книги из ГПНТБ / Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей

Мет о д и ч еск а я библиот ека

шк о л ы "

В.В. Стручков, Б. М. Яворский

я

Вопросы

современной

физики

Пособие для учителей

МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1973

ччтД пьНОГО ЗАЛА^

W - Ю О Ч 3

/ J / a ß ä !

Рекомендовано к изданию Главным управлением школ Министерства просвещения СССР

Стручков В. В. и Яворский Б. М.

С87 Вопросы современной физики. Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1973.

496 с. с ил. (Метод, б-ка школы).

В книге освещены в доступной для учителей форме те вопросы современ­ ной физики, которые в той или иной мере нашли отражение в новых учебных программах основного курса физики средней школы или в про­ граммах факультативных занятий.

Издательство «Просвещение», 1973 г.

О Г Л А В Л Е Н И Е

§7. Релятивистский закон преобразования ско­

§3. Единый закон сохранения массы, импульса,

3

П Р Е Д И С Л О В И Е

Лидирующее положение физики среди естественных наук, богатство и многообразие методов исследования современной физики, глубокое взаимное проникновение физики и техники — все это не могло не отразиться на преподавании физики в средней школе. И действительно, курс физики в советской средней школе претерпевает в последние годы серьезные из­ менения в сторону повышения его научного уровня.

Современные тенденции в преподавании физики заклю­ чаются в том, чтобы оснозы классической и современной фи­ зики изучались не изолированно друг от друга. Учащиеся должны быть ознакомлены с тем, как непрерывный процесс

са должно проводиться с современных позиции. Термин «со­ временная 'физика» предполагает в педагогическом плане построение такого курса физики, в котором нашли бы свое отражение современные тенденции ее преподавания. Настоя­ щая книга не ставит своей целью сколько-нибудь подробно излагать те курсы теоретической физики, которые изучаются в педагогических институтах студентами-физиками. Ее цель — помочь учителям физики в их работе по новой программе школьного курса. Поэтому в книге рассмотрены лишь некото­ рые вопросы классической и современной физики, имеющие отношение к школьному курсу. Основное внимание обращается на физический смысл рассматриваемых вопросов. Математи­ ческий аппарат использован в книге лишь в той мере, в какой он представлялся необходимым для того, чтобы избегнуть бездоказательных утверждений.

Изложение некоторых вопросов (динамика специальной теории относительности, отдельные вопросы статистической физики и др.) рассчитано не для прямого использования в работе с учащимися, а для повышения теоретического уровня учителей;

Авторы надеются, что книга окажет также определенную помощь учителям в проведении факультативных и кружковых занятий.

Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам: акад. АН УССР Ахиезеру А. И., проф., д-ру фаз.-мат. наук Кресину В. 3., проф., д-ру техи. наук Яшкину А. Я. и мето­ дисту Машевскому Н. Д. Их полезные замечания авторы приняли во внимание при доработке рукописи.

В. В. Стручков, Б. М. Яворский.

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

Вся современная физика пронизана идеями теории относитель­ ности Эйнштейна. Новая программа по физике для средней школы предусматривает рассмотрение следующих вопросов специальной теории относительности:

1.Принцип относительности Эйнштейна.

2.Независимость скорости света от движения источника. Ско­ рость света в вакууму как предельная скорость передачи сигнала.

3.Проблема одновременности.

4.Замедление времени и сокращение масштабов. Релятивист­ ский закон сложения скоростей.

5. Зависимость массы от скорости. Закон взаимосвязи массы и энергии.

Более широко теория относительности может рассматриваться на факультативных занятиях. В данной книге, кроме общих, прин­ ципиальных вопросов (о свойствах пространства и времени, ,о кон­ цепциях дальнодействия и близкодействия и др.), рассматриваются вопросы кинематики, динамики и электродинамики теории относи­ тельности.

Два замечания о терминологии. Часто, особенно в популярной литературе, под классической физикой понимают дорелятивист­ скую и доквантовую физику. Однако согласно современным пред­ ставлениям теория относительности принадлежит к классической физике. Например, классическая механика включает в себя ньюто­ новскую механику и механику теории относительности. В данной книге нерелятивистская и неквантовая физика иногда называется ньютоновской физикой, поскольку классическая, дорелятивистская механика — это механика Ньютона, а другие разделы классиче­ ской, дорелятивистской физики несут на себе глубокую печать идей Ньютона (например, концепция дальнодействия, о которой будет сказано ниже).

Следует иметь в виду, что существуют две теории относительно­ сти Эйнштейна — частная, или специальная, теория относительно­ сти (сокращенно СТО) и так называемая общая теория относитель­ ности (ОТО).

