Тест по физике Относительность движения 9 класс

21.09.2017 Главная › Физика › 9 класс

Тест по физике Относительность движения для учащихся 9 класса с ответами. Тест состоит из 10 заданий и предназначен для проверки знаний к главе Законы взаимодействия и движения тел.

1. Моторная лодка движется по течению реки со скоростью 10 м/с относительно берега, а в стоячей воде — со скоростью 6 м/с. Чему равна скорость течения реки?

1) 2 м/с
2) 3 м/с
3) 4 м/с
4) 7 м/с

2. Пловец плывет по течению реки. Определите скорость плов­ца относительно берега, если скорость пловца относительно воды 0,4 м/с, а скорость течения реки 0,3 м/с.

1) 0,5 м/с
2) 0,1 м/с
3) 0,5 м/с
4) 0,7 м/с

3. Плот спускается равномерно прямолинейно по реке. Скорость плота относительно берега 3 км/ч. Человек идет по плоту со скоростью 4 км/ч в направлении, перпендикуляр­ном направлению движения плота. Какова скорость челове­ка относительно берега реки?

1) 1 км/ч
2) √7 км/ч
3) 5 км/ч
4) 7 км/ч

4. Эскалатор метро движется со скоростью 0,8 м/с. Пассажир, идущий в направлении движения со скоростью 0,4 м/с от­носительно него, затратил на весь путь 30 с. Какова длина эскалатора?

1) 12 м
2) 36 м
3) 48 м
4) 60 м

5. Пловец переплывает реку по кратчайшему пути. (Кратчайший путь — это ширина реки.) Скорость пловца относи­тельно воды 5 км/ч, скорость течения 3 км/ч. Чему равна скорость пловца относительно берега?

1) 2 км/ч
2) 4 км/ч
3) 5,8 км/ч
4) 8 км/ч

6. Две моторные лодки движутся навстречу друг другу. Ско­рость первой лодки относительно воды равна 3 м/с, а вто­рой 4 м/с. Скорость течения реки 2 м/с. Через какое время после встречи расстояние между лодками станет равным 42 м?

1) 3,8 с
2) 6 с
3) 8,4 с
4) 42 с

7. По двум параллельным железнодорожным путям равномер­но движутся два поезда в одном направлении: грузовой — со скоростью 48 км/ч и пассажирский — со скоростью 102 км/ч.

Определите величину относительной скорости поездов.

1) 5 м/с
2) 10 м/с
3) 15 м/с
4) 20 м/с

8. По двум параллельным железнодорожным путям равномер­но движутся два поезда в противоположных направлениях: грузовой — со скоростью 44 км/ч и пассажирский — со ско­ростью 100 км/ч. Определите величину относительной ско­рости поездов.

1) 20 м/с
2) 40 м/с
3) 56 км/ч
4) 30 м/с

9. По дорогам, пересекающимся под прямым углом, едут велосипедист и автомобилист. Скорости велосипедиста и ав­томобилиста относительно придорожных столбов соответ­ственно равны 8 м/с и 15 м/с. Определите модуль скорости автомобилиста относительно велосипедиста.

1) 17 м/с

2) 1 м/с
3) 3 м/с
4) 7 м/с

10. Два автомобиля движутся по прямой дороге в одном направлении: один со скоростью 60 км/ч, а другой со скоро­стью 90 км/ч. Сближаются они или удаляются?

1) Сближаются
2) Удаляются
3) Могут сближаться, могут удаляться
4) Находятся на одинаковом расстоянии

Ответы на тест по физике Относительность движения
1-3
2-4
3-3
4-2
5-2
6-2
7-3
8-2
9-1
10-3

PDF-версия
Тест Относительность движения
(80 Кб, pdf)

Опубликовано: 21. 09.2017 Обновлено: 21.09.2017

Тест Относительность движения для 9 класса

15.09.2020 Физика Тесты9 класс

Тест Относительность движения для 9 класса с ответами. Тест состоит из 10 заданий.

1. Человек идет по поезду против его движения со скоростью 1 м/с. Поезд едет со скоростью 20 м/с. Какова скорость человека относительно станции?

1) 21 м/с
2) 19 м/с
3) 20 м/с

2. Человек идет по поезду против его движения со скоростью 1 м/с. Поезд едет со скоростью 20 м/с. Какова скорость человека относительно станции?

1) 20 м/с
2) 21 м/с
3) 19 м/с

3. Поезд едет со скоростью 20 м/с. Человек идет в поезде в направлении движения поезда со скоростью 1 м/с. Какова скорость человека относительно поезда?

1) 20 м/с
2) 1 м/с
3) 21 м/с

4. Что означает выражение «скорость относительна»?

1) скорость одного и того же тела в разных системах отсчета может быть различной как по числовому значению, так и по направлению
2) скорость одного и того же тела в разных системах отсчета может быть различной по числовому значению
3) скорость одного и того же тела в разных системах отсчета может быть различной по направлению

5.

