Практическое занятие. 
Естествознание

Самое могущественное — эго время.

Оно поглощает все, попадающее в него.

Г. Гегель

План семинара

• 1. Пространство и время — формы существования материи.
• 2. Принципы относительности в классической механике.
• 3. Понятие пространства и времени в специальной теории относительности.
• 4. Основные положения общей теории относительности.

Методические советы и упражнения Основные понятия

Время — всеобщая объективная форма существования движущейся материи, являющаяся необходимым условием возникновения и изменения конкретных материальных систем и выражающая структурность, темп и длительность материальны процессов и объективную последовательность событий.

Инерциальная система — любая система отсчета, движущаяся прямолинейно и равномерно относительно первоначальной или покоящаяся и в которой выполняются законы классической механики.

Пространство — всеобщая объективная форма существования материи, являющаяся необходимым условием возникновения и движения конкретных материальных систем, выражает взаимное расположение материальных систем, их протяженность форму и структуру.

Принцип относительности выражает характер протекания событий, процессов природы в различных системах отсчета.

Преобразование Галилея — соотношение пространственных координат и времени в инерциальных системах отсчета согласно принципу относительности Галилея.

Преобразование Лоренца — соотношение пространственных координат и времени в инерциальных системах отсчета согласно принципу относительности Эйнштейна.

Система отсчета — способ, посредством которого каждому событию ставится в соответствие набор четырех чисел, из которых три — пространственные координат и одно временное.

Специальная теория относительности (СТО) выражает характер протекания событий, процессов природы в инерциальных системах отсчета, движущихся со скоростями близкими к скорости света.

Общая теория относительности (ОТО) выражает характер протекания событий, процессов природы в неинерциальных системах отсчета.

Принцип эквивалентности — утверждение о том, что в некоторой системе отсчета тяжелая и инертная масса эквивалентны.

Задачи и упражнения

1. Длина линейки, неподвижной относительно земного наблюдателя, 2 м. Каков длина этой же линейки, движущейся относительно его со скоростью, равной 0,5 скорости света? Скорость света принять равной 3* 10 ⁸ м/с.

2. Во сколько раз замедляется ход времени (по часам неподвижного наблюдателя) при скорости движения 27 000 км/с? Скорость света принять равной 310 ⁸ м/с.

3. Определить скорость движения протона в ускорителе, если масса протона возросла в 10 раз. Скорость света принять равной 310 ⁸ м/с.

4. Имеется два близнеца А и В в возрасте 20 лет. Один из них (В) отправляетс в космическое путешествие к звезде Арктур на корабле, летящем со скорость 0,99 скорости света. Для жителей Земли расстояние до звезды Арктур составляе 40 световых лет. Сколько лет будет близнецам А и В, когда В, закончив свое путешествие, вернется обратно на Землю?

Решение. С точки зрения близнеца Л, путешествие, чтобы долететь до звезды и обратно, займет 80 лет, т. е. когда В вернется, возраст А будет 20 + 80 = 100 лет.

С точки зрения близнеца, часы на космическом корабле будут идти медленнее в1/^И^ = 1/да = 1/0Д41разаЛ/^^ = 1/^ = 1/0,141раза.

Это значит, что за время путешествия на корабле пройдет 80 лет, умноженные на 0,141, или 11,4 года. Итак, к концу путешествия близнец В будет в возрасте 20 +В + 11,4 = 31,4 года. Следовательно, он окажется моложе своего брата, оставшегос на Земле, на 68,6 года. Космический путешественник не чувствует, что его время иде медленнее. В приведенном примере расстояние до звезды Арктур кажется близнецу В укороченным из-за лоренцевого сокращения. По его измерениям расстояние от Земли до звезды Арктур составляет д/1 — (0,99)² • 40 световых лет, или 5,64 световых года, а чтобы долететь до Арктура и вернуться обратно — 11,4 года. Этот результа согласуется с вычислениями близнеца А, оставшегося на Земле.

Тестовые задания.

