Конспект урока Естествознание, 10 класс Урок 40. Движение, пространство, материя, время

Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 40. Движение, пространство, материя, время
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Какой опыт выявил противоречия с классическими
представлениями о пространстве и времени? Как теория относительности изменила наши взгляды
на пространство, время и материю? Что означает взаимосвязь пространства и времени и как она
проявляется? Какое значение для развития науки имеет теория относительности?
Глоссарий по теме:
Инерциальная система отсчёта – это система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: тело
в отсутствии взаимодействия с другими телами находится в состоянии покоя или равномерного
прямолинейного движения.
Принцип относительности Галилея – во всех инерциальных системах законы механики имеют
одинаковый вид.
Преобразования Галилея – в классической механике преобразование координат и времени при
переходе от одной инерциальной системы (неподвижной) к другой (движущейся относительно
первой равномерно и прямолинейно относительно оси Х).
Теория относительности – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные
свойства физических процессов.
Континуальная концепция (от лат. continuum – непрерывное, сплошное) – концепция, согласно
которой материя непрерывна (делима до бесконечности).
Корпускулярная концепция (от лат. corpusculum – тельце) – концепция, согласно которой
материя имеет дискретную (прерывистую) структуру и состоит из отдельных, предельно малых
частиц.
Дискретный (от лат. discretus – разделённый, прерывистый) – прерывистый, состоящий из
отдельных частей.
Субстанциальная концепция (от лат. substantia – сущность; то, что лежит в основе) –
концепция, согласно которой пространство и время рассматриваются как самостоятельно
существующее наряду с материей, как ее пустые вместилища, никак от нее не зависящие.
Реляционная концепция (от лат. relation – соотношение) – концепция, согласно которой
пространство и время не являются самостоятельными сущностями, а рассматриваются как особый
вид отношений между материальными объектами.
Концепция дальнодействия – концепция, согласно которой взаимодействие между телами
осуществляется на любых расстояниях через пустоту мгновенно, т.е. с бесконечно большой
скоростью.
Концепция близкодействия – концепция, согласно которой взаимодействие между телами
осуществляется с конечной скоростью через материального посредника, непрерывно
распределенного в пространстве.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю.
Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 178-180.
2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи.
Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 300-312.
3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и
квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+,
2000. – С. 90-115.
4. Эйнштейн А., Инфельд Л. Поле и относительность // Эволюция физики: развитие идей от
первоначальных понятий до теории относительности и квантов / А. Эйнштейн, Л. Инфельд. – СПб.:
Амфора, 2013. – С. 147-203.
Открытые электронные ресурсы по теме урока:
Научно-популярная статья: Теория относительности // Научно-популярный портал «Элементы
большой науки». URL: http://elementy.ru/trefil/43/Teoriya_otnositelnosti
Новая философская энциклопедия. Пространство.
URL: https://iphlib.ru/greenstone3/library/collection/newphilenc/document/HASHad66b85a4897af25e
87aad
Теоретический материал для самостоятельного изучения
О том, как устроен материальный мир, человек пытался понять с давних времён. Как Вы знаете,
ещё с античной эпохи существовало два подхода к объяснению природы. По одним
представлениям в основе всего, что существует, лежит непрерывная, однородная материя,
заполняя собой всё, она не оставляет пустоты. Это представление получило
название континуальное (от лат. continuum – непрерывное, сплошное). Представителем такого
объяснения материального мира был, например, древнегреческий философ Аристотель. Истоки
противоположной концепции, объяснявшей материальный мир как дискретный (от лат.
discretus – разделённый, прерывистый), структурный, состоящий из бесконечного числа
неизменных и неделимых частиц (атомов), движущихся в пустоте, связывают с учением
древнегреческого философа Демокрита. Надо сказать, эти представления о строении материи
неразрывно связаны с такими понятиями как движение, пространство и время. Так,
представления о дискретности материи приводили к пониманию пространства как пустого
вместилища, абсолютного и неизменного, в которое помещены атомы, меняющие в нём свое
положение в процессе движения, длящегося во времени. Пространство и время никак не связаны
ни с самими движущимися атомами, ни между собой. Такое представление о пространстве и
времени получило название субстанциональное (от лат. substantia – сущность) – время и
пространство – отдельные субстанции или сущности (как материя). А как же тогда представляется
пространство и время с противоположной позиции описания материального мира? Ведь если
материя непрерывна и заполняет собою всё пространство, то существует только пространство
заполненное материей, без материи пространство существовать не может (пустота не существует).