Как движется точка на лопасти вертолета относительно его пилота?

1) по спирали
2) по окружности
3) по эллипсу

6. Как движется точка на лопасти вертолета относительно наблюдателя на земле?

1) по спирали
2) по окружности
3) по эллипсу

7. Что означает выражение: «траектория относительна»?

1) траектория одного и того же тела может быть различной в различных системах отсчета
2) траектория одного и того же тела не может быть различной в различных системах отсчета
3) траектория одного и того же тела всегда различная в различных системах отсчета

8. Что означает выражение: «путь относителен»?

1) путь равен сумме длин участков траекторий, пройденных телом за выбранный промежуток времени
2) путь невозможно определить
3) путь нельзя изучать с точки зрения движущегося объекта

9. В чем проявляется относительность движения?

1) скорость, траектория, путь относительны, они могут быть различны в разных системах отсчета
2) скорость, путь относительны, они могут быть различны в разных системах отсчета
3) траектория, путь относительны, они могут быть различны в разных системах отсчета

10. Как называется система мира, в которой вокруг Земли двигаются планеты и Солнце?

1) Геоцентрическая
2) Гелиоцентрическая
3) Антропоцентрическая

Ответы на тест Относительность движения для 9 класса
1-2
2-2
3-2
4-1
5-2
6-1
7-1
8-1
9-1
10-1

PDF версия для печати
Тест по физике Относительность движения для 9 класса
(76 Кб)

Опубликовано: 15.09.2020 Обновлено: 15.09.2020

Поделись с друзьями

Найти:

10.1 Постулаты специальной теории относительности. Физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Описывать эксперименты и научные проблемы, которые привели Альберта Эйнштейна к разработке специальной теории относительности
• Понимать постулаты, на которых основывалась специальная теория относительности

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие студенческие стандарты:

• (2) Научные процессы. Студент использует системный подход, чтобы ответить на научные лабораторные и полевые исследовательские вопросы. Ожидается, что студент:
  • (C) Знать, что научные теории основаны на природных и физических явлениях и могут быть проверены несколькими независимыми исследователями. В отличие от гипотез, научные теории представляют собой устоявшиеся и проверенные объяснения, но могут изменяться по мере развития новых областей науки и новых технологий.

• (3) Научные процессы. Учащийся использует критическое мышление, научные рассуждения и решение проблем для принятия обоснованных решений в классе и за его пределами. Ожидается, что студент:
  • (D) Объясните влияние научного вклада различных исторических и современных ученых на научную мысль и общество.

• (4) Научные концепции. Учащийся знает и применяет законы, управляющие движением, в различных ситуациях. Ожидается, что студент:
  • (F) Определите и опишите движение относительно различных систем отсчета.

Основные термины раздела

эфир	система отсчета	инерциальная система отсчета
общая теория относительности	постулат	относительность
одновременность	специальная теория относительности

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Обсудите историю концепции эфира. Объясните, что это скорее философская концепция, которая была важна до развития современной науки. Оно возникло из убеждения, что материя непрерывна, а вакуум невозможен. Эфир иногда считался одним из элементов.

[BL][OL] Упомяните, что электромагнитные волны уникальны среди волновых форм энергии, поскольку они могут перемещаться в пустом пространстве.

В это было трудно поверить, и это заставило ученых упрямо придерживаться идеи о том, что должен существовать эфир, пронизывающий пространство. Спросите учащихся, что они знают об Эйнштейне, и развейте любые заблуждения. Объясните, что мысленные эксперименты и постулаты есть.

Научные эксперименты и проблемы

Относительность не нова. Еще в 1600 году Галилей объяснил, что движение относительно. Где бы вы ни оказались, кажется, что вы находитесь в фиксированной точке и что все движется относительно вас. Все остальные чувствуют то же самое. Движение всегда измеряется относительно фиксированной точки. Это называется установлением системы отсчета. Но выбор точки произволен, и все системы отсчета одинаково действительны. Пассажир в движущейся машине не движется относительно водителя, но они оба движутся с точки зрения человека на тротуаре, ожидающего автобус. Они движутся еще быстрее, если их видит человек в машине, приближающейся к ним.

Это все относительно.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[OL][AL] Сосредоточьте внимание учащихся на скорости света. Могут ли учащиеся придумать что-нибудь еще, что имеет максимально допустимое значение, а также является универсальной константой? Большинство констант — это просто числа, например значение числа пи. Большинство свойств, таких как масса и объем, не имеют фиксированного верхнего предела. Почему скорость имеет ограничение?

Советы для успеха

Система отсчета не является сложной концепцией. Это просто то, что вы решаете, является фиксированной точкой или группой связанных точек. Это полностью зависит от вас. Например, когда вы смотрите вверх на небесные объекты в небе, вы выбираете землю в качестве системы отсчета, и кажется, что солнце, луна и т. д. движутся по небу.

