2. Методика вивчення теми: «Елементи теорії відносності»

В школі вивчають лише деякі основні положення спеціальної (окремої) теорії відносності. Питання загальної теорії відносності зовсім не розглядають.

Спеціальна теорія відносності (СТВ) — це нове, сучасне вчення про простір і час, що прийшло на зміну клас. уявленням. Закони фізики описують, як відбувається те чи інше фізичне явище. Але всяке явище відбувається в просторі й часі. Тому СТВ— найважливіша загальнофізична теорія.

Через обмеженість часу в шкільному курсі фізики неможливо показати все багатство змісту СТВ. Тому треба так побудувати вивчення її основ, щоб учні зрозуміли найголовніше: неминнучість відмови від клас. уявлень про простір, час і рух; експериментальну обгрунтованість постулатів СТВ і логічність висновків з ідеї теорії; відповідність між класичним і релятивістським описом руху.

Ознайомлення з основами СТВ завершує тривалу роботу з формування поняття про відносність руху під час вивчення механіки, електродинаміки й оптики. У свою чергу, висновки СТВ використовують потім, коли вивчають елементи квантової теорії, будови атомного ядра. елементарних частинок. Більшу частину питань теорії ВІДНОСНОСТІ вивчають в ознайомлювальному плані. Обов'язковими для засвоєння є питання про граннчність. швидкості світла, відносність маси, співвідношення ніж масою та енергією.

Принцип відносності Ейнштейна

Під час вивчення фіз. явищ насамперед слід обрати с-му відліку, відносно якої визначаються шв., прискорення і форма траєкторії рухомих тіл, Вивчаючи механіку, ми переконалися, що всі мех. явища відбуваються однаково в усіх інерціальннх системах відліку за однакових початкових умов, Цей висновок дістав назву механічного принципу відносності. Його часто формулюють ще так: жодними мех. дослідами всередині с-ми не можна встановити, перебуває в спокої інерц. с-ма чи рухається рівномірно і прямолінійно. Інакше кажучи, рівном прямол рух с-ми ніяк не впливає на мех явища в ній. Так, н-д, у салоні сучасного пасажирською літака, який летить зі шв 800— 1000км/год всі мех явища відбуваються так само, як і в літаку, який стоїть на аеродромі.

Звідси , що з-ни Ньютона мають один і той самий вигляд в усіх інерц с-мах відліку. Отже, з інерц систем відліку може бути взята умовно за нерухому і використана для опису мех. явищ. Нагадаємо, що коли тіло рухається відносно інерц с-ми зі шв , сама с-ма рухається зі шв відносно нерухомої с-ми, то швидкість тіла відносно нерухомої с-ми = .

Це співвіднош. наз з-ном додавання шв. Галілея (або клас з-ном додмання швидкостей).

Постулати спец. теорії відносності.

Розглядають сутність критичної ситуації, яка склалася у фізиці після того, як Максвелл створив свою теорію ел-магн поля. Суть справи полягає в принциповій неможливості «примирити» (тобто об'єднати) в межах єдиної, без вн суперечностей, науки механіку Ньютона та ел.-динаміку Максвелла. Висновки механіки Ньютона і висновки ел.-динаміки підтверджені експериментально. Суперечність між цими двома найважливішими вченнями виявилась у «непідпорядкуванні» шв світла у вакуумі клас правилу «+» шв., що відображає просторово-часові уявлення, що лежать в основі клас. фізики.

Далі аналізують можливі шляхи розв'язання кризи. Дуже важливо підкреслити, що експеримент із 3-х розглянутих у підручнику можливостей залишає єдину — саме ту, яка привела Ейнштейна до створення теорії відносності.

Далі вивчають постулати теорії відносності і показують, що визнання цих постулатів приводить до перегляду уявлень про простір і час, і насамперед до перегляду поняття одночасності подій.

Вони (постулати теор відносності) формулюються так:

1. За допомогою фіз дослідів (мех, ел, оптичних тощо), виконаних в деякій інерц с-мі відліку, неможливо встановити, перебуває ця с-ма в спокої чи рухається рівном. і прямол, інакше кажучи, всі фіз явища відбуваються в усіх інерц с-мах відліку зовсім однаково і в усіх інерц с-мах відліку фізичні закони мають однаковий вигляд.

2. Швидкість світла у вакуумі однакова в усіх інерц с-мах відліку і не залежить ні від руху джерела світла, ні від руху спостерігача.