• 1. Какое из понятий характеризует свойство времени?
• а) свойства материальных систем иметь определенную структуру;
• б) взаимное расположение материальных систем;
• в) длительность существования систем и развитие их фаз;
• г) способность занимать определенный объем.
• 2. Какое из определений нс выражает понятия «пространство»?
• а) взаимное расположение материальных систем;
• б) способность их занимать определенный объем;
• в) свойство материальных систем иметь определенную форму, структуру;
• г) порядок следования предметов, систем и развитие их отдельных фаз, сторон ступеней.
• 3. В специальной теории относительности:
  • а) время одномерное, пространство трехмерное;
  • б) пространство одномерное, время трехмерное;
  • в) пространство и время образуют единый четырехмерный континуум;
  • г) раздельно пространство имеет три измерения, а время — одно;
  • д) ни одно из них;В с) все они.
• 4. Понятие «событие» характеризует:
  • а) пространство;
  • б) время;
  • в) оба они в совокупности;
  • г) ни одно из них.
• 5. Какая система отсчета является инерциальной?
• а) движущаяся по инерции;
• б) движущаяся равномерно;
• в) движущаяся ускоренно;
• г) покоящаяся;
• д) покоящаяся и движущаяся равномерно;
• е) ни одна из них.
• 6. Какое свойство характерно и для пространства и для времени?
• а) однородность;
• б) изотропность;
• в) ни одно из них;
• г) оба эти свойства.
• 7. В какой теории сказано, что свойства пространства определяются массой материальных объектов и тел?
• а) в принципе относительности Галилея;
• б) принципе относительности Эйнштейна;
• в) специальной теории относительности;
• г) принципе эквивалентности;
• д) общей теории относительности.
• 8. Какими преобразованиями осуществляют переход от одной инерциально системы отсчета к другой в современной теории относительности?
• а) преобразованиями Галилея;
• б) преобразованиями Лоренца;
• в) преобразованиями Эйнштейна;
• г) преобразованиями Ньютона;
• д) ни одним из них.
• 9. В инерциальных системах отсчета, движущихся с большими скоростями, длин предмета:
  • а) увеличивается;
  • б) уменьшается;
  • в) не изменяется;
  • г) бесконечна;
  • д) равна нулю.
• 10. В инерциальных системах отсчета, движущихся с большими скоростями темп времени:
  • а) ускоряется;
  • б) замедляется;
  • в) не изменяется;
  • г) останавливается.
• 11. Какое из положений не относится к современной теории относительности?
• а) скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета;
• б) все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;
• в) пространство и время имеют абсолютный характер во всех инерциальны системах отсчета;
• г) все они выражают теорию относительности;
• д) пространство и время имеют относительный характер.
• 12. Абсолютность пространства и времени отвергается:
  • а) принципом относительности Галилея;
  • б) специальной теорией относительности;
  • в) общей теорией относительности;
  • г) ни одной из них;
  • д) всеми этими принципами.
• 13. С увеличением скорости движения частиц масса согласно теории относительности:
  • а) увеличивается;
  • б) уменьшается;
  • в) не изменяется;
  • г) становится равной нулю.
• 14. Что из перечисленного не входит в систему отсчета?
• а) тело отсчета;
• б) точка отсчета;
• в) система координат;
• г) прибор для измерения времени;
• д) скорость системы отсчета.
• 15. Связь между массой и энергией согласно теории относительности имеет вид:

^т2-

• а) Е-—.
• б) Е = mgh;

в) Е = т₀ с²;

у]1-и²/с² д) Е = тс².

Вопросы и задания для обсуждения

• 1. Что понимается под пространством и временем?
• 2. Приведите формулировку принципа относительности для законов механики.
• 3. Что нового вносит специальная теория относительности в прежний принци относительности классической механики?
• 4. Чем вызвана необходимость целостного описания пространства-времени?
• 5. Почему специальная теория относительности постулирует постоянство скорости света?
• 6. Как изменяется характер времени в движущейся и покоящейся специальны системах отсчета? Объясните, исходя из этого, парадокс близнецов.
• 7. Чем отличается поле тяготения от других физических полей?
• 8. В чем заключается единство и различие специальной и общей теории относительности?
• 9. Как была проверена правильность положений общей теории относительности?
• 10. Почему луч света искривляется вблизи тяготеющих масс?
• 11. Объясните, что представляет собой кривизна пространства.
• 12. К каким новым философским выводам приводит теория относительности?
• 13. Какова роль принципов относительности в объективных описаниях природы?

Тематика рефератов

• 1. Проблемы соотношения вещества и поля, материи и энергии.
• 2. Современные представления о пространстве и времени.
• 3. Специальная теория относительности.
• 4. Общая теория относительности.
• 5. Пространство, время и материя в контексте культуры: от мифов античност через теорию относительности к стандартной модели элементарных частиц.
• 6. Главные выводы специальной и общей теории относительности.

Литература

1. Гусейхапов, М.К. Концепции современного естествознания /М.К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. — М., 2009 — 540 с.

• 2. Философские вопросы естествознания. — М., 1974. — 284 с.
• 3. Эйнштейн, А. Эволюция физики / А. Эйнштейн, Л. Инфельд. — М., 1965. —В 342 с.
• 4. Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания. — М., 1997. — 288 с.
• 5. Горелов, Л.Л. Концепции современного естествознания. — М., 1997. — 342 с.
• 6. Гейзенберг, В. Физика и философия. — М., 1963. — С. 175—176.