Свет вовлечен в обсуждение относительности, потому что теории, связанные с электромагнетизмом, несовместимы с объяснением относительности Галилеем и Ньютоном. Истинная природа света была горячей темой для дискуссий и споров в конце 19 века. В то время вообще не считалось, что свет может распространяться через пустое пространство. Было известно, что она распространяется в виде волн и всех других типов энергии, которые распространяются как волны, необходимые для прохождения через материальную среду. Считалось, что космос заполнен невидимой средой, через которую проходят световые волны. Этот воображаемый (как оказалось) материал назывался эфиром (также пишется как эфир). Считалось, что все движется через эту таинственную жидкость. Другими словами, эфир был единственной фиксированной системой отсчета. Эксперимент Майкельсона-Морли доказал, что это не так.

В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли разработали интерферометр, показанный на рис. 10.2, для измерения скорости Земли в эфире. Луч света разделяется на два перпендикулярных пути, а затем снова объединяется. Рекомбинация волн дает логическую картину с яркой полосой в местах, где две волны приходят в фазе; то есть с гребнями обеих волн, прибывающими вместе, и впадинами, прибывающими вместе. Там, где гребень одной волны совпадает с впадиной другой, появляется темная полоса, так что они сокращаются. Если Земля путешествует в эфире по орбите вокруг Солнца, пикам в одном рукаве потребуется больше времени, чем в другом, чтобы достичь того же места. Места, где две волны приходят в фазе, изменились бы, и картина интерференции сместилась бы. Но с помощью интерферометра никакого сдвига не наблюдалось! Этот результат привел к двум выводам: что эфира нет и что скорость света одинакова независимо от относительного движения источника и наблюдателя. Расследование Майкельсона-Морли было названо самым известным неудачным экспериментом в истории.

Рисунок 10.2 Это схема прибора, использованного в эксперименте Майкельсона-Морли.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL] Объясните геометрию эксперимента Майкельсона-Морли. Объясните, почему неудача в данном случае на самом деле была успехом. Обсудите, почему принятие неожиданных результатов является важной способностью для ученых. Попросите учащихся запомнить значение скорости света в м/с до трех значащих цифр.

Чтобы увидеть, что ожидали найти Майкельсон и Морли, измерив скорость света в двух направлениях, посмотрите этот мультфильм. В видео два человека, плавающие в озере, представлены как аналогия световых лучей, покидающих Землю при ее движении в эфире (если бы эфир вообще был). Пловцы отплывают от движущейся по воде платформы и возвращаются к ней. Пловцы плывут в разных направлениях по отношению к движению платформы. Несмотря на то, что они проплывают одинаковое расстояние с одинаковой скоростью, движение платформы приводит к тому, что они прибывают в разное время.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL]Убедитесь, что учащиеся понимают, что эта анимация не объясняет поведение света. Это показывает, что Майкельсон и Морли ожидали увидеть . Возможно, лучше будет просто кратко представить эксперимент Майкельсона-Морли, а затем посмотреть анимацию.

Постулаты Эйнштейна

Результаты, описанные выше, оставили физиков с некоторыми озадачивающими и тревожными вопросами, например, почему свет, излучаемый быстро движущимся объектом, не распространяется быстрее, чем свет от уличного фонаря? Нужна была радикально новая теория, и Альберт Эйнштейн, изображенный на рис. 10.3, должен был стать всеобщим любимым гением. Эйнштейн начал с двух простых постулатов, основанных на двух вещах, которые мы уже обсуждали в этой главе.

1. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
2. Скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости его источника.

Рисунок 10.3 Альберт Эйнштейн (1879–1955) разработал современную теорию относительности, а также внес фундаментальный вклад в основы квантовой механики. (Библиотека Конгресса)

Скорость света обозначена символом c и равна ровно 299 792 458 м/с. Это скорость света в вакууме; то есть в отсутствие воздуха. Для большинства целей мы округляем это число до 3,00 × 108 м/с3,00 × 108 м/с. Термин инерциальная система отсчета просто относится к системе отсчета, в которой все объекты подчиняются первому закону движения Ньютона: покоятся, а движущиеся объекты остаются в движении с постоянной скоростью по прямой линии, если на них не действует внешняя сила. Внутренняя часть автомобиля, движущегося по дороге с постоянной скоростью, и внутренняя часть неподвижного дома являются инерциальными системами отсчета.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] Попросите учащихся округлить значение, данное для c , до 3 значащих цифр и выразить в экспоненциальном представлении. Подчеркните единицы измерения.

[ПР] Внимательно объясните постулаты. Обратите внимание, что, хотя они оба кажутся верными, они приводят к проблемам с классической механикой Ньютона. Объясните концепцию системы отсчета и попросите учащихся подумать о примерах систем отсчета, которые движутся относительно друг друга. Используйте транспортные средства и небесные тела. Объясните, что понимание относительного движения уходит своими корнями на сотни лет назад и началось не с теории относительности.