1-й пост Ейнштейна виражає принцип відносності, який є узагальненням мех принципу відносності на фіз процеси і явища, у тону числі ел-магн. Його справедливість підтверджена численними дослідами, що ставилися з метою виявити вплив орбітального руху Землі на закономірності ел.-магн. явищ. Усі ці досліди показали, що рух Землі не впливає на їх перебіг. Таким чином, пр відносності Ейнштейна встановлює повну рівноправність усіх інерц систем відліку.

2-й пост так само підтверджений експериментально. Однак, враховуючи величезне значення теорії відносності, її постулати і нині підлягають усе точнішим експериментальним перевіркам і використанням найновіших приладів і методів дослідження.

2-й пост Ейнш. сам по собі виявився не таким вже й несподіваним. Незалежність шв. світла від шв. джерела випливала з ел.-магн теорії Максвалла (це заг. вл. хвильового руху. Шв. хвиль на поверхні води відносно води чи звукових хвиль відносно повітря також не залежить від шв. джерела), Але якщо врахувати 1-й пост — пр. рівноправності інерц с-м, то дістанемо несподіваний висновок:

Шв. світна у вакуумі однакова в усіх інерц. с-мах відпіку, тобто є абсолютною, а не відносною величиною.

Цей, підтверджений дослідами факт сталості шв. світла, спричинив потребу докорінного перегляду звичних для нашого мислення уявлень про простір і час, оскільки вони суперечили цьому принципу.

Релятивістський закон додавання (перетворення) швидкостей.

Доцільно розібрати з учнями, чи ножна поєднати відносність довжини і проміжку часу з класичним правилом додавання швидкостей.

Далі вводять релят-ку формулу перетворення шв. для одновимірного руху і показують, що ця формула виражає факт граничності шв. світла у вакуумі. Це можна зробити на конкретному прикладі, запропонувавши визначити шв однієї ракети відносно іншої, якщо перша летить відносно Землі зі швидкістю, близькою до с, а друга має відносно Землі таку саму за модулем швидкість, але напрямлену в протилежний бік.

Зв'язок між масою і енергією.

Вивчають найважл. висновок цієї теорії - зв'язок між масою та Е. Урок можна побудувати за таким планом.

1. Установлюють відносність кінет. Е. Відомо, шо в клас. фізиці відносність кінет. Е є безпосереднім висновком відносності швидкості.

У СТВ питання про відносність кінет. енергії розв'язують так:

У с-мі спокою маса min, шв. = 0 й кінет. Е також =0. У іншій с-мі відліку кінет. Е тіла більша, ніж у с-мі спокою.

2. Пропонують встановити залежність між збільшенням маси і збільшенням кінет. Е. Показують, що при справджується співвідношення: або

3. Повідомляють учням, що ця залежність між (дефект маси) і відображає загальніший зв'язок ніж масою та Е: .

Вводять поняття Е спокою і підкреслюють її абсолютність.

4, На основі розв'язання конкретної задачі роблять висновок, що маса помітно змінюється лише при дуже великих змінах Е, наприклад в ядерних реакціях

А. Ейнштейн показав, що співвідношення є справедливим для виду Е. Воно дістало назву закону Ейнштейна про взаємозв’язок маси й Е. Цей закон є одним з найважливіших законів сучасної фізики. Ядерна техніка, фізика прискорювачів і елем. частинок були б неможливими без існування закону про взаємозв'язок маси й Е. Наука й техніка нагромадили величезну кількість експериментальних фактів, які з високим ступенем точності підтверджують закон Ейнштейна.

13.3 Задача

У посудині де знаходиться кисень стався електричний розряд. Весь кисень перетворився на озон, а температура зросла у 2 рази. Як змінився тиск? Вважати об’єм посудини незмінним.

14.1. Природа електричного струму в різних середовищах. Основні положення квантової електронної теорії. Власна та домішкова провідність напівпровідників.

Електричним струмом називають упорядкований рух електричних зарядів. Заряджені частинки, упорядкований рух або дрейф яких в даній речовині створює струм називають носіями заряду.

У металах і напівпровідниках струм створюють рухомі вільні електрони, в електролітах -позитивні та негативні іони, в іонізованих газах - електрони і позитивні і негативні іони. Речовини, що проводять електричний струм, називають провіниками або напівпровідниками. До провідників належать метали, електроліти та плазма. Метали іноді називають провідниками першого рову, а електроліти -провідниками другого роду.

Електричний струм у металах. Для пояснення електронного характеру провідності металів припустимо, що атоми в металі частково дисоційовані на електрони і позитивні іони, внаслідок чого утворюється велика кількість вільних електронів. Такими електронами є валентні електрони атомів металу, які найслабше зв'язані з ядрами атомів. У металах валентні електрони легко переходять від одного атома до іншого.

