Тело тем тяжелее чем
Новое в блогах
Теория относительности для чайников
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.
Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.
Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.
Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.
Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:
1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.
2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).
Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.
В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная. Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.
Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты.
Однородность пространства и времени
В СТО Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.
Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.
На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует.
Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору
Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.
Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.
Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным.
Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее.
Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.
Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.
Объединение массы и энергии
В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.
Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.
До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.
Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.
Вес и тяготение
У разных тел вес различен потому, что Земля с различной силой притягивает их к себе. Это связано с тем, что тела имеют различную массу. Масса тела неразрывно связана с ним. Куда бы мы ни поместили одно и то же тело — на полюс или на экватор, на Землю или на Луну,— его масса останется неизменной, если количество вещества в теле не будет меняться.
Тяжёлые, грузные тела обычно называют массивными. Более массивные тела, тела с большей массой весят больше, менее массивные — меньше. О массе тела мы судим по весу: чем больше вес, тем больше масса. Однако это правило справедливо лишь при условии, что взвешиваемые тела находятся в одном и том же месте земного шара. В отличие от массы вес одного и того же тела меняется в зависимости от места взвешивания. Точные опыты показали, что у экватора тела весят немного меньше, чем у полюсов (рис. 1). Дело в том, что Земля несколько сплюснута в направлении от полюса к полюсу и растянута по экватору. Поэтому тело на полюсе немного ближе к центру Земли, чем тело на экваторе. А сила притяжения к Земле зависит от расстояния до её центра.
Есть и ещё одна причина того, почему на экваторе тела весят меньше. Известно, что Земля вращается. Вследствие этого на все земные тела действуют центробежные силы, которые как бы приподнимают тела над поверхностью Земли и тем уменьшают их вес. Эти силы на экваторе больше, чем на полюсах.
Итак, в одинаковых условиях взвешивания масса всякого тела тем больше, чем больше его вес. Эту связь между массой и весом можно выразить так: притяжение тела Землёй прямо пропорционально массе этого тела.
Знаменитый английский учёный — великий математик, физик и астроном Исаак Ньютон (1643—1727 гг.) впервые ясно и отчётливо сформулировал закон тяготения. Ньютон пришёл к выводу, что все тела взаимно притягиваются. Не только Земля притягивает к себе любой предмет, но и каждый предмет притягивает к себе Землю.
Рис. 1. Вес гири с массой в один килограмм в разных местах Земли.
Эта сила взаимного притяжения между двумя какими-нибудь телами зависит, как показал Ньютон, от масс этих тел и от расстояния между ними. Закон притяжения или тяготения можно сформулировать следующим образом: сила взаимного притяжения двух тел
Взаимодействие тел. Масса
Цели урока:
Ход урока
I. Организационный момент
(приветствие – рефлексия: какое у вас сегодня настроение? С какими «смайликами» мы начинаем с вами урок?)
II. Повторение темы «Инерция» (15 минут).
На прошлом уроке мы с вами изучали тему «Инерция», давайте «пробежимся» по основным моментам
Ситуативная игра: Ученики – пассажиры автобуса. Изобразите ситуацию:
Объясните с точки зрения физики ваше поведение.
Вопросы из жизни:
Выполним небольшой тест.
Вариант 1
1. Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел называют.
2. Куда повернул трамвай, если пассажиры отклонились вправо?
3. Куда падает споткнувшийся человек?
4. Какая цистерна начинает движение?
5. Сколько времени летит гусь, если его скорость равна 120 км/ч, а путь 240 км?
Вариант 2
1. Что такое инерция?
2. Если на тело не действуют никакие другие тела, то оно.
3. Куда наклоняются пассажиры относительно автобуса, когда он поворачивает налево?
4. В каком случае наблюдается проявление инерции?
5. Какой путь пройдет велосипедист, если он ехал 2 часа со скоростью 35 км/ч?
Проверим результаты нашего тестирования (на экране появляется таблица со словом «УСПЕХ»). Надеюсь, нас с вами ждет успех в изучении новой темы.
ФИЗКУЛЬТМИНУТКА: встать возле стеночки, пяточки придвинуть, плечи расправить, затылок и выступающие части лопаток прижать к стене, ровно глубоко вдохнуть, еще раз вдохнуть, выдохнуть (дыхательное упражнение рекомендуется проделать 4-5 раз).
