ЭБЗ Классическая физика (часть 1) - механика, термодинамика и молекулярная физика (1175272), страница 59

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 59)

Иными словами, в случае неинерциальных систем отсчета ни одна система материальных тел не является замкнутой. Всегда существуют «внешние силы» – силы инерции, изменяющие импульс системы тел.Важно обратить внимание студентов на вопрос: реальны или фиктивны силы инерции? Ответ на этот вопрос зависит от смысла, который вкладывается в слова «реальный» и «фиктивный». Если придерживаться ньютоновской механики, согласно которойвсе силы должны быть результатом взаимодействия между телами, то на силы инерцииследует смотреть как на «фиктивные» силы: это не силы, а дополнительные члены, которые нужно ввести во второй закон Ньютона, чтобы можно было бы им пользоватьсяв неинерциальных системах отсчета, Необходимость использования сил инерции вэтом случае является выражением того объективного, т.

е. не зависящего от воли и сознания наблюдателя, факта, что законы Ньютона неприменимы в неинерциальных системах отсчета.Однако такая точка зрения необязательна. На силы инерции можно смотреть, какна действия, которым подвергаются тела со стороны каких-то силовых полей. Правда,эти поля определенным образом преобразуются при переходе от рассматриваемой системы отсчета к другой, движущейся относительно нее с ускорением. Но это не являетсяоснованием считать силы инерции фиктивными.

Ведь электрические и магнитные полятакже преобразуются при переходе к другой системе отсчета (даже от инерциальной кинерциальной). И тем не менее никто не, сомневается в существовании электромагнитных полей. Они реально существуют и, как всякая реальность, обладают определенными физическими свойствами, обнаруживаемыми на опыте.В заключение необходимо указать на важное сходство, существующее между силами инерции и гравитационными силами.

Силы инерции пропорциональны массамматериальных точек и при прочих равных условиях сообщают им одинаковые относительные ускорения. Точно таким же свойством обладают силы гравитации: сила, действующая на материальную точку, равна произведению массы этой точки на напряженность гравитационного поля. Таким образом, действие на материальную точку (илисистему материальных точек) сил инерции можно заменить действием «эквивалентного» им гравитационного поля.

Например, силам инерции, которые возникают в системеотсчета, движущимся поступательно с постоянным ускорением a, эквивалентно однородное гравитационное поле с напряженностью G = –a.В этом находит свое выражение принцип эквивалентности общей теории относительности, согласно которому все физические явления в гравитационном поле происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряженности обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а начальныеусловия одинаковы для всех тел замкнутой системы.Следует подчеркнуть студентам, что принцип эквивалентности не нужно пониматькак утверждение тождественности сил инерции и сил гравитации.

Поле тяготения,движение в котором (по отношению к инерциальной системе отсчета) эквивалентнодвижению в какой-либо неинерциальной системе отсчета, существенно отличается отреального гравитационного поля, создаваемого телами. В самом деле, как указывалосьвыше, гравитационное поле, «эквивалентное» поступательно движущейся неинерциальной системе отсчета, однородно и его напряженность G = –a.

Следовательно, если вкакой-то момент времени ускорение а системы отсчета изменится, то и напряженность«эквивалентного» поля тоже должна измениться, притом одновременно во всех точкахпространства. Иными словами, изменения «эквивалентного» поля должны распространиться в пространстве с бесконечно большой скоростью, что противоречит выводамтеории относительности. Далее, напряженность гравитационного поля, создаваемоготелами, убывает при удалении от этих тел и стремится к нулю в бесконечности. Напряженность «эквивалентного» поля этому условию не удовлетворяет.

Например, напряженность поля, «эквивалентного» центробежным силам инерции, неограниченно возрастает при беспредельном удалении от оси вращения. Однако в небольших объемахпространства, в которых гравитационное поле может считаться практически однородным, оно может быть приближенно сымитировано ускоренным движением системыотсчета.

Если хотят отметить это обстоятельство, то говорят, что принцип эквивалентности имеет локальный характер.Вместе с тем, эквивалентность инертной и гравитационной -масс делает целесообразным объединение гравитационного поля и поля сил инерции в единое поле. Это иделается в общей теории относительности. Для поля, получающегося в результате такого объединения, сохранено прежнее название – гравитационное поле. Сила инерцииявляется частным случаем сил гравитационного поля, понимаемого в таком расширенном смысле. Общая теория относительности, или релятивистская теория тяготения, устанавливает уравнения гравитационного поля.

