Темы рефератов - Институт педагогики, психологии и
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Лесосибирский педагогический институт – филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (ЛПИ – филиал СФУ) Психологии и педагогики факультет Современного естествознания кафедра 44.03.02 код и наименование специальности (направления) ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ: ОТ ГАЛИЛЕЯ ДО ЭЙНШТЕЙНА РЕФЕРАТ Руководитель _______ О. А. Ефиц подпись, дата инициалы, фамилия Студент ЛФ ФПП14-01БН _______ код (номер) группы подпись, дата Лесосибирск 2014 А. А. Федченко инициалы, фамилия СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 3 Принцип эквивалентности: от Галилея до Эйнштейна 4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 10 ПРИЛОЖЕНИЕ 11 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 12 2 ВВЕДЕНИЕ Над данным принципом работали выдающиеся ученые такие как: Галилей и Эйнштейн. Принцип эквивалентности начал формироваться при Галилее и завершил работу Эйнштейн. Сформулированный как сильный принцип эквивалентности, этот принцип Эйнштейна устанавливает равноправность всех свободно падающих систем для постановки любых физических экспериментов. Важно отметить, что этот принцип эквивалентности справедлив только в достаточно малых объемах пространства, где силу тяжести можно считать постоянной. Цель: Рассмотреть принцип эквивалентности: от Галилея до Эйнштейна Задачи: 1. Раскрыть понятие принципа эквивалентности 2. Рассмотреть развитие принципа эквивалентности: от Галилея до Эйнштейна 3 Принцип эквивалентности: от Галилея до Эйнштейна «Принцип эквивалентности», как правило, подразумевает тождественность инертных масс всех тел их гравитационным массам, что позволяет оперировать в физике единым понятием масса. Другим выражением этого принципа можно считать независимость ускорения свободного падения тел от их состава. Принцип относительности. эквивалентности Он — ограничивается лишь один из постулатов рассмотрением эффектов общей теории гравитации и равноускоренного движения, однако каждое подтверждение принципа эквивалентности является одновременно и подтверждением общей теории относительности. Принцип эквивалентности много раз проверялся на Земле и в ее окрестностях и считается надежно проверенным экспериментально, поэтому его нередко считают универсальным. Полевая физика указывает на причину видимой эквивалентности инертных и гравитационных масс тел на Земле и в пределах любой другой небольшой области космоса. Полевая физика – это новый подход к пониманию природы вещей и устройства Мироздания. Однако оказывается, что принцип эквивалентности справедлив лишь в частных случаях и не является универсальным. Согласно полевой физике отношение инертной массы тела к его гравитационной массе возрастает по мере приближения к сильным гравитационным источникам, например, к центру нашей Галактики, и падает по мере удаления от них, что во многом является реализацией принципа Маха. Это обстоятельство приводит к кардинальному пересмотру принципа эквивалентности в полевой физике. Полевой принцип эквивалентности 1. Инертная и гравитационная массы являются принципиально разными физическими характеристиками объектов. Инертная масса (просто масса или инертность) характеризует величину изменения скорости объекта под действием внешних сил, а гравитационная масса (гравитационный заряд) - интенсивность участия объекта в гравитационном взаимодействии. 2. В подавляющем большинстве земных явлений основной вклад в инертность объектов вносит взаимодействие с гравитационным полем Вселенной – Глобальное взаимодействие. Когда все остальные взаимодействия пренебрежимо малы по сравнению с ним наблюдается эффект пропорциональности инертной массы тела его гравитационному заряду. 4 3. Коэффициент пропорциональности между двумя типами масс зависит от области космоса, возрастая по мере приближения к сильногравитирующим объектам и уменьшаясь по мере удаления от них. 4. Равенство коэффициента пропорциональности единице в области Земли и Солнечной системы обеспечивается путем введения гравитационной постоянной с известным значением. Этот прием создает видимость равенства инертной и гравитационной масс объектов на Земле. 