IV. Работа по теме: Взаимодействие тел. Масса.
(записать на доске и учащиеся – в тетрадях)
Посмотрим эксперимент: шарик катится и сталкивается с с таким же шариком(покоющимся). Вы уже знаете, что если на тело действует другое тело, то оно изменяет свою скорость. Говорят, что первое тело подействовало на второе.
А что же происходит с шариком, который катится? Оказывается, он тоже изменил свою скорость. Говорят, что второе тело действует на первое.
Определение: Действие тел друг на друга называют взаимодействием. При взаимодействии оба тела меняют свою скорость!
(Учащиеся записывают в тетрадях.)
А теперь, я предлагаю вам разделиться на группы и поэкспериментировать самим. Выполнять опыты, отвечать на вопросы и делать выводы вы будете всей группой, а отчет сделает капитан вашей группы (выберите его заранее).
1 группа. Необходимо исследовать: как поведут себя шарики при взаимодействии?
Ход эксперимента
Два одинаковые шарика подвешены на нитях на одном уровне. Поднесите желоб снизу горизонтально под шарики так, чтобы они «улеглись» по краям желоба. Далее желоб опускают: шарики столкнуться. Понаблюдайте за отклонением шариков, после взаимодействия.
Поменяйте один из шаров на более тяжелый шарик. (эксперимент повторите).
Вопрос: Что можно сказать о движении шариков (как отклонялись) после взаимодействия? Почему?
2 группа. Необходимо исследовать: как будет двигаться шарик после того как скатиться с наклонного желоба?
Ход эксперимента
Внизу у наклонного желоба сначала поставим на стол доску, потом насыплем песка. Необходимо измерить путь, который проделает шарик.
Поменяйте шарик на более тяжелый. (эксперимент повторите).
Вопрос: Что можно сказать о движении шариков (какова длина пути) после скатывания с желоба? Почему?
3 группа. Необходимо исследовать: как будет двигаться цилиндр после того как с наклонного желоба скатиться шарик?
Ход эксперимента
Внизу наклонного желоба сначала положим более легкий цилиндр. Необходимо измерить путь, который проделает цилиндр.
Поменяйте цилиндр на более тяжелый. (эксперимент повторите).
Вопрос: Что можно сказать о движении цилиндров (какова длина пути) после скатывания с желоба шарика? Почему?
После выполнения мини-экспериментов капитаны групп делают отчет по схеме:
И так выслушав, все группы, можно сделать общий вывод: Шарики разные и скорости их при взаимодействии тоже разные, причем скорость металлического шарика меньше скорости пластмассового шарика. Говорят, что одно тело тяжелее другого, более инертно (т. е. дольше стремится сохранить свою скорость), одно тело массивнее другого, т. е. имеет большую массу.
В результате взаимодействия оба тела могут изменить скорость!
Изменение скорости тел при их взаимодействии зависит от массы!
(На слайде презентации, учащиеся записывают в тетрадях)
Определение: Масса – это физическая величина, характеризующая инертность тела.
А про эту физическую величину мы поговорим на следующем уроке.
Чем больше масса тела, тем оно более инертно. Каждое тело имеет массу – капля воды, человек, Солнце, пылинка и т. д. Обозначение массы – m.
Единицы измерения массы в системе СИ: [m] = 1 кг.
Другие единицы измерения массы: 1 т = 1000 кг; 1 г = 0, 001 кг; 1 мг = 0,000001 кг (см. форзац учебника).
(Эталон массы изготовлен из платиново-иридиевого сплава, имеет форму цилиндра высотой примерно 39 мм, и хранится в городе Севре во Франции. С эталона изготовлены копии: в России хранится копия №12, в США – № 20)
V. Домашнее задание
§18 (вопросы к параграфу). И нам хотелось послушать про эталон массы на следующем уроке из ваших сообщений.
Тест «Инерция»
Вариант 1
1. Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел называют.
Т. механическим движением.
У. инерцией.
B. движением тела.
2. Куда повернул трамвай, если пассажиры отклонились вправо?
К. Прямо по ходу движения автобуса.
Б. Направо
С. Налево.
3. Куда падает споткнувшийся человек?
П. Вперед по ходу движения.
М. Налево.
Ф. Назад.