[AL] Объясните, что именно сочетание этих двух постулатов приводит к необычным результатам, которые последуют в следующем разделе, и что именно сочетание этих постулатов заставляет нас отказываться от некоторых аспектов ньютоновской физики в некоторых сценариях.

Предупреждение о заблуждении

Обратите внимание, что очень точное значение скорости света относится только к свету, проходящему через вакуум, и что во всех прозрачных материальных средах скорость меньше.

Смотреть физику

Скорость света

В этой лекции о свете собраны самые важные факты о скорости света. Если вам интересно, вы можете посмотреть видео целиком, но части, относящиеся к этой главе, находятся между 3:25 и 5:10, которые вы найдете, проведя курсором по нижней части видео.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Только участок с 3:25 до 5:10 минут имеет полное отношение к пониманию скорости света. Если учащиеся посмотрят его сразу после текста выше, они будут достаточно подготовлены.

Проверка захвата

Авиалайнер, летящий со скоростью 200 м/с, излучает свет в передней части самолета. Какое утверждение описывает скорость света?

1. Он движется со скоростью c + 200 м/с.
2. Он движется со скоростью c – 200 м/с.
3. Он движется со скоростью c , как и все легкие.
4. Ездит со скоростью чуть меньше c .

Снап Лаборатория

Измерьте скорость света

В этом эксперименте вы измерите скорость света, используя микроволновую печь и ломтик хлеба. Волны, генерируемые микроволновой печью, не являются частью видимого спектра, но все же являются электромагнитным излучением, поэтому распространяются со скоростью света. Если мы знаем длину волны λ и частоту f волны, мы можем рассчитать ее скорость v , используя уравнение v = λf . Вы можете измерить длину волны. Вы найдете частоту на этикетке на задней панели микроволновой печи. Волна в микроволновке представляет собой стоячую волну с областями высокой и низкой интенсивности. Секции с высокой интенсивностью отстоят друг от друга на половину длины волны.

• Высокая температура: В этой лаборатории встречаются очень высокие температуры. Это может вызвать ожоги.

• микроволновая печь
• один ломтик простого белого хлеба
• сантиметровая линейка
• калькулятор

1. Работа с партнером.
2. Выключите функцию вращения микроволновой печи или удалите колеса под посудой для микроволновой печи, которые заставляют ее вращаться. Важно, чтобы блюдо не переворачивалось.
3. Положите ломтик хлеба на блюдо, включите микроволновую печь на максимальную мощность, закройте дверцу, включите микроволновую печь примерно на 15 секунд.
4. На хлебе должен появиться ряд коричневых или черных пятен. Выключите микроволновку, как только они появятся. Измерьте расстояние между двумя соседними ожогами и умножьте результат на 2. Это длина волны.
5. Частота волн указана на задней стороне микроволновки. Найдите что-то вроде «2450 МГц». Гц — это единица измерения герц, что означает в секунду . M представляет мега, что означает миллион, поэтому умножьте число на 10 ⁶ .
6. Выразите длину волны в метрах и умножьте ее на частоту. Если вы все сделали правильно, вы получите число, очень близкое к скорости света. Не ешьте хлеб. Общее правило безопасности в лаборатории — никогда ничего не есть в лаборатории.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Этот эксперимент можно продемонстрировать классу, если в классе есть микроволновая печь. Возможно, было бы лучше позволить учащимся провести эксперимент дома, чтобы они могли получить больше практического опыта. Перед лабораторией вы можете предложить им посмотреть это видео.

Чтобы продолжить обсуждение, вы можете рассказать им о преломлении света при изменении скорости при переходе из одной среды в другую. Поскольку скорость света в воздухе меньше, чем в вакууме, свет преломляется, когда входит в атмосферу Земли.

Эта ссылка ведет на видео, демонстрирующее, как измерить скорость света с помощью микроволновой печи, линейки и плитки шоколада. Также есть сопроводительная статья с справочной информацией об измерении скорости света.

Проверка захвата

Как измеренное вами значение скорости света соотносится с принятым значением (% ошибки)?

1. Измеренное значение скорости будет равно c .
2. Измеренное значение скорости будет чуть меньше c .
3. Измеренное значение скорости будет немного больше c .
4. Измеренное значение скорости будет зависеть от частоты микроволн.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Некоторым учащимся будет трудно полностью понять это. Тот факт, что наблюдатели видят разные вещи, является результатом истинности двух постулатов. Если скорость света постоянна и обе системы отсчета действительны, то одновременность не одинакова для всех наблюдателей. Попросите их провести мысленный эксперимент в своей голове, чтобы понять, что здесь показано. Иногда учащиеся развлекаются, рисуя карикатуры, объясняющие или демонстрирующие сложные понятия. Затем они могут показать карикатуру классу и объяснить свои рассуждения.

