Слайд 1ПРОСТРАНСТВО – порядок существования объектов
ВРЕМЯ - порядок смены явлений
Метрические
свойства: протяженность и длительность
Топологические свойства: однородность, изотропность, непрерывность, размерность и
связность.
ТЕМА 1. Пространство, время,
движение
Слайд 2Топологические свойства
Однородность – нет выделенных точек пространства, т.е. параллельный перенос
и поворот не изменяют вид законов природы.
Изотропность – в пространстве
нет выделенных направлений, и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы.
Непрерывность – между двумя различными точками пространства всегда есть еще хотя бы одна.
Размерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – координат.
Связность – нет двух (или более) «времен» и «пространств».
Слайд 3Свойства Пространства и Времени выявляются при изучении физических процессов таких
как механическое движение, электромагнитные явления и т.д.
Физической теорией Пространства и
Времени является
теория относительности
Слайд 4Пространственные масштабы и размеры от Мегамира до мира микрообъектов (в
метрах).
Радиус космологического горизонта или видимой нами Вселенной
Диаметр нашей Галактики
Расстояние
от Земли до Солнца
Диаметр Солнца
Размер Человека
Длина волны видимого света
Размер вирусов
Диаметр атома водорода
Диаметр атомного ядра
Минимальное расстояние, доступное сегодня нашим измерениям.
Слайд 5
Метр – единица длины, равная расстоянию, которое проходит
свет в вакууме
за время
1/299 792 458 с.
С 1889 по 1960 г в
качестве единицы длины использовалась одна десятимиллионная часть расстояния, измеренного вдоль Парижского меридиана от Северного полюса до экватора, – метр (от греч. metron – мера)
Слайд 6Методы оценок размеров и расстояний
Стоячие электромагнитные волны оптического диапазона (100
– 10-7 м)
Оценка сечения рассеяния элементарных частиц (электронов, нейтронов и
т.д.)
Расстояние от Земли до Солнца в 1 а.е. (1 а.е ≈ 1,5∙108 км); свет преодолевает это расстояние за 8,5 мин.
Расстояния в мире звезд – в световых годах ( 1св.год ≈ 9,5∙1012 км) – методы триангуляции и радиолокации.
Расстояния в мире Галактик (только для самосветящихся объектов) оцениваются по их сравнительной яркости.
Для больших расстояний –эффект Доплера (зависимость частоты света от скорости излучающего объекта)
Слайд 7Определение расстояний до близких звезд (годичный параллакс).
L
a
R
Зима
Лето
Измерение расстояния L до
Звезды
методом триангуляции;
в качестве известной стороны
треугольника используется
радиус орбиты Земли.
Слайд 8зима
лето
Измерение расстояния L до
Звезды методом триангуляции;
в качестве известной стороны
треугольника используется
диаметр орбиты Земли.
Слайд 9Временные масштабы во Вселенной.
Возраст Вселенной 1018 с ≈ 13,7
млрд. лет
Возраст Земли 1017 с ≈ 4,5 млрд.лет
Существование жизни
на Земле 7,5∙ 1016 с ≈ 3 млрд.лет
Время существования человечества 1014 с ≈ 3,5 млн. лет
Время появления первобытного человека 5∙1013 с ≈ 3,2млн.лет
Средняя продолжительность жизни человека 2∙109 с ≈ 65 лет
Год 3,15∙107 с
Сутки 8,64∙104 с
Период колебаний звуковой волны 10-3 с
Период колебания радиоволны 10-6с
Период колебания молекул 10-12 с
Период колебания атома 10-12 с
Период колебания ядра 10-21 с
Слайд 10ВРЕМЯ
- для измерения нужен периодический процесс
Слайд 11Тропический год — промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра
Солнца через точку весеннего равноденствия.
Т = 365,24220 суток.
Солнечные сутки -
время полного оборота Земли вокруг оси относительно Солнца; промежуток времени между двумя последовательными верхними
или нижними кульминациями Солнца.