Движение материи рассматривается как происходящее с ней изменение, а время характеризует
последовательность состояний материальных объектов. Такое представление о пространстве и
времени получило название реляционное (от лат. relation – соотношение) – пространство и
время характеристики материи, и без неё существовать не могут.
В процессе познания человеком природы развивались и его представления о матери, движении,
пространстве и времени, однако, противостояние двух концепций, объясняющих материальный
мир, сохранялось в течение столетий. Успехи физики в познании определенных природных
явлений и процессов попеременно укрепляли позиции то одной, то другой концепции. Вплоть до
конца XVII века господствующее положение занимали континуальные представления,
интерпретированные в рамках аристотелевской философии. Следует отметить, что Аристотель,
будучи одним из выдающихся мыслителей античности, в своих трудах предпринял попытку
обобщить и систематизировать все накопленные к тому времени знания. Так, в руде «Физика»
философ излагает свои воззрения на природу и развивает концепцию движения, приводя его
формы и причины. При этом движение понималось достаточно широко – как любое изменение,
переход из одного состояния в другое.
Становление физики в XVII веке, ознаменованное экспериментами Галилея и созданием
Ньютоном основ классической механики, которая основывалась на представлениях о
дискретности материи и абсолютности пространства и времени, существенно укрепило позиции
атомистики. В то же время представление о непрерывности материи нашло свое отражение в
развитии концепции эфира и волновой оптики (Р. Декарт, Х. Гюйгенс).
Механическая физическая картина, которая вплоть до середины XIX века претендовала на статус
универсальной, рисовала материальный мир как слаженный механизм, запущенный однажды
создателем. Всё в этом мире может быть описано законами механики и жестко детерминировано.
В неизменном пространстве перемещаются абсолютно непроницаемые и неделимые частицы
(корпускулы, атомы), обладающие массой, и между которыми действуют силы, мгновенно
передающиеся через пустоту.
Подробнее остановимся на том, как в классической физике понималось пространство и время. В
рамках классических представлений пространство трехмерно. Чтобы описать положение тела или
материальной точки в пространстве необходимо выбрать систему координат и указать ее
координаты (х,у,z). Координаты, числа, определяющие положение тела в пространстве, зависят от
выбора системы координат, а расстояния между телами будут в разных системах координат
сохраняться. Пространство и время в классической модели существуют сами по себе – никак друг
с другом не связаны. Т.е. движутся часы в пространстве или нет, время они будут показывать
одинаковое. Также и измеренное расстояние будет одинаковым независимо от того в какой
интервал времени оно производится. Свойства тел, которые находятся в области пространства,
где производятся измерения времени и расстояния, никак не влияют на их результаты. Т.е.
пространство и время никак не зависят от свойств материальных объектов.
С XIX века механическая картина мира, объясняющая все явления механическими законами и
основывающаяся на дискретной модели реальности и концепции дальнодействия (мгновенная
передача взаимодействия через пустое пространство), стала сдавать свои позиции. Изучение
явлений электромагнетизма привело в середине XIX века к созданию Максвеллом новой теории –
теории электромагнитного поля. Описывая электромагнитное поле как непрерывный
материальный объект, а движение как распространение волн, эта теория укрепила позиции
сторонников континуальной концепции.
