіки Ньютона не змінюються при переході від однієї ІСВ до іншої).

Наприкінці XIX та на початку XX ст. виявилось, що закони механіки Ньютона суперечать деяким експериментальним спостереженням.

Перш за все вкажемо на результати дослідів В. Кауфмана, який вивчав відхилення - частинок одночасно в електричному і магнітному полях. Він визначив відношення заряду до маси електрона із співвідношення і вперше виявив, що відношенняе/m_еє функцією швидкості v частинки. Цей дослідний факт наштовхнув його на думку, що маса частинки залежить від її швидкості.

Отже при великих швидкостях електрона, сумірних із швидкістю світла у вакуумі (v с), залежність v²(U) зростає набагато повільніше від розрахункової і не перевищує с². Отже, при швидкостях частинки, близьких до швидкості світла, спостерігається відхилення від законів Ньютона.

У період з 1881 по 1929 р. були проведені досліди з вимірювання швидкості світла в різних інерціальних системах відліку. Не розглядаючи докладно окремі досліди, вкажемо тільки основну ідею і отриманий в цих дослідах результат. Ідею цих дослідів можна узагальнити, звівши її до такої задачі. Від джерела світла, нерухомого в інерціальній системі відліку, поширюється світло. Відносно спостерігача (приймача світлового сигналу), нерухомого в цій системі відліку, швидкість світла дорівнює с. Експериментально вимірювалась швидкість світла с'відносно спостерігача, який рухається прямолінійно і рівномірно з швидкістю v₀відносно джерела. Згідно з класичним законом додавання швидкостей повинно бути де знак "плюс" відповідає рухові спостерігача в напрямі до джерела, а знак "мінус" — від джерела. Однак результати дослідів показали, щос'с. Тобто швидкість світла не залежить від швидкості руху спостерігача або джерела і однакова в усіх напрямах. Цей результат означав, що для поширення світла порушується класичний закон додавання швидкостей і, отже, виникає сумнів щодо справедливості перетворень Галілея.

Для пояснення цих та інших дослідних фактів необхідно було створити нову механіку, яка описує класичні закони руху тіл при будь-яких швидкостях, як завгодно близьких до швидкості світла. Така механіка називається релятивістською.

У 1905 р. А. Ейнштейн створив спеціальну теорію відносності, на якій ґрунтується релятивістська механіка.

Поступати Ейнштейна

Спеціальна теорія відносності (СТВ) являє собою сучасну фізичну теорію простору і часу. В її основі лежать два постулати, сформульовані А. Ейнштейном.

Принцип відносності. Ніякими фізичними дослідами (механічними, електричними, оптичними та ін.), проведеними всередині даної інерціальної системи відліку, неможливо виявити, перебуває ця система в стані спокою чи рухається рівномірно і прямолінійно; всі закони природи інваріантні щодо переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої.

Принцип інваріантності швидкості світла. Швидкість світла однакова в усіх інерціальних системах відліку, вона не залежить від швидкості руху джерела світла або спостерігача і у вакуумі дорівнює с.

Другий постулат Ейнштейна констатує сталість швидкості світла як фундаментальний закон природи, підтверджений дослідами. Швидкість світла є граничною швидкістю руху будь-яких матеріальних об'єктів. Ніякі сигнали або взаємодії в природі не можуть передаватись з більшою швидкістю, ніж швидкість світла.

Таким чином, в релятивістській механіці Ейнштейна розглядаються фізичні системи, які рухаються з швидкостями, близькими до швидкості світла. Швидкість світла приймається як гранично можлива швидкість передачі взаємодії. Принцип відносності поширюється на всі фізичні процеси, а перетворення Галілея замінюються перетвореннями Лоренца, з яких випливає взаємний зв'язок між просторовими координатами і часом.

Перетворення Лоренца

На основі двох постулатів і принципу відносності одночасності тих самих подій у різних ІСВ А. Ейнштейн встановив нові перетворення для координат і часу (перетворення Лоренца) і надав нової форми рівнянням механіки.

Перетворення Лоренца для координат і часу:

;

Ці перетворення переходять у перетворення Галілея за умови v <<с

Релятивістська форма 2 закону Ньютона

А. Ейнштейн показав, що запис другого закону у формі (9.21) зберігається, якщо під імпульсом розуміти вираз (9.22) Підставивши (9.22) у (9.21), дістанемо (9.23). Величина(9.24) що входить до виразу (9.23), є релятивістською масою частинки, тобто масою частинки, яка рухається зі швидкістюv. При v <<с релятивістська маса m стає рівною масі спокою m₀.