Слайд 12Первые карманные часы появились в 1524 году, но были запатентованы
только в 1675 году Гюйгенсом.
Долгое время на них была
только часовая стрелка – у наших предков было много
времени, встреча в 10 часов могло означать 9:45 или 10:15. Минутная стрелка появилась на них лишь в XIX веке, а секундная – на рубеже XIX и XX века и считалась поначалу никому не нужной вещью…
Слайд 14Методы оценки временных интервалов
Возраст Вселенной – оценка с помощью микроволнового
анизотропного зонда
Возраст Солнечной Системы – по полураспаду урана
Времена, сравнимые с
возрастом Земли, – по радиоактивному распаду углерода
Суточное вращение Земли
Биение человеческого сердца
Колебания маятника
Колебания кристаллической решетки – кварцевые часы
Движение электронов в атоме цезия – атомные часы.
Слайд 15Метод радиоактивного распада углерода 14C
Слайд 16Основные этапы развития естествознания
Естествознание древнего и средневекового мира (от
античных философов до середины XVI века)
2. Классический период развития
естествознания
(от экспериментальных работ итал. уч. Галилея до конца XIX века)
Современное естествознание
(с начала XX века и до наших дней)
Слайд 19Античные философы – геоцентрическая система Мира
Пифагор
580 – 500 г.г.
до н.э.
Демокрит
460
– 370 г.г.
до н.э.
Аристотель
384 – 322 г.г.
до н.э.
Архимед
287 -
212 г.г.
до н.э.
Клавдий Птолемей
90 – 168 г.г. н.э.
Слайд 21Геоцентрическая система Мира (Птолемей)
Слайд 25Борцы за гелиоцентрическую систему
Леонардо да Винчи
1452 - 1519 г.г.
Николай Коперник
1473
- 1543 г.г.
Джордано Бруно
1548 - 1600 г.г
Иоганн Кеплер
1571 - 1630
г.г.
Галилео Галилей
1564 - 1633 г.г.
Слайд 26Достижения гелиоцентрической системы
Т2/R3 = const
Слайд 27В древнегреч. натурфилософии проблема механического движения и взгляды на природу
в целом сводились к исследованию причин,
были строго детерминированы (т.е. причинно
обусловлены).
Все, происходящее в мире, имеет свою причину и приводит к определенному результату.
Детерминизм не оставляет место Случаю.
Лаплассовский детерминизм: будущее полностью определено настоящим.
Слайд 28Механическое движение – это простейшая форма движения
Под механическим движением понимают
изменение положения тел относительно друг друга за время наблюдения. Характер
движения зависит от того, относительно какого тела оно рассматривается.
Классический период – основой познания является опыт, эксперимент
Слайд 31Принцип относительности Галилея
«Любой процесс протекает одинаково в изолированной
материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же
системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения относительно покоящейся системы.»
Системы отсчета , движущиеся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, называются инерциальными.
Слайд 34Второй Закон Ньютона
Закон Всемирного тяготения
G = 6,67·10
-11
м /кг·с
3
2
-
гравитационная постоянная
-
g = 9,819 м/с² -
- ускорение свободного падения
Ньютон
Исаак , 1643 – 1727 г.г.
Слайд 36где T - кинетическая энергия, а W - потенциальная энергия
Закон
сохранения энергии
Слайд 37Закон сохранения энергии (для консервативных) систем отражает такое свойство Времени
как его однородность и является следствием симметрии сдвига во Времени
Слайд 39Закон сохранения импульса связан с однородностью Пространства и является следствием
симметрии относительно параллельного переноса в пространстве
P = mV
Слайд 40Закон сохранения момента импульса для вращательного движения связан с изотропностью
Пространства, т.е его одинаковость во всех направлениях, и является следствием
симметрии относительно поворотов в пространстве
L= Jω,
где L – момент импульса,
J - момент инерции,
ω - угловая скорость
Слайд 41Со времени Ньютона и до появления теории относительности (1905 г.)