Однако, электродинамика Максвелла, доказавшая, что свет является волной, распространение
которой осуществляется со скоростью около 300000 км/с, не согласовывалась с принципом
относительности Галилея. По существующим тогда представлениям всё мировое пространство
заполняла всепроникающая тонкая среда, субстанция – эфир (от греч. aither – верхний слой
воздуха). Пытаясь обнаружить эфир и влияние движения Земли вокруг Солнца на скорость
распространения света, в 1887 году учёные Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели
эксперимент, основанный на интерференции волн. Обнаружить изменение скорости света не
удалось, она оставалась постоянной величиной, никак не зависящей от движения Земли вокруг
Солнца. Полученный результат – постоянство скорости света в разных системах отсчета,
противоречил закону сложения скоростей Галилея и классическим представлениям о
пространстве и времени.
Созданная Альбертом Эйнштейном теория относительности смогла согласовать электродинамику
Максвелла с принципом относительности Галилея. Однако это согласование стало возможным
только благодаря отказу от классических представлений о пространстве и времени –
независимости расстояния и течения времени от системы отсчёта. Теория относительности
кардинальным образом изменила представление о пространстве, времени, материи и движении.
Основываясь всего на двух постулатах – постоянстве скорости света во всех системах отсчёта и
неизменности физических законов при переходе от одной системы отсчёта к другой (их
инвариантности), Эйнштейну удалось установить взаимосвязь пространства и времени, их
относительность (зависимость от распределения и движения материи). В физику вошло
представление о четырёхмерном пространственно-временном континууме. Благодаря теории
относительности была установлена связь между массой и энергией, эквивалентность тяжёлой и
инертной массы и отклонение реальных свойств пространства от евклидовых («кривизна»
пространства) под действием гравитационных полей физических тел.
Теория относительности, описывающая пространственно-временные свойства физических
процессов, представляет собой два теоретических учения: специальную (частную) теорию
относительности (СТО) – рассматривает взаимосвязь физических процессов в инерциальных
системах отсчёта, и общую теорию относительности (ОТО) – рассматривает взаимосвязь
физических процессов в неинерциальных системах. Общая теория относительности является
релятивистской теорией гравитации.
Научные работы нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца и французского математика
Жюля Анри Пуанкаре внесли существенный вклад в развитие идей теории относительности.
Какие же свойства пространства и времени следуют из специальной теории относительности?
Во-первых, время перестало рассматриваться как абсолютное. Одновременность двух событий в
одной системе отсчёта не означает, что они будут одновременными в другой. Промежуток
времени между двумя событиями, протекающими в одной системе отсчёта, будет отличаться от
измеренного промежутка времени между этими же событиями в движущейся системе отсчёта.
Т.е. время, которое показывают часы, зависит от того движутся часы или находятся в покое, в
отличие от классических представлений, для которых это не имело значения.
Во-вторых, пространство также перестало рассматриваться как абсолютное. Расстояние между
двумя точками, измеренными в одной системе отсчёта, будет отличаться от расстояния,
измеренного между этими же точками в движущейся системе отсчёта. Размер тела будет зависеть
от того движется тело или находится в покое. Например, длина тела, измеренная в покоящейся
системе отсчёта, будет отличаться от его длины, измеренной в движущейся системе отсчёта.
Кроме того что, промежутки времени и промежутки расстояний зависят от системы отсчёта, они
еще связаны между собой. При переходе из одной системы отсчёта в другую изменение
промежутков расстояний и времени происходят таким образом, что, если временной параметр
увеличивается, то пространственный при этом сокращается. Эту взаимосвязь описывают с
помощью четырехмерного пространства-времени.
Для перехода из одной инерциальной системы отсчёта в другую в теории относительности
используются преобразования Лоренца, вместо преобразований Галилея, справедливых для
классической механики. Релятивистские эффекты проявляются при очень больших скоростях. При
скоростях много меньше скорости света преобразования Лоренца переходят в преобразования
Галилея.
В классической физике масса считалась величиной постоянной, т.е. движется тело или нет, его
масса всегда одинакова. Согласно теории относительности масса тела не остается постоянной, а
зависит от скорости. С увеличением скорости масса увеличивается. При этом при приближении
скорости тела к скорости света, его масса стремится к бесконечности.
Кроме того, если в классической физике масса и энергия рассматривались раздельно, то теория
относительности связала массу с энергией знаменитой формулой: E = mc2. Т.е. даже покоящееся
тело обладает энергией – энергией покоя. Энергия покоящегося тела пропорциональна его массе
покоя. При движении тела его масса и энергия увеличиваются.