5. Наличие пропорциональности независимого полей негравитационной между изменения двумя этих типами свойств природы масс объектов. и А приводит к предоставляет также нарушению возможность экспериментального обнаружения отклонения от равенства инертной и гравитационной масс. Краеугольный камень этой теории был заложен в 1907 г., когда Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности. Этот принцип развивает хорошо известное утверждение Галилея о том, что в гравитационном поле все тела независимо от их массы приобретают одинаковые ускорения: отсюда вытекает равенство инертной и тяготеющей масс. Эквивалентность тяготеющей и инертной масс была доказана с огромной точностью — до двенадцатого знака после запятой! Но почему массы этих двух видов должны быть равны, долгое время оставалось необъяснимым. А сам факт их равенства и то, что все тела падают в гравитационном поле с одинаковым ускорением, называют иногда слабым принципом эквивалентности. Эйнштейн обратил внимание на то, что наблюдатель, находящийся в закрытой кабине, не в состоянии отличить влияние тяготения от эффектов ускоренного движения. Находясь в кабине, стоящей на поверхности Земли (рисунок 1), наблюдатель ощущает свой обычный вес и замечает, что все предметы совершенно одинаково ускоряются по направлению к полу. Если же кабина, снабженная реактивным двигателем, вместе с наблюдателем переместится в космическое пространство, где будет двигаться с ускорением, в точности равным гравитационному ускорению у поверхности Земли, то наблюдатель снова обнаружит, что все свободные предметы падают на пол с тем же самым ускорением, и опять почувствует свой нормальный вес. В такой закрытой кабине невозможны никакие эксперименты, которые позволили бы наблюдателю отличить явления, связанные с тяготением, от явлений, характерных для ускоренного движения. Внутри небольшой замкнутой кабины эффекты гравитации и ускоренного движения неразличимы. В результате ускорения системы отсчета, в которой производится наблюдение. Наиболее известный пример силы инерции — «центробежная сила». Если наблюдатель 5 находится в вагоне без окон, движущемся постоянной скоростью по гладкой дороге, то он не испытывает воздействия никаких внешних сил (кроме своего веса). Но стоит вагону сделать поворот, как наблюдатель окажется отброшенным к одной из стен вагона, при этом у наблюдателя создается впечатление, что на него подействовала вполне реальная сила. Для человека, наблюдающего за происходящим со стороны, все выглядит совершенно иначе: в полном соответствии с первым законом Ньютона человек в вагоне продолжает двигаться прямолинейно и равномерно, а сам вагон, т. е. связанная с ним система отсчета, совершая поворот, ускоряется, и результатом этого ускорения оказывается сближение стены вагона и наблюдателя. Иными словами, не возникает никакой внешней силы, сообщающей ускорение наблюдателю в вагоне и толкающей его к стене: это обманчивое впечатление обусловлено ускорением системы отсчета, в которой проводится наблюдение. Но если эффекты гравитации и ускоренного движения неразличимы, то, может быть, есть смысл рассматривать тяготение как «кажущуюся силу»? Снова представим себе закрытую со всех сторон кабину на этот раз кабину лифта (рисунок 2). Если удерживающий ее трос вдруг оборвется, то кабина вместе со всем своим содержимым начнет свободно падать под действием силы тяжести, причем все тела в ней будут ускоряться совершенно одинаково. Наблюдатель, находящийся внутри такой кабины, не почувствует веса своего тела, а окружающие его предметы будут свободно «парить» в воздухе, не испытывая ускорения в направлении пола. Все в лифте окажется невесомым. С точки зрения человека, наблюдающего эту картину со стороны, все тела внутри кабины ускоряются точно так же, как и она сама, и поэтому движение предметов, содержащихся в лифте, относительно его пола отсутствует. Какие бы опыты наблюдатель ни проводил внутри кабины, он не сможет с их помощью установить, падает ли лифт на Землю или свободно парит в космическом пространстве. Из этих примеров видно, что эффекты тяготения можно создавать или устранять, выбирая подходящую систему отсчета. В свободно падающем лифте справедливы законы механики Ньютона. Если, например, придать телу некоторую скорость, то оно будет двигаться в полном соответствии с законом инерции (до тех пор, пока не ударится о стену кабины). Нетрудно убедиться, что в этом случае будут выполняться и два других закона Ньютона. Таким образом, свободно падающая кабина представляет собой локальную инерциальную систему отсчета: внутри нее соблюдаются все условия, определяющие инерциальную систему. Но принцип эквивалентности Эйнштейна не только говорит о неразличимости явлений гравитации и ускоренного движения в закрытой кабине, но и утверждает, что все 6 законы природы формулируются одинаково и в кабине свободно падающего лифта, и в любой другой инерциальной системе отсчета. Примечательно в данной задаче то, что электромагнитная инерция или масса электрона строго неоднократно пропорциональна выявлено точнейшими гравитационной измерениями. массе Это частицы, называется что было Принципом эквивалентности Галилея, открытым им в 1609 году. [3]. «В принципе ниоткуда не следует, что масса, создающая поле тяготения, определяет и инерцию того же тела. Однако опыт показал, что инертная и гравитационная массы пропорциональны друг другу (а при обычном выборе единиц измерения численно равны). Этот фундаментальный закон природы называется принципом эквивалентности. Этот факт был установлен