Время и Пространство мыслились
во-первых, как независимые одно от другого понятия,
во-
вторых, как некие идеальные «математические», абстрактные и не зависящие от физических объектов и процессов «вместилища» тел и событий.
Считалось, что Пространство и Время абсолютны, т.е. не зависят от наличия материальных тел или протекающих процессов и наблюдателей.
Слайд 42Современное естествознание
(с начала XX века и до
наших дней)
Третий этап развития естествознания:
Слайд 43Электростатика (закон Кулона) – это случай взаимодействия покоящихся зарядов.
Магнетизм
(Закон Ампера) – это взаимодействие движущихся с постоянной скоростью зарядов.
(Магнитное поле вызывается движущимися зарядами и действует на движущиеся заряды.)
Уравнения электродинамики Максвелла
Поводом для появления теории относительности и пересмотра
представлений о Пространстве и Времени было следующее:
Джеймс Кларк Максвелл -
англ. физик (1831 – 1879)
Слайд 44 Анг.физик М.Фарадей - первый выдвинул идею поля, которое
распространяется с конечной скоростью в пространстве и взаимодействует с веществом.
Экспериментальным путем установил, что изменяющееся во времени магнитное поле может порождать электрическое (закон электромагнитной индукции).
Нем. физик Г.Герц – дал первое экспериментальное подтверждение теории электродинамики. В 1887 г. создал генератор электромагнитных волн.
(1791-1867 гг..)
(1857 – 1894 гг..)
Слайд 46ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА
2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью
3.
В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей.
4. Электромагнитные волны переносят энергию.
1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени и создаюшие электромагнитное поле.
Электромагнитные волны поперечны – векторы их перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны
Слайд 48Однако уравнения Максвелла демонстрировали:
1. неприменимость к законам электромагнетизма принципа
относительности, разработанного классической физикой. Они не были инвариантными относительно преобразований
Галилея.
(инвариантность,т.е неизменность и независимость какой – то величины или свойства относительно некоторых преобразований)
Слайд 502. Уравнения Максвелла предсказывали,
что радиоволны и свет должны распространяться
с некоторой фиксированной скоростью.
В какой системе отсчета скорость света имеет
значение, предсказанное теорией, и относительно чего эта скорость фиксирована?
Слайд 51Опыт Майкельсона – Морли устанавливает независимость скорости распространения света от
орбитального движения Земли и тем самым опровергает гипотезу о «неподвижном
эфире»
(1852-1931)
Слайд 52Поле – это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью
в пространстве, взаимодействует с веществом.
Дальнодействие (Ньютон) - непосредственное действие
тел на любом расстоянии (тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту). Например, силы всемирного тяготения.
Близкодействие (короткоде́йствие) (Декарт - вихри): взаимодействия передаютcя с помощью материальных посредников и с конечной скоростью. Например, для случая электромаг. взаимодействий таким посредником является электромагнитное поле.
Слайд 53СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО).
ПОСТУЛАТЫ ЭЙНШТЕЙНА
Принцип относительности (или релятивистский
принцип) остается в силе для всех без исключения фундаментальных взаимодействий
Скорость
света в вакууме одинакова во всех системах отсчета или, что тоже самое – не зависит от скорости движения источника света или приемника света. (с = 299 792 км/с = 2.99792 108 м/с
300 000 км/c).
Слайд 54Два наблюдателя, А и Б,
рассматривающие зонтик
М. Эшер (гол.худ.)-
Парадокс «относительности» (три силы тяжести)
Слайд 55
Следствия постулатов СТО
:
В движущейся системе отсчета должно происходить замедление
скорости течения времени.
События , происходящие в разных точках пространства
, могут быть одновременными в одной инерциальной системе и не быть одновременными в другой.