Прискорення частинки при перетвореннях Лоренца не зберігається, воно не є абсолютним, тобто прискорення неоднакове в різних інерціальних системах відліку. Зважаючи на це, зазначимо, що сили також мають відносний характер. Крім того, у загальному випадку вектор прискорення частинки не збігається за напрямом з вектором сили. Щоб довести останнє положення, подамо (9.23) як (9.25)

Диференціюючи (9.25) за часом, дістанемо (2.26)

Отже, вектор у загальному випадку не збігається за напрямом з вектором сили. Збіг векторів а і Р спостерігається у двох випадках:

1) - швидкість частинки змінюється тільки за напрямом(v=const). Тоді на основі рівняння (9.23) дістанемо (9.27)

2) — швидкість частинки змінюється тільки за величиною. Тоді на основі рівняння (9.23) маємо(9.28)

3.Розвиток мислення учнів на уроках фізики. Активізація пізнавальної діяльності учнів.

Для системи роботи вчителя по активізації пізнавальної діяльності учнів в навчанні дуже важливо мати на увазі, що в розумовій діяльності можна виділити три рівні: рівень розуміння, рівень логічного мислення і рівень творчого мислення.

Розуміння. Розуміння - це аналітико-синтетична діяльність, направлена на засвоєння готової інформації,що повідомляється книгою або вчителем.

В ході викладу нового матеріалу вчитель не тільки повідомляє нові факти, він аналізує результати дослідів, будує теоретичні докази, виводить нові послідовності. Його виклад може включати абстрагування, узагальнення, порівняння, класифікацію, визначення і так далі Всі розумові операції (аналіз, синтез, абстракція, узагальнення), прийоми розумової діяльності (порівняння, класифікація, визначення), прийоми логічних доказів в ході пояснення матеріалу вчитель виконує сам.

Перед учнями постає простіше завдання: простежити за ходом і результатами аналізу, що проводиться вчителем, синтезу, узагальнення, порівняння і так далі, простежити за логічністю, несуперечністю виводу. Все це вимагає певних розумових зусиль учнів, певної аналітико-синтетичної діяльності.

Розумова активність потрібна також і при вивченні тексту. Необхідно виділити головну думку параграфа, простежити за переконливістю її обгрунтування, з'ясувати логіку міркувань, послідовність і етапи виведення формули, співвіднести конкретні приклади і факти з довединими положенням і так далі Оскільки пояснення вчителя буває зазвичай розраховано на рівень конкретного класу, а в підручнику цього зробити неможливо, то як правило, засвоєння тексту підручника вимагає великих зусиль учнів, чим засвоєння пояснення вчителя.

Глибоке розуміння учнів матеріалу, що викладається є умова засвоєння ними знань і одночасно школа розвитку їх мислення, їх пізнавальних здібностей. Саме в процесі розуміння учень засвоює досвід проведення логічних міркувань, аналізу, синтезу, абстракції і узагальнення, досвід виконання різних розумових дій (порівняння, зіставлення, зіставлення, класифікації, визначення і так далі). Повторюючи міркування вчителя і підручника, наслідуючи їм, учень освоює прийоми розумової діяльності. Тому глибоке розуміння матеріалу є передумовою самостійного рішення ними пізнавальних завдань, є першим ступенем їх пізнавальної активності.

Система роботи по активізації пізнавальної діяльності, перш за все, повинна включати систему прийомів, що направляють розумову діяльність учнів в процес сприйняття ними матеріалу, що висловлюється вчителем або в книзі. Необхідно також мати чітке уявлення про те, які прийоми пояснення матеріалу забезпечують найбільш глибоке засвоєння і сприяють всесторонньому розвитку мислення учнів. Очевидно, вибір прийомів пояснення визначаються рівнем розвитку учнів і характером висловлюваного матеріалу, оскільки до викладу фізичних теорій, законів, понять можуть бути пред'явлені різні методологічні вимоги.

Логічне мислення. Під логічним мисленням розуміється процес самостійного вирішення пізнавальних завдань.

На цьому рівні пізнавальної діяльності учні повинні уміти самостійно аналізувати об'єкти, що вивчаються, порівнювати їх властивості, порівнювати результати окремих дослідів, будувати узагальнені виводи, виконувати класифікацію, докази, пояснення, виводити формули, аналізувати їх, виявляти експериментальні залежності і так далі Тому вчитель, організовуючи, розумову діяльність учнів на даному рівні, повинен підбирати учням такі завдання, які передбачали б виконання одне з вказаних розумових дій або їх різну сукупність. Чим більше самостійних дій повинні зробити в завданніучні при виконанні, тим воно складніше.

Щоб навчання в максимальному ступені сприяло розвитку учнів, пропоновані вчителем завдання повинні декілька випереджати їх рівень розвитку.

Як розуміння, так і логічне мислення є аналітико-синтетичною діяльністю, проте між ними є істотні відмінності по їх джерелу, дидактичній функції і суб'єктивному переживанню.

В процесі мислення учень самостійно приходить до нових виводів. В процесі розуміння він з'ясовує сенс і несуперечність виводу, зробленого вчителем. При розумінні відбувається осмислення і засвоєння готового повідомлення, при мисленні виводиться нове знання. Розуміння і суб'єктивно представляється інакше, ніж логічне мислення. Суть розуміння - в пізнаванні, усвідомленні, з'ясуванні і фіксації в свідомості чогось нового в тому, що сприймається, засвоюється. Відмінність мисленням і розумінням величезно. Учневі набагато легко простежити за логічністю виводу, його довідністю, чим отримати цей вивід на основі власної аналітико-синтетичної діяльності.