[ПР] Если учащимся сложно понять это объяснение одновременности, сообщите им, что в следующем разделе будет анимация, которая должна прояснить ситуацию.

[OL][BL] Укажите, что взаимосвязь между специальной теорией относительности и механикой Ньютона является прекрасным примером того, как развивается наука. Объясните, что новые теории редко переворачивают старые теории. Чаще всего новые теории расширяют и расширяют старые теории. Спросите учащихся, могут ли они вспомнить другие примеры из истории науки.

Постулаты Эйнштейна были тщательно отобраны, и оба они казались очень вероятными. Эйнштейн продолжал, несмотря на то, что понимал, что эти две идеи, взятые вместе и примененные к экстремальным условиям, привели к результатам, противоречащим ньютоновской механике. Он просто взял мяч и побежал с ним.

С традиционной точки зрения скорости складываются. Если вы бежите со скоростью 3 м/с и бросаете мяч вперед со скоростью 10 м/с, чистая скорость мяча должна быть 13 м/с. Однако, согласно теории относительности, скорость движущегося источника света не добавляется к скорости излучаемого света.

Кроме того, теория Эйнштейна показывает, что если бы вы двигались вперед относительно Земли со скоростью почти c (скорость света) и могли бы бросить мяч вперед со скоростью c , наблюдатель, находящийся в состоянии покоя на Земле, не увидел бы мяч. движутся почти в два раза быстрее скорости света. Наблюдатель увидит, что он движется со скоростью, которая меньше c . Этот результат соответствует обоим постулатам Эйнштейна: скорость света имеет фиксированный максимум, и ни одна система отсчета не является привилегированной.

Рассмотрим, как мы измеряем прошедшее время. Если мы используем секундомер, например, как мы узнаем, когда запускать и останавливать часы? Один из методов — использовать приход света от события, например, наблюдение за зеленым светом, чтобы начать дрэг-рейсинг. Время будет более точным, если использовать какое-либо электронное обнаружение, избегая времени реакции человека и других осложнений.

Теперь предположим, что мы используем этот метод для измерения интервала времени между двумя вспышками света, производимыми лампами-вспышками в движущемся поезде. (См. рис. 10.4)

Рисунок 10.4 Свет, падающий на наблюдателя А, видимый двумя разными наблюдателями.

Женщина (наблюдатель А) сидит в центре вагона, по обеим сторонам которого на равном расстоянии от нее расположены две лампы-вспышки. Несколько световых лучей, испускаемых лампами-вспышками, движутся к наблюдателю А, как показано стрелками. Стрелка вектора скорости вагона показана вправо. Мужчина (наблюдатель Б), стоящий на платформе, смотрит на женщину и также наблюдает за вспышками света.

Наблюдатель А движется вместе с фонарями на вагоне, когда вагон движется вправо от наблюдателя Б. Наблюдатель В видит световые вспышки одновременно и видит, что обе лампочки вспыхнули одновременно. Однако он видит, что наблюдатель А сначала получает вспышку справа. Поскольку импульс справа доходит до нее первым, в ее системе отсчета она видит, что лампочки не вспыхнули одновременно. Здесь относительная скорость между наблюдателями влияет на то, будут ли наблюдаться одновременными два события в хорошо разделенных местах. Одновременность или то, происходят ли разные события в один и тот же момент, зависит от системы отсчета наблюдателя. Помните, что скорость равна расстоянию, деленному на время, поэтому т = д/ v . Если скорость оказывается другой, то и продолжительность времени оказывается другой.

Это иллюстрирует силу ясного мышления. Мы могли бы ошибочно предположить, что если свет излучается одновременно, то два наблюдателя на полпути между источниками одновременно увидят вспышки. Но тщательный анализ показывает, что это не так. Эйнштейн был блестящим мысленным экспериментом такого типа (по-немецки: Gedankenexperiment ). Он очень тщательно обдумывал, как делается наблюдение, и игнорировал то, что могло показаться очевидным. Достоверность мысленных экспериментов, конечно, определяется фактическим наблюдением. О гениальности Эйнштейна свидетельствует тот факт, что эксперименты неоднократно подтверждали его теорию относительности. Никакие эксперименты после Майкельсона и Морли не смогли обнаружить никакой эфирной среды. Позже мы опишем, как эксперименты также подтвердили другие предсказания специальной теории относительности, такие как расстояние между двумя объектами и временной интервал двух событий, отличающийся для двух наблюдателей, движущихся относительно друг друга.

Вкратце: два события считаются одновременными, если наблюдатель считает их происходящими одновременно (например, принимая свет от этих событий). Два события не обязательно одновременны для всех наблюдателей.

Расхождения между ньютоновской механикой и теорией относительности иллюстрируют важный момент развития науки. Теория Эйнштейна не заменила теорию Ньютона, а расширила ее. Нет ничего необычного в том, что для объяснения новой информации должна быть разработана новая теория. В большинстве случаев новая теория строится на фундаменте старой теории. Редко когда старые теории полностью заменяются.