Отсутствие абсолютных длин (расстояний)
Слайд 56ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА
сокращение длины
удлинение временных промежутков
увеличение массы
где,
,
t,
m
-длины, интервалы времени
и массы в движущейся
системе, а те же с индексом «0»
- в покоящейся
Слайд 57Удлинение временных промежутков
K' → K K → K'
Пусть в (∙) x ' системы K‘ происходит
процесс длительностью
(собственное время), где
и
показания часов в K‘ в начале и
в конце процесса, тогда длительность этого процесса в системе K
Слайд 58Относительность одновременности событий
Световой импульс достигает концов стержня одновременно в
системе отсчета K‘ и не одновременно в системе отсчета K
Слайд 59«Что такое теория относительности?» — короткометражный научно-популярный фильм, снятый режиссёром С.
Райтбуртом на Втором творческом объединении киностудии «Моснаучфильм» в 1964 году
Алла
Демидова — учёный-физик
Георгий Вицин — актёр
Алексей Грибов — актёр
Алексей Полевой — актёр
Георгий Тусузов — пассажир
ru.wikipedia.org
Слайд 60эквивалентность массы и энергии
Полная энергия тела равна произведению его
релятивистской
массы на квадрат скорости света
Реакция аннигиляции: e+ + e-
=2g
E = mec2 = hu
А.Эйнштейн
1879 – 1955 г.г.
Слайд 61Пространственно-временной континуум Минковского
Наблюдаемые события происходят от
прошлого к будущему. Это качественно отличает временное измерение от пространственного.
Для любого наблюдателя в данной точке пространства последовательность событий сохраняется. Понятия «прошлое» и «будущее» в данной точке пространства есть понятия абсолютные. Направленность времени связана с пониманием причинности: причина должна предшествовать следствию.
Слайд 62Пространственно-временной интервал – отражает абсолютный характер пространственно - временных связей
Пространственно-временной
интервал между двумя событиями не изменяется при переходе
из одной
инерциальной системы в другую.
Протекание физических процессов носит объективный характер и не зависит от системы отсчета
x2 + y2 + z2 = c2t2
S = 0
S' = 0
Для любых двух событий, связанных между собой световым сигналом, интервал равен нулю
Слайд 64В общей теории относительности рассматривается связь между телами и свойствами
пространства.
Наличие массивного тела приводит к искривлению пространства и как
следствие, к возникновению сил гравитации. Кривизну пространства и искривление пространства можно заметить опытным путем.
Слайд 65Экспериментальные подтверждения ОТО
1. Прецессия эллиптических орбит планет, движущихся в
поле сферических тел (зарегистрирована у ближайшей к Солнцу планеты –
Меркурия)
Слайд 662. Отклонение луча света в поле Солнца
Проверка ОТО стала
возможна благодаря полному солнечному затмению 1919 г.
Эддингтон показал, что
свет от звезды искривлялся вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО. Явление неоднократно было подтверждено астрономическими наблюдениями звёзд в процессе затмений Солнца, а также с высокой точностью проверено радиоинтерферометрическими наблюдениями квазаров.
Истинное
положение Звезды
Видимое
положение Звезды
Земля
Солнце
3.
Слайд 674. Запаздывание сигнала в поле Солнца (радиолокационное прохождение сигнала).
Гравитационное
замедление времени, из-за которого любые часы будут
идти тем медленнее,
чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу)
они находятся.
Слайд 69Геометрия на плоскости и на поверхности сферы.
L
Слайд 70Кривизна пространства-времени
Расхождение (девиация) геодезических линий вблизи массивного тела
В пространстве-времени девиация
связана с его кривизной.
Слайд 71Вселенная является конечной (замкнутой) и безграничной
Конечное и ограниченное пространство
Бесконечное и
безграничное пространство
(бесконечная плоскость)
Поверхность сферы - безграничное ,
но конечное пространство
S=4πR2
Слайд 72Лента Мёбиуса, бутылка Клейна, волчок и катушка
Миндинга
Слайд 73Поверхности с отрицательной (слева), нулевой (в центре) и положительной (справа)
кривизной