Творче мислення. Згідно сучасним переконанням процес наукової творчості здійснюється в три етапи.

I етап характеризується виникненням (в ході пізнання або практичної діяльності) проблемної ситуації, первинним аналізом її і формулюванням проблеми.

II етап творчого процесу - це пошук шляху вирішення проблеми. Цей пошук здійснюється в ході детального аналізу проблеми на основі наявних знань. У разі потреби знання про об'єкт дослідження, що вивчається, можна поповнити, вивчаючи відповідну літературу або виконуючи необхідні експериментальні дослідження.

Часто принцип рішення знаходять чисто логічно, строго доказово. Іноді об'єкт дослідження пізнаний недостатньо, а знання про нього не тільки неповні, але і суперечливі. В цьому випадку доказово вивести принцип вирішення виниклої проблеми не вдається. На допомогу приходить інтуїція.

III етап творчого пізнання - етап суперечність знайдена (або вгадано) принципу вирішення проблеми і його перевірка. На цьому етапі принцип рішення реалізується у вигляді окремих результатів творчості: рішення нової задачі, обгрунтувань і розробка конструкцій, теорій і так далі Отримані результати перевіряють експериментально, погоджують з іншими теоретичними даними і так далі

Розглянута структура творчої діяльності дозволяє виділити істотні риси творчого мислення. Для творчого мислення характерні не тільки розвиненість логічного мислення, обширність знань, але і гнучкість, критичне мислення, швидкість актуалізації потрібних знань, здібність до вислову інтуїтивних думок, вирішення завдань в умовах повної детермінованості.

У навчальному процесі до творчих завдання доцільно віднести ті, принцип виконання яких не вказаний, а часто і невідомий учневі явно. Він повинен бути сформульований ними самостійно в ході аналізу завдання на основі наявних знань і накопиченого досвіду при вирішенні нестандартних завдань.

Виділені три умовидіяльності мислення можуть бути покладені в основу системи роботи вчителя по активізації пізнавальної діяльності учнів.

Початковим моментом в цій роботі повинне бути забезпечення глибокого розуміння учнівнавчального матеріалу, що викладається вчителем або в підручнику (I рівень). Лише на тлі систематичної роботи, що забезпечує глибоке розуміння учнями матеріалу, можуть застосовуватися різні прийоми і завдання, що вимагають від учнів самостійного вирішення пізнавальних завдань уроку на II і III рівнях пізнавальної активності (тобто на основі логічного або творчого мислення).

Активізація пізнавальної діяльності учнів повинна починатися з використання різних засобів, що забезпечують глибоке і повне засвоєння учнів матеріалу, що висловлюється вчителем.

Як же забезпечити глибоке розуміння матеріалу таким, щобучні уникали механічного запам'ятовування того, що вивчається?

Слід виділити чотири аспекти цього питання:

1. організація сприйняття нового матеріалу учнів;

2. використання доказових прийомів пояснення;

3. облік методологічних вимог і психологічних закономірностей;

4. навчання роботі з підручником.

При правильно побудованому поясненні матеріалу вчитель не тільки дає учневі знання, але й організовує їх пізнавальну діяльність.

Велике значення, наприклад, має те, як вчитель вводить тему уроку. Тема уроку не повинна просто повідомлятися учням, треба переконуватися в їх логічній необхідності вивчення кожного наступного питання програми. А для цього потрібно розкривати логіку розгортання теми, взаємозв'язок її окремих питань і природно підводити учнів до необхідності вивчення матеріалу уроку.

Крім того, вчитель повинен спробувати викликати у учнів інтерес до теми: привести цікаві факти, пов'язані з історією встановлення закону; показати досліди, на яких учнів можуть знайти відповідь в ході пояснення і так далі Важливо лише при цьому не витратити багато часу і не відвернути уваги учнів від майбутнього пояснення. Перед поясненням вчитель повинен не тільки назвати і записати тему уроку, привернути до неї увагу учнів, але і вказати їм ті (пізнавальні) завдання, які на даному уроці вирішуватимуться.

Практика навчання показує, що для кожного уроку фізики, присвяченого вивченню нового матеріалу, можна і потрібно вказати його основні пізнавальні завдання. Сформульовані пізнавальні завдання уроку є метою майбутньої діяльності, учнів. Усвідомлення мети – необхідна умова будь-якої вольової дії.

Закінчуючи розгляд питання про необхідність чіткої постановки пізнавальних завдань уроку, хотілося б підкреслити, що учні повинні не тільки знати (розуміти) мету майбутнього пояснення (пізнавальне завдання уроку), але і уявляти, як це завдання вирішуватиметься: чи буде відповідь знайдена із спостережень і аналізу досвіду або виведена теоретично на основі раніше вивчених законів і закономірностей.

В кінці пояснення доцільно робити вивід і підкреслювати, яке питання було поставлене на початку пояснення, яка відповідь на нього отримана і яким чином.