4. Какая цистерна начинает движение?
И. 1.
Е. 2.
Ч. 3
5. Сколько времени летит гусь, если его скорость равна 120 км/ч, а путь 240 км?
Что мешает поднять тела погибших на «Листвяжной»
По мнению гендиректора Научного центра ВостНИИ Олега Тайлакова, важно также учитывать то, что авария привела к нарушению устойчивости горных выработок. Этот параметр нужно контролировать особенно внимательно, наряду с мониторингом шахтной атмосферы.
Он описал все нюансы и тактику проведения сложнейшей операции по поиску и подъему тел. Сейчас региональный главк МЧС функционирует в режиме ЧC. Поиск тел шахтеров идет вслепую из-за неработающих средств контроля. По словам Александра Чуприяна, когда стало известно об аварии на шахте, вниз в забой спустились одновременно 215 горноспасателей для поисков пропавших шахтеров. В какой-то момент спасатели стали терять сознание, а это первый признак отравления оксидом углерода. Тогда было принято тяжелое, но абсолютно правильное решение о выводе этих спасателей. Пятеро из этих 215 не вышли.
Сейчас, по словам Чуприяна, у МЧС есть информация только о приблизительном местонахождении погибших. Известно лишь, что они находятся в самой дальней точке шахты.
То, что нет никаких данных о местонахождении каждого погибшего, связано, скорее всего, с мощным взрывом, который произошел в шахте. Приборы должны были зафиксировать местоположение каждого человека внутри. Они каждые 2 секунды должны подавать сигнал для определения локации тел. Но, увы, приборы молчат, и никакие сигналы не поступают. Данных не существует, шахта мертва. Поэтому спасателям приходится все делать вслепую.
Более тяжёлые тела падают быстрее!
Но нет, всё корректно: в безвоздушном пространстве, согласно законам Ньютона, тяжёлые тела действительно будут падать быстрее!
Быстренько изложу своими словами. Есть объект массой m и Земля массой M. На объект со стороны Земли действует сила
И согласно 2-му закону Ньютона она придаёт ему ускорение:
Тут можно вставить несколько страниц дискуссии, почему «инерционная масса» (слева) оказалась равна «гравитационной массе» (справа) и причём тут Эйнштейн, но сейчас мы о другом. Сокращаем их с чистой совестью, и получаем:
Ускорение зависит лишь от массы Земли и расстояния до неё, и не зависит от массы самого объекта, что как бы говорит все тела падают одинаково.
Вот только мы кое-чего забыли!
Ведь та же сила, только с противоположным знаком, действует на Землю! И придаёт ускорение
И вот оно ЕЩЁ КАК ЗАВИСИТ ОТ МАССЫ ОБЪЕКТА!
Не думаю, что сообщил чего-то новое, когда речь заходит об орбитальной механике, про это сразу же «вспоминают», и о поиске экзопланет по «дрожанию» звезды, вокруг которой эти планеты обращаются, знают многие. Но фраза, что более тяжёлые тела падают быстрее, тем не менее, вызывает когнитивный диссонанс 🙂
Моё наибольшее удивление связано с тем, как же нас в школе умудрялись убедить, что все тела падают одинаково, не путём экспериментов, а чисто на логических противоречиях!
Если взять тела массой, к примеру, 1/10 от массы Земли и 1/20 от массы Земли, то первое по отдельности будет сближаться с Землёй с ускорением 1,1g (то есть 0,1g добавляется за счёт ускорения Земли в сторону тела). Второе по отдельности будет сближаться с Землёй с ускорением 1,05g, то есть медленнее.
А если они будут представлены оба, то каждый получит ускорение 1g в сторону Земли, Земля получит ускорение 0,15g в их сторону, и они ещё и будут довольно заметно притягиваться друг к другу! Если мы их таки слепим в одно большое тело, так что их силы друг на друга уравновесятся реакцией опоры, мы обнаружим, что получившееся тело упадёт ЕЩЁ БЫСТРЕЕ. Если же их связать «верёвочкой», пока они сидят на некотором расстоянии друг от друга, натягиваться она уж точно не будет, ведь со стороны Земли ускорение они получили одинаковое, но ещё и притягиваются друг к другу впридачу!
Вот так и верь после этого физике за 7-й класс.