Сучасні уявлення про простір і час. Взаємозв’язок класичної та релятивістської механіки.

План-конспект уроку фізики  _________

в 10 класі

Тема уроку: Сучасні уявлення про простір і час. Взаємозв’язок класичної та релятивістської механіки.

Мета уроку: розглянути сучасні уявлення про простір і час, взаємозв’язок класичної та релятивістської механіки, пояснити загальні теорії сучасної фізики; розвивати творче мислення; виховувати пізнавальний інтерес і такі якості як самостійність, працелюбність, бажання отримувати знання.

                                          Хід уроку.

І. Організаційний момент.

Оголошення теми і мети уроку.

Аналіз самостійної роботи.

ІІ. Вивчення нового матеріалу.

Традиційно-філософське визначення простору завжди базувалося на постулатах евклідової геометрії, тобто мало розмірність: вимір довжини, площини тощо. З початком космічної ери, практичним використанням теорій А.Ейнштейна, геометрії М. Лобачевського появою засобів електронної комунікації з’явилось нове розуміння Простору -- без меж і кордонів.

За законами Ньютона, якщо на тіло діє сила, то воно рухається з прискоренням. Якщо напрямок дії сили збігається з напрямком руху, то швидкість тіла має необмежено зростати. Проте це твердження суперечить принципу СТВ, згідно з яким існує гранична швидкість передачі взаємодії— швидкість світла.

Як з'ясував А. Ейнштейн, щоб закони Ньютона були інваріантними в усіх інерціальних системах відліку і відповідали положенням СТВ, слід переглянути деякі класичні уявлення про рух і взаємодію тіл. Зокрема, за допомогою математичних перетворень формули другого закону Ньютона він встановив, що маса тіла залежить від швидкості його руху.

• Сучасна фізика ґрунтується переважно на двох теоретичних узагальненнях: квантовій гіпотезі М. Планка, висунутій ним у 1900 році, і постулатах теорії відносності, сформульованих у 1905 році А. Ейнштейном. Спеціальна теорія відносності переглянула насамперед спрощені класичні уявлення про простір і час як незалежні абсолютні субстанції. Вона дала більш глибоке, узагальнене їх тлумачення, об'єднавши в єдиний континуум — простір—час. Завдяки цьому в СТВ інакше характеризується одночасність події: дві події, що відбуваються в різних точках простору і є одночасними в одній системі відліку, не будуть одночасними в інших.

В основу спеціальної теорії відносності покладено два принципи:

1) в усіх інерціальних системах відліку, незалежно від стану їх руху, фізичні явища відбуваються за однаковими законами;

2)  швидкість поширення світла є сталою для всіх інерціальних систем відліку і не залежить від їх руху; вона є граничною у передачі будь-якої взаємодії чи поширенні імпульсу.

Буття матерії характеризується не тільки системністю, рухом, але й формами її існування - простором і часом. У чому ж суть простору і часу?

Простір - є форма буття матерії, що характеризує її протяжність, структурність, співіснування і взаємодію елементів у всіх матеріальних системах. Загальне розуміння простору формується у людини в емпіричному досвіді при характеристиці матеріального об'єкту або множини таких об'єктів, що займають різне положення в просторі.

Час - є форма буття матерії, що виражає тривалість ЇЇ існування, послідовність зміни станів у змінюванні і розвитку всіх матеріальних систем. У природно-науковій літературі поняття час нерідко вживається як синонім поняття тривалість. На це звертав увагу англійський фізик і філософ Ісаак Ньютон. Поняття час виникає з порівняння різних станів одного і того ж об'єкту, який змінює свої властивості.

Простір і час нерозривно зв'язані між собою. їх єдність проявляється у русі і розвитку матерії. Прагнення глибоко пізнати суть простору і часу пронизує усю матеріальну і духовну культуру людства. Невипадково ще в «Рамаяні», пам'ятнику духовного життя Стародавньої Індії, знання простору і часу віднесено до властивостей, що визначають гідність людини. Філософи і вчені розходилися в міркуваннях стосовно природи простору і часу та їх відносин до матерії.

Сформувалися два основні підходи: субстанціальний і реляційний.

Представники субстанціального підходу (Демокріт, Ісаак Ньютон) трактували простір і час як самостійні сутності, що діють поруч з матерією і незалежно від неї. Відносини між простором, часом і матерією мислилися як відносини між двома видами самостійних субстанцій. Звідси висновок про незалежність властивостей простору і часу від характеру матеріальних процесів, що відбуваються у них. За ними визнавалися такі властивості: абсолютність, універсальність і незалежність. Простір і час і матеріальні об'єкти лише тоді прикладалися один до одного, але не взаємодіяли, тобто знаходилися у відриві, в протиставленні. Виходячи з такої концепції, Ісаак Ньютон будував фізичну модель світу. Ньютонові розуміння сутності простору і часу справило суттєвий вплив на пізнавальну активність. Перші світоглядні послідовники І. Ньютона, застосувавши його ідеї до історичного процесу, обґрунтували згодом філософію механіцизму, що визнає механічні форми руху матерії єдино об'єктивними.