Они называются уравнениями Эйнштейна. Закон всемирного тяготения Ньютона содержится в уравнениях Эйнштейна и верентолько приближенно, так как в основе этого закона лежит представление о мгновенномраспространении взаимодействий, а такое представление имеет ограниченную областьприменимости.Существует много явлений, которые могут быть интерпретированы как проявлениесил инерции: силы, испытываемые пассажиром в ускоренно движущемся вагоне; перегрузки, действующие на летчика или космонавта при больших ускорениях самолетаили при запуске и торможении космического корабля; явления, обусловленные вращением Земли и др.

Конечно, все эти явления можно понять, пользуясь не представлениемо силах инерции, а рассматривая движение относительно инерциальной системы отсчета. Однако во многих случаях бывает проще рассматривать явления непосредственно внеинерциальной системе отсчета (например, опыты Любимова, которые обычно демонстрируются на лекциях).ЭЛЕМЕНТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИОТНОСИТЕЛЬНОСТИВо втузах элементы специальной теории относительности излагаются в первом семестре обучения физике, после рассмотрения неинерциальных систем отсчета.

Этотвариант представляется разумным, ибо он позволяет сразу обсудить границы применимости классической механики и ввести принцип соответствия, а также дает возможность применить в дальнейшем теорию относительности при изложении электромагнетизма.При изложении элементов теории относительности в первом семестре обученияфизике не имеет смысла подробно останавливаться на опытах, игравших существеннуюроль в становлении этой теории, так как все они относятся к области оптических явлений.

Однако необходимо подчеркнуть, что именно опыт показал, что скорость света c ввакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движенияисточников и приемников света. Одинаковое значение скорости света в вакууме во всехинерциальных системах отсчета означает, что классический закон сложения скоростейимеет ограниченную область применимости. Он, в частности, не пригоден для описания явлений, связанных с распространением света.

Но классический закон сложенияскоростей является следствием из преобразований Галилея; следовательно, и последниеимеют ограниченную область применимости. Отсюда возникла необходимость в критическом пересмотре тех идей, которые положены в основу преобразований Галилея.Эту задачу в 1905 г. решил А. Эйнштейн, осуществивший радикальный пересмотрпредставлений о пространстве и времени.Эйнштейн обратил внимание на то, что при выводе преобразований Галилея предполагалось, что время есть абсолютное понятие – во всех инерциальных системах отсчета оно протекает одинаково. Отсюда непосредственно следовало, что длина отрезкаво всех инерциальных системах отсчета одна и та же.

Эти положения казались настолько очевидными, что их даже не считали нужным обосновывать. В действительности этиположения оказались не универсальными, а только первым приближением, справедливым лишь в ньютоновской механике. Теория относительности показала, что промежуток времени между двумя событиями и размеры тела являются относительными понятиями, зависящими от скорости движения системы отсчета. Здесь студенты встречаются с проявлением очень важного принципа относительности к средствам наблюдения[5].

Этот же принцип играет фундаментальную роль в квантовой механике и будет рассмотрен нами позже.При изложении элементов динамики специальной теории относительности особенно важно обратить внимание студентов на следующую из опыта универсальность всехзаконов сохранения, т. е. их справедливость в любых системах отсчета, в том числе ипри v ≈ c. Из этой универсальности, в частности, закона сохранения импульса, следуетзависимость массы от скорости (ее легко получить на каком-либо частном примере, например, с соударением двух абсолютно неупругих шаров) и закон взаимосвязи массы иэнергии.Здесь разумно отметить, что закон взаимосвязи массы и энергии был надежно подтвержден многочисленными экспериментами в ядерной физике. Предсказываемые наего основе энергетические эффекты различных ядерных реакций и превращений элементарных частиц находятся в точном согласии с результатами экспериментов.Теория относительности показала, что многие физические характеристики тел ипроцессов (масса, длина, длительность, ускорение и др.), считавшиеся в классическойфизике абсолютными, незыблемыми свойствами самих тел и процессов, являются относительными, имеющими различное значение в разных инерциальных системах отсчета.

Однако эти результаты, парадоксальные с точки зрения классической физики, неимеют ничего общего с релятивизмом. Они обусловлены объективными свойствамиокружающего нас мира. При этом теория относительности не только отвергает старыеинварианты, но и вводит новые, неизвестные классической физике. Одним из таких инвариантов является интервал. Расстояние между двумя точками относительно, промежуток времени между двумя событиями относителен, а интервал, связывающий междусобой пространственно-временные характеристики, абсолютен.Главный вывод, к которому приходит теория относительности, состоит в том, чтопространство и время органически связаны между собой и образуют единую формусуществования материи: пространство-время.Здесь особенно следует подчеркнуть, что законы классической механики получаются как следствие теории относительности при v << c.

Характеристики

Список файлов лекций