7

В популярной литературе под теорией относительности обычно понимают специальную теорию относительности. В данной книге в соответствии с потребностями и возможностями школьного препо­ давания рассматривается только специальная теория относитель­ ности (СТО).

Учитывая неизбежные трудности, испытываемые учащимися при восприятии теории относительности, в книге довольно подробно рассмотрены основные идеи, физические корни ньютоновской меха­ ники и СТО.

§ 2. О ПРИНЦИПАХ ИНВАРИАНТНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ

Законы физики — это, как правило, количественные соотно­ шения между различными физическими величинами. Они отра­ жают объективные закономерности, существующие в окружающем нас мире, и потому не должны зависеть от субъективных факто­ ров.

А между тем познающий субъект неизбежно вносит элементы произвола в познание им законов природы.

Первый элемент произвола связан с выбором единиц физиче­ ских величин. Единицы измерения физических величин могут быть установлены произвольно. При установлении единиц измерения и систем единиц физических величин руководствуются исключи­ тельно соображениями удобства пользования ими на данном исто­ рическом этапе развития науки. Формулировки законов физики, очевидно, не должны зависеть от произвола в выборе единиц из­ мерения физических величин. Независимость физических законов от выбора единиц называется принципом метрической инвариант­ ности.

Все фундаментальные физические законы удовлетворяют этому

кон Фарадея для электромагнитной индукции состоит в том, что электродвижущая сила индукции во всяком замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения потока магнитной индукции через этот контур), причем всегда подчеркивается, что величина коэффициента пропорциональности зависит от выбора единиц из­ мерения.

Наличие коэффициентов пропорциональности в формулировках физических законов неизбежно, если мы хотим, чтобы формулиров­ ка закона не зависела от выбора единиц измерения физических величин.

Если единицы всех величин, входящих в закон, заранее фик­ сированы, то коэффициент пропорциональности принимает опре­ деленное числовое значение. Это имеет место, например, в случае закона тяготения Ньютона; коэффициент пропорциональности — ньютоновская гравитационная постоянная — имеет вполне опреде­ ленное числовое значениег

8

В ряде случаев физический закон используется для установле­ ния единицы какой-нибудь физической величины. В таких случаях коэффициент пропорциональности всецело в нашем распоряжении, мы можем положить его равным любому постоянному числу. Есте­ ственно положить его равным единице. Так обстоит дело, напри­ мер, со вторым законом Ньютона, когда он используется для уста­ новления единицы силы.

Вообще для освобождения формулировок некоторых фунда­ ментальных физических законов от коэффициентов пропорциональ­ ности в разное время в физике вводились различные системы еди­ ниц. В настоящее время предпочтение должно быть отдано Между­ народной системе единиц (системе СРІ). Однако никакая система единиц не может освободить от коэффициентов пропорционально­ сти формулы сразу всех физических законов: освобождая от коэф­ фициентов одни законы, она неизбежно сохраняет их в других за­ конах. Так, международная система единиц освобождает от коэф­ фициентов пропорциональности формулировки, например, законов механики и электродинамики, но сохраняет коэффициенты в фор­ мулах электростатики.

Второй элемент произвола, вносимый человеком в формули­ ровки физических законов, связан с выбором систем отсчета. Дело

втом, что выражение «тело движется» имеет в физике конкретный смысл только тогда, когда указано, относительно какой системы отсчета рассматривается данное движение. Одно и то же тело в данный промежуток времени совершает относительно разных си­ стем отсчета различные движения. Например, свободное падение тела на палубу равномерно идущего корабля выглядит по-разному

вдвух системах отсчета: в системе, связанной с кораблем, и в системе, связанной с берегом. В первой системе тело совершает прямолинейное равноускоренное движение по вертикали вниз, во второй системе движение тела происходит по иной траектории —

по параболе. Скорости тела относительно разных систем отсчета в один м тот же момент времени различны. Правда, ускорение в обоих этих случаях одно и то же: оно равно ускорению свободного падения.

В общем же случае и ускорения оказываются различными в разных системах отсчета.

Так, если в рассмотренном примере в качестве второй системы отсчета выбрать Луну, то относительно корабля и Луны будут раз­ личны не.только траектории и скорости, но и ускорения. Причина этих различий — в движении одной системы относительно другой.

Многие физические понятия н величины зависят от выбора си­ стемы отсчета, т. е. являются относительными. Например, вид траектории движения сугубо относителен; скорость, ускорение — величины относительные. Относительность скорости, в свою оче­ редь, обусловливает относительность других физических величин, зависящих от нее. Так, от системы отсчета зависят кинетическая энергия тела, плотность (и сила) электрического тока, образован­ ного движущимися зарядами, напряженности электрического и

9