Реляційна концепція спершу як опозиція субстанціональній сформульована в працях Платона і Аристотеля, а в XX ст. у природознавстві набула явного наукового підтвердження. Прихильники реляційної концепції розуміють простір і час не як самостійні сутності, а як системи відносин, що утверджуються взаємодіючими матеріальними об'єктами. Поза такою системою взаємодій простір і час вважаються неіснуючими. Реляційна концепція припускає залежність властивостей простору і часу від характеру взаємодії речей, властивостей і відносин. Разом з тим, багато її положень все ще потребують природно-наукового обґрунтування. Положення змінилось із створенням теорії відносності. її висновки і положення змусили учених і філософів переглянути традиційні уявлення про простір і час і відмовитися від субстанціональної концепції.

Сформульована в 1916 році Альбертом Ейнштейном (1879-1955pp.) теорія відносності складається з двох зв'язаних між собою теорій: спеціальної теорії відносності і загальної теорії відносності. Спеціальна теорія відносності переконливо довела, що численні просторово-часові властивості, що вважалися незмінними, абсолютними, у дійсності виступають відносними, релятивними (латин. - relativus - відносний). У спеціальній теорії відносності втрачали абсолютний характер такі просторово-часові властивості, як довжина, часовий інтервал, одномірність. Усі ці властивості виявились залежними від взаємного руху матеріальних об'єктів. Положення про те, що те чи інше фізичне явище або той чи інший фізичний процес розглядається як система, що формує свої просторово-часові відносини, стало безумовним досягненням теорії. У ній просторові і часові характеристики залежать від визначення системи як об'єкту фізичного дослідження. Правильність положень реляційної концепції простору і часу отримана і в загальній теорії відносності. Тут принцип відносності поширений на неінерційні системи, що привело до встановлення тісної залежності метричних властивостей

простору - часу від гравітаційних взаємодій між матеріальними об'єктами. Спеціальна теорія відносності встановлює, що геометричні властивості простору-часу залежать від розподілу в них гравітаційних мас. Поблизу важких об'єктів геометричні властивості простору починають відхиляться від евклідових, а темп протікання часу сповільнюється. Отже, теорія відносності, по-перше, дала неспроможність поняття абсолютності часу і абсолютності простору; по-друге, розкрила залежність просторово-часових властивостей від характеру руху і взаємодії матеріальних систем; по-третє, показала неспроможність суб'єктивістських, апріорних уявлень сутності простору і часу. Сам Альберт Ейнштейн на питання про суть теорії відносності відповів: «Суть така: раніше вважали, що коли, яким-небудь чудом усі матеріальні речі раптом зникли, то простір і час залишились би. Згідно теорії відносності разом з речами зникли б і простір і час».

Основні властивості простору: протяжність, однорідність, ізотропність, тривимірність. Час характеризується тривалістю, одно-мірністю, незворотністю, однорідністю. І простір і час всезагальні і об'єктивні. *Протяжність простору проявляється у здатності тіл існувати одне поруч з іншим, а тривалість часу означає здатність тіл змінюватись у просторі і існувати одне після іншого. Тривимірність простору - фундаментальна його властивість, що емпірично констатується, яка виражається у тому, що положення будь-якого об'єкта можна визначити за допомогою трьох незалежних величин: довжини, висоти, ширини. Час — одномірний, тому що для фіксування положення, факту, події у часі достатньо однієї величини. У науці використовується поняття багатомірного простору з будь-яким числом вимірів. Поняття багатомірності простору - продукт математичної творчості і використовується для опису різних фізичних процесів. Однорідність простору означає відсутність яких-небудь виділених точок, а ізотропність - рівноправність усіх можливих напрямків руху. Час же має тільки властивість однорідності, що означає рівноправність усіх його моментів. Специфічна властивість часу - незворотність, тобто неможливість повернення в минуле. Час тече з минулого через теперішнє в майбутнє. Деякі філософи обґрунтовують зв'язок незворотності часу з незворотністю термодинамічних процесів і з дією закону зростання ентропії (перетворення). Існують також космогонічні підходи до обґрунтування незворотності часу. Виділяють об'єктивно-реальний час, функціональний і концептуальний. Об'єктивно-реальний час - це функція усіх без винятку матеріальних речей, явищ, процесів, що утворюється ними з моменту їх виникнення і до зникнення. Концептуальний - це час, що вимірюється: вимірювання водяними, сонячними, пісочними, механічними, атомними та іншими годинниками. Функціональний - реальний час, що утворюється завдяки послідовній зміні станів конкретних матеріальних об'єктів; при чіткому підході його можна виміряти лише ідеальним годинником, здатним точно повторювати ритми і тривалість, що утворюються при послідовній зміні станів матеріальних об'єктів і їх самих.

ІІІ. Підсумок уроку.

Домашнє завдання: §49. Вивчити конспект.