В этой главе вы познакомитесь со специальной теорией относительности, но, как упоминалось во введении, Эйнштейн разработал две теории относительности: специальную и общую. В таблице 10.1 приведены различия между двумя теориями.

Специальная теория относительности	Общая теория относительности
Опубликовано в 1905 году	Окончательная форма опубликована в 1916 г.
Теория пространства-времени	Теория гравитации
Применяется к наблюдателям, движущимся с постоянной скоростью	Применяется к наблюдателям, которые ускоряются
Самый полезный в области ядерной физики	Самый полезный в области астрофизики
Быстрое признание и практическое применение физиками-ядерщиками и квантовыми химиками	Практически игнорировался до 1960 года, когда новые математические методы сделали теорию более доступной и астрономы нашли несколько важных приложений
Также обратите внимание, что общая теория относительности включает в себя специальную теорию относительности.

Стол 10.1 Сравнение специальной теории относительности и общей теории относительности

Рабочий пример

Вычисление времени, которое требуется свету для прохождения заданного расстояния

Солнце находится на расстоянии 1,50 × 10 ⁸ км от Земли. Сколько времени требуется свету, чтобы добраться от Солнца до Земли в минутах и ​​секундах?

Стратегия

Определить известные.

Расстояние = 1,50 × 108 км. Скорость = 3,00 × 108 км. Расстояние = 1,50 × 108 км.

Время

Найдите уравнение, связывающее известные и неизвестные.

v=dt; т=двв=дт; t=dv

10,2

Обязательно используйте согласованные единицы измерения.

Решение

T = DV = (1,50 × 108 км) × 103 мкм3,00 × 108 мс = 5,00 × 102S 500 S = 8 мин и 20 ST = DV = (1,50 × 108 км) × 103MKM3.00 × 108 мс = 5,00 × 102S 500 с = 8 мин и 20 с

Обсуждение

Ответ записан как 5,00 × 10 ² , а не 500, чтобы показать, что есть три значащие цифры. Когда астрономы становятся свидетелями какого-либо события на Солнце, например появления пятна, на самом деле оно произошло за несколько минут до этого. Сравнить 8 свет минут расстояния до звезд, которые светят лет лет. Какие-то события на других звездах произошли много лет назад.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Определите три переменные и выберите соответствующее уравнение. В физике расчеты обычно производятся в метрах и секундах. Используйте экспоненциальное представление, чтобы отслеживать значащие цифры.

Практические задачи

1.

Свет проходит через 1,00 м воды за 4,42×10 ^-9 с. Какова скорость света в воде?

1. 4,42×10 ^-9 м/с
2. 4,42×10 ⁹ м/с
3. 2,26×10 ⁸ м/с
4. 226×10 ⁸ м/с

2.

Астронавт на Луне получает сообщение от центра управления полетами на Земле. Сигнал посылается в виде электромагнитного излучения, и ему требуется 1,28 с, чтобы преодолеть расстояние между Землей и Луной. Каково расстояние от Земли до Луны?

1. 2,34×10 ⁵ км
2. 2,34×10 ⁸ км
3. 3,84×10 ⁵ км
4. 3,84×10 ⁸ км

Проверьте свое понимание

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте вопросы «Проверьте свое понимание», чтобы оценить достижение учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся борются с определенной задачей, функция «Проверить понимание» поможет определить, какая из них, и направит учащихся к соответствующему содержанию.

3.

Объясните, что понимается под системой отсчета.

1. Система отсчета — это график, построенный между расстоянием и временем.

2. Система отсчета представляет собой график, построенный между скоростью и временем.

3. Система отсчета — это скорость объекта в пустом пространстве независимо от его окружения.

4. Система отсчета — это произвольно фиксированная точка, относительно которой измеряется движение других точек.

4.

Два человека уплывают от плота, который плывет по течению. Один плывет против течения и возвращается, а другой плывет поперек течения и обратно. Если этот сценарий представляет собой эксперимент Майкельсона-Морли, что представляют собой (i) вода, (ii) пловцы и (iii) плот?

1. эфир лучи света Земля
2. лучей света эфир Земля
3. эфир Земля лучи света
4. Земля лучи света эфир

5.

Если бы Майкельсон и Морли наблюдали сдвиг интерференционной картины в своем интерферометре, что бы это означало?

1. Скорость света одинакова во всех системах отсчета.
2. Скорость света зависит от движения относительно эфира.
3. Скорость света изменяется при отражении от поверхности.
4. Скорость света в вакууме меньше 3,00×10 ⁸ м/с.

6.

Если вы обозначите точку как фиксированную и используете эту точку для измерения движения окружающих объектов, как называется эта точка?