Закон сохранения массы и закон сохранения энергии, отдельно рассматриваемые в классической
физике, были теорией относительности объединены в один закон – закон сохранения массыэнергии. При изменении энергии системы изменяется и ее масса: ∆m = ∆E/c2.
Таким образом, согласно теории относительности одновременность событий, расстояния и
промежутки времени не являются абсолютными, а зависят от системы отсчета. Эта связь
проявляется в том, что при переходе из одной системы отсчёта в другую временные и
пространственные промежутки изменяются. При этом эти изменения взаимосвязаны, т.е. если
временной промежуток между событиями увеличивается, то пространственный сокращается.
Эффекты изменений временных промежутков и расстояний объясняются на основе
представления о четырехмерном пространстве-времени (пространственно-временной
континуум). Удлинение временных промежутков и сокращение расстояний оказывается
пропорционально коэффициенту
,
где v – скорость системы отсчета, а c – скорость света.
В любых доступных человеку системах отсчета этот коэффициент оказывается очень близким к
единице. Именно поэтому опыт, накопленный в период развития физики до XX в., не позволял
выявить данные свойства пространства и времени.
В заключение отметим, что теория относительности, изменив наши представления о пространстве
и времени, не опровергла прежние представления. Новые свойства пространства, времени и
материи проявляются лишь при очень больших скоростях. Теория относительности указала рамки,
в которых прежние представления оказываются справедливыми. Данный факт
называется принципом соответствия, согласно которому вновь возникающие теории не
опровергают предшествующие теории, а лишь определяют границы их применения.
Выводы.
1. Классическая физика основывается на дискретной модели реальности и концепции
дальнодействия, согласно которой взаимодействие между телами передается через пустое
пространство мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Пространство и время считаются
абсолютными, независимыми от друг от друга и от материальных процессов, в них протекающих.
Переход от одной системы отсчёта в другую осуществляется с помощью преобразований Галилея.
2. Теория относительности основывается на континуальной модели реальности и концепции
близкодействия, согласно которой взаимодействие между телами осуществляется с конечной
скоростью через материального посредника, непрерывно распределенного в пространстве.
Материальным посредником является поле, а скорость взаимодействия ограничивается
скоростью света. Пространство и время считаются относительными, они связаны друг с другом и
зависят от материи. Связь между пространством и временем описывается четырех мерным
пространственно-временным континуумом. Переход от одной системы отсчёта в другую
осуществлялся с помощью преобразований Лоренца.
3. Постулаты специальной (частной) теории относительности:
1. Физические законы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и
равномерно друг относительно друга (инерциальные системы отсчёта).
2. Скорость света в вакууме остается неизменной в любой инерциальной системе отсчёта (не
зависит ни от скорости источника света, ни от скорости приемника светового сигнала).
4. Согласно теории относительности удлинение временных промежутков и сокращение
расстояний оказывается пропорционально коэффициенту
,
где v – скорость системы отсчета, а c – скорость света.
В любых доступных человеку системах отсчета этот коэффициент оказывается очень близким к
единице.
5. Теория относительности связала массу с энергией: E = mc2. Даже покоящееся тело обладает
энергией – энергией покоя. При движении тела его масса и энергия увеличиваются. Закон
сохранения массы и закон сохранения энергии в теории относительности объединены в один
закон – закон сохранения массы-энергии. При изменении энергии системы изменяется и ее масса:
∆m = ∆E/c2.
6. Теория относительности, изменив представления о пространстве и времени, не опровергла
законы классической физики. Новые свойства пространства, времени и материи проявляются
лишь при очень больших скоростях. Теория относительности указала рамки, в которых
представления классической физики оказываются справедливыми. Теория относительности дает
более точную по сравнению с классической механикой модель существующей реальности.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Укажите верные утверждения:
Правильный ответ: А, В.
2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого
столбца подберите соответствующую позицию второго.
Правильный ответ:1 – Б; 2 – А; 3 – А.