Електричний струм у електролітах. За хімічним складом розрізняють однокомпонентні (чисті) рідини, дво- або багатокомпонентні суміші (розчини). Чисті рідини є переважно діелектриками (вода, спирти). Зумовлено це тим, що чисті рідини складаються з нейтральних атомів або молекул, їхні заряди зв'язні в атомах і неможуть брати участі у створенні струму. Серед дво- і багатокомпонентних сумішей виділяють електроліти - речовини, які мають іонний механізм провідності. Утворення в електролітах іонів, носіїв заряду, зумовлене електролітичною дисоціацією - явище розпаду речовини на різнойменно заряджені іони під дією розчинника. Упорядкований рук іонів (струм) в електролітах відбувається під дією електричного поля, яке створюється джерелом струму, під'єднаним до електродів, опущених в електроліт (відбувається електроліз).

Електричний струм у газах. Гази на відміну від металів і електролітів за звичайних умов складаються з електрично нейтральних атомів та молекул і тому не є провідниками електрики. Щоб газ став провідником, треба внести або створити в ньому вільні носії заряду. Це можна зробити шляхом іонізації газу, яка можлива під впливом космічного, рентгенівського і або радіоактивного проміння, через зіткнення атомів зі швидкими електронами або іншими елементарними частинками, під час нагрівання газу. В таких випадках відбувається відщеплення з електронної оболонки атома або молекули одного чи кількох електронів . Цей процес називають іонізацією.

Основні положення класичної електронної теорії.

1. Метал як кристалічно тверде тіло є системою позитивних іонів і вільних електронів. Кристалічну гратку утворюють розташовані правильними і жорсткими рядами іони, які здійснюють теплові коливання навколо положення рівноваги (вузлів кристалічної гратки). Всередині іонної гратки хаотично рухаються електрони, створюючи електронний газ.

2. Електронний газ вважається ідеальним газом, взаємодію між електронами можна знехтувати, враховується тільки взаємодія з іонами гратки. 3.Електронний газ підлягає законам одноатомного ідеального газу. Середня довжина вільного пробігу електрона не залежить від його швидкості хаотичного руку. Середня кінетична енергія теплового руху, що припадає на один електрон , де - маса електрона, - стала Больцмана, - абсолютна температура металу.

Внаслідок хаотичного руху електронів у разі відсутності електричного поля в металі немає домінуючого напрямку переміщення зарядів. В електричному полі в середині металу на тепловий рух електрона накладається впорядкований рух у напрямку, протилежного до напрямку напруженості електричного поля.

5. Електрон набуває енергії впорядкованого руху під дією зовнішнього електричного поля тільки на шляху вільного пробігу. Між електроном і іоном відбувається не пружне зіткнення і електрон передає іонній гратці енергію впорядкованого руху, внаслідок чого виділяється теплота і метал нагрівається.

Розрізняють власні і домішкові напівпровідники. Хімічно чисті напровідники називають власними напівпровідниками, типовими є елементи IV групи періодичної системи елементів Менделєєва. їх електропровідність називають власною провідністю. У власних напівпровідниках спостерігаються два механізми провідності - електронний і дірковий. Концентрація електронів у зоні провідності дорівнює концентрації дірок у валентній зоні, оскільки кількість дірок відповідає кількості електронів, які перейшли в зону провідності. Провідність напівпровідників може бути збудженою, тобто з'являється під впливом зовнішніх факторів (нагрівання, опромінення світлом або іонізуючим випромінюванням). Провідність власних напівпровідників, зумовлену електронами, називають електронною провідністю або провідністю п-типу. У зовнішньому полі електрон валентної зони може переміститись на місце дірки не вищому сусідньому рівні, а дірка з'явиться на тому місці, звідки вийшов електрон. Такий процес заповнення дірок електронами рівноцінний переміщенню дірки в напрямі поля. Провідність власник напівпровідників, зумовлену квазічастинками - дірками, називають дірковою провідністю або р- тину.

Введення домішок в напівпровідниковий кристал істотно впливає на електричні властивості напівппровідника. Під домішками розуміють атоми чи іони сторонніх елементів у вузлах основного кристала та порожні вузли та механічні дефекти. Атоми домішки, які постачають електрони провідності в кристалах, називають донорами. У напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю більша від валентності основних атомів, - тільки один вид носіїв заряду - електрони. Напівпровідники з такою провідністю називають електронними або п – типу. Атоми домішки, що приймають електрони основного кристала і вони не беруть участі в електропровідності, називають акцепторами. У напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одиницю менша від валентності основних атомів, є тільки один вид носіїв заряду-дірки. Провідність у цьому разі називають дірковою, а напівпровідник з дірковою провідністю – напівпровідником р - типу.