1. Происхождение
2. Система отсчета
3. Подвижная рама
4. Система координат

Объяснение теории относительности Эйнштейна за 4 простых шага

Теория относительности Альберта Эйнштейна известна тем, что предсказала некоторые действительно странные, но правдивые явления, такие как астронавты стареют медленнее, чем люди на Земле, и твердые объекты, изменяющие свою форму с высокой скоростью.

Но дело в том, что если вы возьмете копию оригинальной статьи Эйнштейна по теории относительности 1905 года, ее будет легко прочитать. Его текст прост и понятен, а его уравнения в основном состоят из алгебры — ничего такого, что могло бы беспокоить типичного старшеклассника.

Это потому, что Эйнштейн никогда не интересовался сложной математикой. Ему нравилось мыслить визуально, придумывая эксперименты мысленным взором и прокручивая их в голове, пока он не мог видеть идеи и физические принципы с кристальной ясностью. (Прочитайте «10 вещей, которые вы (вероятно) не знали об Эйнштейне».)

Чтобы воплотить этот процесс в жизнь, National Geographic создал интерактивную версию одного из самых известных мысленных экспериментов Эйнштейна: притчу о ударах молнии, видимую из движущегося поезда, которая показывает, как два наблюдателя могут по-разному понимать пространство и время.

Вот как Эйнштейн начал свои мысленные эксперименты, когда ему было всего 16 лет, и как они в конечном итоге привели его к самому революционному уравнению в современной физике.

1895: Бег рядом со световым лучом

К этому моменту плохо замаскированное презрение Эйнштейна к жестким, авторитарным методам обучения в его родной Германии привело к тому, что его уже выгнали из эквивалента средней школы, поэтому он переехал в Цюрих в надежде поступить в Швейцарский федеральный технологический институт (ETH). ). (См. также «Почему ФБР хранило файл на 1400 страниц об Эйнштейне».)

Однако сначала Эйнштейн решил провести год подготовки в школе в соседнем городе Арау — месте, где особое внимание уделялось авангардным методам. как независимое мышление и визуализация концепций. В этой счастливой обстановке он вскоре обнаружил, что задается вопросом, каково это — бежать рядом с лучом света.

Эйнштейн уже знал на уроках физики, что такое световой луч: набор колеблющихся электрических и магнитных полей, движущихся со скоростью 186 000 миль в секунду, измеряемой скоростью света. Если бы он бежал рядом с ним именно с такой скоростью, рассуждал Эйнштейн, он должен был бы быть в состоянии оглянуться и увидеть ряд колеблющихся электрических и магнитных полей, висящих рядом с ним, казалось бы, неподвижных в пространстве.

Но это было невозможно. Во-первых, такие стационарные поля нарушали бы уравнения Максвелла, математические законы, которые систематизировали все, что физики того времени знали об электричестве, магнетизме и свете. Законы были (и остаются) достаточно строгими: любая рябь на полях должна двигаться со скоростью света и не может стоять на месте — без исключений.

Хуже того, стационарные поля не согласуются с принципом относительности, понятием, которое физики приняли со времен Галилея и Ньютона в 17 веке. По сути, теория относительности утверждала, что законы физики не могут зависеть от того, насколько быстро вы движетесь; все, что вы могли измерить, — это скорость одного объекта относительно другого.

Но когда Эйнштейн применил этот принцип к своему мысленному эксперименту, возникло противоречие: согласно теории относительности, все, что он может увидеть, двигаясь рядом со световым лучом, включая стационарные поля, также должно быть чем-то, что земные физики могут создать в лаборатории. Но ничего подобного никогда не наблюдалось.

Эта проблема будет беспокоить Эйнштейна еще 10 лет, пока он работал в университете в ETH и переехал в столицу Швейцарии Берн, где он стал экспертом в швейцарском патентном ведомстве. Вот тут-то он и решил разрешить парадокс раз и навсегда.

1904: Измерение света движущегося поезда

Это было непросто. Эйнштейн перепробовал все возможные решения, но ничего не сработало. Почти в отчаянии он начал обдумывать идею, простую, но радикальную. Может быть, уравнения Максвелла работают для всех, подумал он, но скорость света всегда постоянна.

Другими словами, когда вы видите проносящийся мимо световой луч, не имеет значения, движется ли его источник к вам, от вас или в сторону, и не имеет значения, с какой скоростью движется источник. Вы всегда будете измерять скорость этого луча как 186 000 миль в секунду. Помимо прочего, это означало, что Эйнштейн никогда не увидит стационарных колеблющихся полей, потому что он никогда не сможет поймать световой луч.

Это был единственный способ, которым Эйнштейн мог примирить уравнения Максвелла с принципом относительности. Однако поначалу казалось, что у этого решения есть свой фатальный недостаток. Позже Эйнштейн объяснил эту проблему с помощью другого мысленного эксперимента: представьте, что луч света пускается вдоль железнодорожной насыпи в тот момент, когда поезд с ревом мчится в том же направлении со скоростью, скажем, 2000 миль в секунду.

