Тема: Законы механики Ньютона
Урок: Принцип относительности Галилея
1. Введение
На этом уроке мы рассматриваем тему «Принцип относительности Галилея». Тема эта является завершающей среди вопросов, связанных с законами Ньютона.
Принцип относительности Галилея состоит в том, что все механические процессы, явления протекают одинаково в инерциальных системах отчета.
Мы говорили, что инерциальных систем может быть много и что именно в этих системах все наблюдаемые механические явления протекают одинаково.
Отметим, что в разных инерциальных системах останутся одинаковыми протекающие явления, однако величины, характеризующие эти явления, могут быть разными. Так, например, законы движения, описывающие падение шарика в различных инерциальных системах отсчета, будут одинаковыми, тогда как координаты и скорости, входящие в эти законы, будут разными. Следовательно, и траектории движения в разных инерциальных системах отсчета будут разными.
Рассмотрим пример. Если мы наблюдаем падающее тело в какой-либо системе отсчета, связанной с Землей, то мы можем констатировать тот факт, что тело движется вдоль прямой. Мы знаем начальную высоту, с которой падает тело, ускорение, с которым оно движется, и его начальную скорость, следовательно, мы можем найти его положение в любой момент времени. Если мы рассмотрим движение этого тела из другой системы отсчета, например, связанной с велосипедистом, движущимся равномерно, то мы обнаружим, что характер движения не поменялся – оно всё так же является равноускоренным. Однако, величины, входящие в законы движения, будут иными, а следовательно, другой будет и траектория движения.
Галилей в своей работе писал буквально следующее: «Если мы разместимся в каюте парусного корабля и если мы будем производить там какие-либо эксперименты и опыты, то мы абсолютно не сможем отличить эти эксперименты, результаты этих экспериментов от тех, которые мы проводили на берегу. И, только выйдя на палубу, мы сможем сказать, что вот оказывается, что наш корабль движется, т. е. он движется прямолинейно и равномерно, и именно поэтому все, что происходит в каюте, полностью соответствует тому, что происходило бы на берегу». Вы можете в этом легко убедиться, попав на паром в туманную погоду. До тех пор, пока туман не рассеется и вы не увидите окружающих предметов, вы не сможете сказать, движется паром или нет.
Однако необходимо заметить такую вещь. Вы все прекрасно знаете, что прямолинейное и равномерное движение встречается крайне редко. Это означает, что и инерциальных систем отсчета тоже существует крайне мало, поэтому необходимо всегда говорить и помнить о том, что существует некое приближение к инерциальной системе отсчета. Чаще всего мы систему отсчета связываем с Землей, хотя мы все знаем, что Земля движется вокруг Солнца, значит, она движется с ускорением. Земля крутится вокруг своей оси, и здесь, соответственно, есть ускорение. Но, тем не менее, мы почему-то всегда говорим о том, что все системы, связанные с Землей, являются инерциальными. Дело все в том, что эти ускорения очень и очень невелики по своему значению. Например, на экваторе ускорение при вращении Земли определяется примерно 0,035 м/с2, т. е. величина этого ускорения очень и очень невелика, например, по сравнению с ускорением свободного падения. Поэтому, раз оно невелико, мы можем считать, что движение равномерное. Обычно, мы учитываем это ускорение, говоря, что ускорение свободного падения меняется в зависимости от широты, на которой мы находимся. Если мы будем рассматривать движение Земли вокруг Солнца, это ускорение будет многократно меньше. Это означает, что и в этом случае мы тоже можем с определенной степенью достоверности применять понятие инерционной системы отсчета к Земле. Поэтому и говорят, что если поезд движется относительно Земли прямолинейно и равномерно, то он тоже может считаться инерциальной системой отсчета.
В заключение отметим интересный факт: когда мы говорим о принципе относительности Галилея, нельзя забывать, что этот принцип был использован Ньютоном при выводе первого закона Ньютона, а также этот принцип потом вошел как частный случай в общую теорию относительности Эйнштейна. Обращаю ваше внимание также на то, что принцип относительности Галилея мы используем так или иначе при решении многих задач тогда, когда мы говорим о движении, о законах движения в инерциальной системе отсчета.
Список литературы
- Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
- А. П. Рымкевич. Физика. Задачник 10-11. – М.: Дрофа, 2006.
- О. Я. Савченко. Задачи по физике. – М.: Наука, 1988.
- А. В. Пёрышкин, В. В. Крауклис. Курс физики. Т. 1. – М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
Домашнее задание
- Решив задачи к данному уроку, вы сможете подготовиться к вопросам 2 ГИА и вопросам А2–А4 ЕГЭ.
- Задачи 146, 152, 154, 156, 158 сб. задач А. П. Рымкевич изд. 10 (Источник).
- Оцените ускорение, с которым Земля движется вокруг Солнца. Сравните это ускорение с ускорением свободного падения и ускорением, связанным с движением тела вокруг своей оси.
- Рассмотрите следующие вопросы и ответы на них:
Вопрос: Всегда ли работает принцип относительности Галилея?
Ответ: Всегда, когда скорости тел намного меньше скорости света.
Вопрос: Если тело покоится в лабораторной системе отсчета и мы рассматриваем его в движущейся инерциальной системе отсчета, можно сказать, что изменился характер поведения тела.
Ответ: Да, кажется, что тело начало двигаться равномерно прямолинейно в другой системе отсчета, однако с точки зрения динамики неподвижность и равномерное прямолинейное движение – равнозначные понятия, поскольку скорость тела при этом не меняется, а следовательно, на тело не действуют силы, или их действие скомпенсировано.
