Урок 40. Движение, пространство, материя, время
Предмет: Естествознание, 10 класс

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. – 3-е 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/HASHad66b85a4897af25e87aad

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 массы-энергии. 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:

Утверждение

Правильный ответ и пояснение

А. При больших скоростях размеры тела зависят от скорости его движения.

Правильное утверждение. Согласно СТО размеры тела зависят от скорости его движения.

Б. Теория относительности опровергла законы классической механики

Неправильное утверждение. Теория относительности указала рамки, в которых представления классической механики оказываются справедливыми.

В. Взаимодействие между телами не может осуществляться мгновенно

Правильное утверждение. Согласно СТО скорость передачи взаимодействия не может превышать скорость света.

Правильный ответ: А, В.

2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Утверждение

Теория

1. Размер тела зависит от скорости его движения.

А. Классическая механика

Б. Специальная теория относительности

2. Масса тела всегда постоянная величина.

3. Два события являются одновременными независимо от системы отсчёта

Правильный ответ:1 – Б; 2 – А; 3 – А.

Утверждение

Теория

1. Размер тела зависит от скорости его движения.

Б. Специальная теория относительности

2. Масса тела всегда постоянная величина.

А. Классическая механика

3. Два события являются одновременными независимо от системы отсчёта

А. Классическая механика