Кто-нибудь, стоящий на набережной, измерил бы скорость светового луча как стандартное число, 186 000 миль в секунду. Но кто-нибудь в поезде увидит, как он движется со скоростью всего 184 000 миль в секунду. Если бы скорость света не была постоянной, уравнения Максвелла должны были бы каким-то образом выглядеть внутри железнодорожного вагона, заключал Эйнштейн, и принцип относительности был бы нарушен.

Это кажущееся противоречие заставило Эйнштейна почти на год заблудиться. Но вот прекрасным утром 19 мая05, он шел на работу со своим лучшим другом Микеле Бессо, инженером, которого он знал еще со студенческих времен в Цюрихе. Двое мужчин говорили о дилемме Эйнштейна, как они часто делали. И вдруг Эйнштейн увидел решение. Он работал над ним всю ночь, а когда они встретились на следующее утро, Эйнштейн сказал Бессо: «Спасибо. Я полностью решил проблему».

Май 1905 года: молния ударяет в движущийся поезд

Открытие Эйнштейна заключалось в том, что наблюдатели в относительном движении воспринимают время по-разному: вполне возможно, что два события происходят одновременно с точки зрения одного наблюдателя, но происходят в разное время с точки зрения другого. Другой. И оба наблюдателя будут правы.

Позже Эйнштейн проиллюстрировал это положение еще одним мысленным экспериментом. Представьте, что вы снова видите наблюдателя, стоящего на железнодорожной насыпи, когда мимо с ревом проносится поезд. Но на этот раз в каждый конец поезда ударяет молния как раз в тот момент, когда поезд проходит середину. Поскольку удары молнии находятся на одинаковом расстоянии от наблюдателя, их свет достигает его глаза в одно и то же мгновение. Так что он правильно говорит, что они произошли одновременно.

Тем временем другой наблюдатель в поезде сидит ровно посередине. С ее точки зрения, свет от двух ударов также должен пройти равные расстояния, и она также будет измерять скорость света одинаковой в любом направлении. Но поскольку поезд движется, свет, исходящий от молнии сзади, должен пройти большее расстояние, чтобы догнать ее, поэтому он достигает ее на несколько мгновений позже, чем свет, исходящий спереди. Поскольку световые импульсы пришли в разное время, она может только заключить, что ударов было 9.0575, а не одновременно — то, что впереди, на самом деле произошло первым.

Короче говоря, понял Эйнштейн, одновременность — это то, что относительно. Как только вы примете это, все странные эффекты, которые мы теперь связываем с теорией относительности, станут вопросом простой алгебры.

Эйнштейн лихорадочно изложил свои идеи и отправил свою статью для публикации всего через несколько недель. Он дал ей название — «Об электродинамике движущихся тел», — что говорило о его борьбе за примирение уравнений Максвелла с принципом относительности. И в заключение он поблагодарил Бессо («Я обязан ему несколькими ценными предложениями»), что гарантировало его другу прикосновение бессмертия.

Сентябрь 1905: Масса и Энергия

Однако на этом первом документе дело не закончилось. Эйнштейн был одержим теорией относительности все лето 1905 года, а в сентябре прислал вторую статью как своего рода запоздалую мысль.

Он был основан на еще одном мысленном эксперименте. «Представьте объект, который находится в состоянии покоя», — сказал он. А теперь представьте, что он спонтанно испускает два одинаковых световых импульса в противоположных направлениях. Объект останется на месте, но поскольку каждый импульс уносит определенное количество энергии, энергоемкость объекта будет уменьшаться.

Теперь, сказал Эйнштейн, как этот процесс будет выглядеть для движущегося наблюдателя? С ее точки зрения, объект просто продолжал двигаться по прямой линии, в то время как два импульса расходились. Но даже если скорость двух импульсов осталась бы одинаковой — скоростью света, — их энергии были бы разными: импульс, движущийся вперед в направлении движения, теперь имел бы более высокую энергию, чем импульс, движущийся назад.

Приложив немного больше алгебры, Эйнштейн показал, что для того, чтобы все это было непротиворечивым, объект должен не только терять энергию при выходе световых импульсов, но и немного терять массу. Или, другими словами, масса и энергия взаимозаменяемы.

Эйнштейн записал уравнение, связывающее их. Используя сегодняшние обозначения, в которых скорость света сокращается с помощью буквы c , он легко вывел самое известное из когда-либо написанных уравнений: E = mc ² .

Читать дальше

Может ли туризм помочь защитить легендарный Мон-Сен-Мишель?

• Путешествия

Может ли туризм помочь защитить легендарный Мон-Сен-Мишель?

Историческое и хрупкое аббатство на острове — самое посещаемое место во Франции за пределами Парижа. В преддверии своего тысячелетия новый план устойчивого развития направлен на то, чтобы защитить его в будущем.