Презентация Электромагнитная картина мира (ЭМКМ). Специальная и общая теории относительности онлайн

Содержание слайда: Электромагнитная картина мира (ЭМКМ). Специальная и общая теории относительности.

Содержание слайда: Основные экспериментальные законы электромагнетизма. Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к Древней Греции. Например, два куска янтаря («электрон»), потёртые тряпочкой, отталкиваются друг от друга, притягивают мелкие предметы. Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Содержание слайда: Магнетизм. Свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Магнетизм. Свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II-м веке до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в 13-м веке. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600-м году Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: поэтому есть возможность определения направления с помощью компаса.

Содержание слайда: В 18-м веке было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В 18-м веке было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине 18-го века была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана). Именно Франклин предложил обозначения "+" и "–" для зарядов, он является также изобретателем молниеотвода.

Содержание слайда: В 1759-м году английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. В 1759-м году английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

Содержание слайда: В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов - В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов - е=1,6×10-19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897-м году Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, которая является носителем элементарного отрицательного заряда - электрон, который имеет массу me = 9,1×10-31 кг. Таким образом, электрический заряд состоит из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число.

Содержание слайда: Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков. Величина заряда не зависит от его скорости.

Содержание слайда: Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона(Шарль Огюст Кулон (1736-1806)) : Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона(Шарль Огюст Кулон (1736-1806)) : , где ε0 - электрическая постоянная равная 8,85*10-12 к /Н*м2 ; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10-15 м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие).

Содержание слайда: Исследование взаимодействия зарядов, в 19-м веке привело к появлению понятия поля. Исследование взаимодействия зарядов, в 19-м веке привело к появлению понятия поля. Начало этому было положено в работах Майкл Фарадея (1791-1867). Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает свойства этого пространства, т.е. создает поле.

Содержание слайда: Открытие Ханса Христиана Эрстеда. Открытие Ханса Христиана Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной до конца 19-го века, а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820-м году датский физик Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма.

Содержание слайда: Важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Георгом Симоном Омом (1826) закон: Важнейшими открытиями в области электричества явились открытый Георгом Симоном Омом (1826) закон: I=U/R А также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, которое выделяется при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT.

Содержание слайда: В 1821-м году Майкл Фарадей поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». В 1821-м году Майкл Фарадей поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции. ЭДС – электро-движущаяся сила.

Содержание слайда: Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитных волн. Позже, в 1831-м году он высказывает идею об электромагнитной природе света. Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Джеймс Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865-м году теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

Содержание слайда: Формирование понятия электромагнитного поля как новой физической реальности. Фарадей недостаточно хорошо владел математическим аппаратом и не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул. Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берёт под защиту метод Фарадея. Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865).

Содержание слайда: Суть теории Максвела: Суть теории Максвела: изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Содержание слайда: Утверждения Максвелла Магнитные заряды не существуют. Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток. Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями.

Содержание слайда: Анализируя свои уравнения, Максвелл пришёл к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришёл к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906-м году. П.Н. Лебедевым. Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.

Содержание слайда: Электронная теория Лоренца. Голландский физик Хендрик Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

Содержание слайда: В 1895-м году Лоренц даёт систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1895-м году Лоренц даёт систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1887-м году был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу.

Содержание слайда: Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях. Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях. В металле есть свободные электроны – электроны проводимости, образующие электронный газ. Каркас металла образует кристаллическая решётка, в узлах которой находятся ионы. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.

Содержание слайда: Специальная теория относительности. Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как время, масса, ускорение, сила остаются неизменными. В то же время координата, скорость, импульс, кинетическая энергия изменяются.

Содержание слайда: В середине 19-го века были проведены довольно точные опыты по измерению скорости света. Оказалось, что в вакууме скорость света В середине 19-го века были проведены довольно точные опыты по измерению скорости света. Оказалось, что в вакууме скорость света с =3×108 м/с. Сразу же возник вопрос: в какой системе отсчёта? В результате опытов Майкельсона в 1881-м году было установлено, что скорость света в вакууме во всех системах отсчёта независимо от величины и направления скорости их движения оставалась такой же, как и в системе отсчёта, связанной с источником света. Это означало, что классический закон сложения скоростей для света не выполняется. Ведь из механики Галилея-Ньютона следовало, что V=с+V1.

Содержание слайда: Принципиально новый подход к вышеупомянутым вопросам предложил Альберт Эйнштейн (1879-1955), разработавший в 1905-м году новую теорию пространства и времени, получившую название специальной теории относительности (СТО). Принципиально новый подход к вышеупомянутым вопросам предложил Альберт Эйнштейн (1879-1955), разработавший в 1905-м году новую теорию пространства и времени, получившую название специальной теории относительности (СТО).

Содержание слайда: Основу СТО составляют два постулата (принципа): Основу СТО составляют два постулата (принципа): Принцип относительности Эйнштейна: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных системах отсчёта (ИСО) протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно.