опытным путем итальянским ученым Г. Галилеем (принцип эквивалентности Галилея – авт.) и может быть сформулирован как принцип строгой пропорциональности гравитационной, или тяжелой, массы mT, определяющей взаимодействие тела с полем тяготения и входящей в закон всемирного тяготения Ньютона, и инертной массы m, определяющей сопротивление тела действующей на него силе и входящей во второй закон механики Ньютона. Экспериментально принцип эквивалентности Галилея установлен с очень большой точностью – до 10 –12 (в 1971). Сформулированный как сильный принцип эквивалентности, этот принцип Эйнштейна устанавливает равноправность всех свободно падающих систем для постановки любых физических экспериментов. Важно отметить, что этот принцип эквивалентности справедлив только в достаточно малых объемах пространства, где силу тяжести можно считать постоянной. Если же кабина достаточно велика, то там будут наблюдаться так называемые приливные эффекты: пол кабины, падающей на Землю, будет расположен ближе к центру Земли, чем потолок, поэтому частица, начавшая падение вблизи потолка, будет испытывать меньшее ускорение, чем та, которая начала падать вблизи пола; в результате эти две частицы будут медленно расходиться. Эйнштейн распространил концепцию инерциальной системы на все свободно падающие системы отсчета и тем самым отказался от их отождествления с абсолютным пространством (относительно которого ньютоновская инерциальная система движется прямолинейно и равномерно) или с системой отсчета «неподвижных звезд». Он также уточнил понятие локальной системы: поскольку гравитационное взаимодействие существует в любой точке Вселенной, а сила тяготения изменяется от точки к точке в зависимости от распределения вещества, то в протяженных свободно падающих системах отсчета будут наблюдаться дифференциальные эффекты типа описанного выше 7 приливного эффекта; поэтому такие системы нельзя считать истинно инерциальными (тела, первоначально покоившиеся в таких системах, начнут перемещаться, нарушая тем самым первый закон Ньютона). Исходным пунктом теории Эйнштейна служит основное свойство сил тяготения, состоящее в том, что все тела (в пустоте) падают с одинаковым ускорением. Этот закон установил уже Галилей, предприняв с этой целью опыты по сбрасыванию различных тел с вершины башни. Многие читатели видели, вероятно, эффектный опыт, когда в трубке, из которой откачан воздух, кусочек свинца и пушинка падают совершенно одинаково, не отставая друг от друга. Все мы так привыкли к этому простому закону, что готовы считать его чем-то само собой разумеющимся и не требующим особых объяснений. Получается, таким образом, что силы тяготения физически эквивалентны силам инерции. Как те, так и другие зависят от выбора системы отсчета; в частности, эта система может быть выбрана так, что силы тяготения полностью исчезают. Это обстоятельство, тесно связанное, как ясно из предыдущего, с равенством тяжелой и инертной массы, Эйнштейн назвал принципом эквивалентности и положил его в основу общей теории относительности. 8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Принцип эквивалентности не является прямым логическим следствием закона равенства тяжелой и инертной масс. Из этого закона вытекает лишь, что все тела в поле тяготения движутся одинаково; принцип же эквивалентности распространяется на все физические процессы, в том числе и на такие, которые не сводятся к механическому движению. С другой стороны, этот принцип не связан исключительно с теорией относительности. Для его формулировки не нужно предполагать ни постоянства скорости света, ни каких-либо других фактов и выводов теории относительности. Принцип эквивалентности нужно рассматривать как весьма общий физический принцип, являющийся обобщением результатов опыта. Нужно отметить, что принцип эквивалентности принимается безоговорочно не всеми физиками; в частности, имеют место попытки построить общую теорию относительности на основе лишь закона равенства тяжелой и инертной масс. Поставленная цель была достигнута, рассматривая принцип эквивалентности: от Галилея до Эйнштейна. Задачи раскрыты понятие принципа эквивалентности, рассмотреть развитие принципа эквивалентности: от Галилея до Эйнштейна. 9 ПРИЛОЖЕНИЕ 10 Презентация 11 12 13 14 15 16 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. АнидоР.NET гипотезы, предположения, новые идеи и поиск истины http://www.anidor.net/article/1009_blackhall2.php 2. Полевая физика или как устроен мир http://www.fieldphysics.ru/equivalence_principle/ 3. Физический энциклопедический словарь / Ред. Прохоров А.М. М.: Сов. энциклопедия, 1984. С. 392-393. 773. 4. Шаляпин А.Л., Стукалов В.И. Введение в классическую электродинамику и атомную физику. Второе издание, переработанное и дополненное. Екатеринбург, Изд-во Учебно-метод. Центр УПИ, 2006, 490 с. 5. Элементы большой науки http://elementy.ru/trefil/42 17