Содержание слайда: Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приёмника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчёта. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе.

Содержание слайда: Альберт Эйнштейн видоизменил законы механики Ньютона. В результате возникла релятивистская (относительная) механика. Альберт Эйнштейн видоизменил законы механики Ньютона. В результате возникла релятивистская (относительная) механика. Согласно релятивистской механике переход от одной инерциальной системы отсчёта к другой должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по преобразованиям Лоренца, из которых, как и из постулатов СТО вытекает ряд следствий.

Содержание слайда: 1. Закон сложения скоростей: 1. Закон сложения скоростей: , где V0 – скорость подвижной системы координат К’ относительно неподвижной системы координат К; Vx’ – скорость материальной точки в системе К’; Vx – скорость материальной точки относительно системы К; с – скорость света в вакууме.

Содержание слайда: Если Vx’ и V0 намного меньше с, то релятивистский закон сложения скоростей переходит в классические преобразования Галилея для скоростей. Если Vx’ и V0 намного меньше с, то релятивистский закон сложения скоростей переходит в классические преобразования Галилея для скоростей. Если одна из скоростей равна с, то сумма скоростей тоже будет равна с. Более того, при Vx’ = c и V0 = c имеем:

Содержание слайда: 2. Зависимость массы от скорости. 2. Зависимость массы от скорости. Другим следствием СТО явилась и зависимость массы тела от его движения. Зависимость массы от скорости была обнаружена в конце 19-го века в опытах с быстрыми электронами. Тогда же была предложена эмпирическая формула для этой зависимости: , где m0 – масса покоя электрона, а m – его масса при скорости движения V (масса движения).

Содержание слайда: 3. Относительность промежутка времени: 3. Относительность промежутка времени: , где t0 – собственное время, т.е. время по часам, движущимся вместе с объектом со скоростью V, t – время по часам в неподвижной системе отсчета. Таким образом, собственное время меньше времени по часам в неподвижной системе отсчета, т.е. физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются (относительно неподвижной системы!).

Содержание слайда: 4. Эквивалентность массы и энергии Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии: Е = mc2, подтвержденная данными современной физики.

Содержание слайда: Общая теория относительности (ОТО). В 1916-м году Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), над которой работал в течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы отсчёта.

Содержание слайда: Основные принципы ОТО сводятся к следующему: Основные принципы ОТО сводятся к следующему: ограничение применения принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь, то есть там, где гравитация велика, скорость света замедляется; распространение принципа относительности на все движущиеся системы, а не только на инерциальные.

Содержание слайда: Из ОТО был получен ряд важных выводов: Из ОТО был получен ряд важных выводов: свойства пространства-времени зависят от движущейся материи. луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. ОТО произвела настоящий переворот в космологии. На её основе появились различные модели Вселенной.

Содержание слайда: Основные понятия и принципы ЭМКМ. ЭМКМ базировалась на следующих идеях: непрерывность материи (континуальность); материальность электромагнитного поля; неразрывность материи и движения; связь пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

Содержание слайда: Материя и движение. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность (континуальность) в противовес дискретности.

Содержание слайда: Пространство и время. Из постулатов СТО следует относительность длины, времени и массы, т.е. их зависимость от системы отсчёта. Из преобразований Лоренца, следует, что пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир (пространственно-временной континуум) Событие, происходящее с некоторой частицей, характеризуется местом, где оно произошло (то есть совокупностью значений x, y, z), и временем t, когда оно произошло. («Что? Где? Когда?»).

Содержание слайда: Взаимодействие. В период становления и развития ЭМКМ физика знала два взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. В рамках этой картины Мира оба эти взаимодействия объяснялись исходя их понятия «поле». Это означало, что и то и другое взаимодействие передается с помощью промежуточной среды, т.е. поля со скоростью, равной скорости света. Таким образом, принцип дальнодействия МКМ был заменен принципом близкодействия.

Содержание слайда: Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. Нового понимания причинности по сравнению с МКМ не произошло. Главными считались причинно-следственные связи и динамические законы, их выражающие.

Содержание слайда: Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E = mc2). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E = mc2). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. В результате два закона сохранения – массы и энергии – были объединены в один общий закон сохранения массы и энергии.

Содержание слайда: Дальнейшее развитие физики показало, что ЭМКМ имеет ограниченный характер. Главная трудность здесь заключалась в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность многих её свойств – заряда, излучения, действия. Дальнейшее развитие физики показало, что ЭМКМ имеет ограниченный характер. Главная трудность здесь заключалась в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность многих её свойств – заряда, излучения, действия. Вскоре на смену ЭМКМ пришла новая – квантово-полевая картина Мира, объединившая дискретность МКМ и непрерывность ЭМКМ.