Сравнительный анализ методик преобразований Галилея в курсе общей физики и в курсе элементарной физики

Представление об относительности – одна из труднейших для понимания идей естествознания. Уточним содержание терминов и сделаем первые шаги к освоению идеи относительности применительно к механическому движению.

Относительный результат – значит зависящий от условий наблюдения. Не от личных качеств наблюдателя, а именно от условий, в которых он проводит наблюдения за явлением. Сведения, пол

ученные наблюдателем, будут истинными, если он правильно выполнял все операции. Но такого же характера сведения о том же самом явлении, полученные другим наблюдателем, находящимся в другой системе отсчета (СО), будут тоже истинными, но отличными от результатов первого наблюдателя. В этом смысле мы и говорим: такие-то результаты являются относительными, т. е. верны по отношению к определенной СО, с описания которой наблюдатель и должен начинать отчет о своем исследовании.

Механическое движение – относительное явление, по крайней мере, некоторые его стороны. Мы легко увидим это, рассмотрев несколько простых примеров: «Книга на столике в купе поезда неподвижна…», «Солнце всходит и заходит…», «Автомобиль мчится с бешеной скоростью…». Не кажутся ли вам эти утверждения странными? Но ведь в них нет указания на СО (на относительное пространство), из которой ведется наблюдение, разве что подразумевается. Какое именно относительное пространство подразумевается? Дополните утверждения так, чтобы они обрели смысл. Укажите также СО, в которых эти утверждения станут обратными: «Книга… движется…», «Солнце неподвижно…», «Автомобиль «бешено» покоится…». Итак:

1. Механическое движение можно наблюдать только относительно других тел. Обнаружить изменение положения тела, если не с чем сравнивать невозможно.

2. В различных системах отсчета физические величины (скорость, ускорение, перемещение и т. д.), характеризующие движение одного и того же тела, могут быть различными.

3. Характер движения, траектория движения и т. п. могут быть различны в разных системах отсчета для одного и того же тела могут быть различны.

Преобразования Галилея – наиболее простой и естественный переход из одной системы отсчета в другую.

Идея относительности в кинематике

Формирование представления о механическом движении невозможно без введения понятия о системе отсчета. Чтобы описать движение тела, т. е. его перемещение в пространстве относительно каких-то других тел, с этими телами жестко связывают систему координат и часы для отсчета времени.

В классической механике Ньютона постулируется существование избранной системы отсчета, которая находится в абсолютном покое. Всякое тело, которое по отношению к этой системе покоится, находится также в абсолютном покое, а движение тел по отношению к ней является абсолютным движением.

Гипотеза об абсолютном пространстве к концу прошлого века значительно укрепилась в связи с успехами концепции эфира. Движение по отношению к эфиру рассматривалось как абсолютное. И только опытами Майкельсона и Морли, отрицательный результат которых впервые показал невозможность определить движение относительно эфира, была развеяна иллюзия о существовании абсолютной системы отсчета. Однако у Ньютона абсолютная система отсчета не связывалась с каким-либо неподвижным телом.

В «Математических началах натуральной философии» Ньютон писал, что абсолютное пространство не может быть предметом наблюдения, наблюдаемыми могут быть лишь относительные положения тел, так как, возможно, не существует тела, поистине покоящегося, относительно которого все положения и все движения других тел можно было бы отсчитать.

Классический принцип относительности был сформулирован еще на начальном этапе развития механики. В нем утверждается, что равномерное и прямолинейное движение системы отсчета не может быть обнаружено в результате наблюдения в ней механических явлений. С физической точки зрения это означает, что поступательное равномерное и прямолинейное движение системы не оказывает никакого влияния на механические процессы в системе. Все механические процессы, происходящие внутри такой системы, не зависят от того, покоится ли эта система как целое или движется равномерно и прямолинейно.

Прямолинейное равномерное движение, например, теплохода, если оно происходит совершенно плавно, без толчков и ускорений, не оказывает влияния на происходящие на нем процессы: тела на нем будут двигаться так же, как и в неподвижной системе; упругий удар бильярдных шаров на покоящемся и на равномерно и прямолинейно движущемся теплоходах заканчивается разлетом этих шаров на один и тот же угол; брошенное вверх тело вернется в ту же точку по отношению к теплоходу, из которой оно было брошено, а не отстанет от его движения (не отклонится в сторону); тело, брошенное вдоль каюты, достигнет противоположной стенки за время, которое не зависит от направления движения теплохода, и т. д.

Закон неразличимости покоя и равномерного прямолинейного движения носит название принципа относительности Галилея. Подтверждаемый все новыми фактами, он вошел в физику так прочно, что стал необходимой составной частью научного мировоззрения.

Из принципа относительности движения вытекает, прежде всего, что координаты точки, траектория и скорость относительны, они зависят от выбора системы отсчета.

Вместе с тем из классического принципа относительности следует также и то, что некоторые величины являются абсолютными (инвариантными в отношении различных систем отсчета). Например, расстояние между телами не зависит от того, по отношению к какой системе отсчета мы рассматриваем движение этих тел. То же относится и к промежуткам времени между событиями. Ускорение, если мы ограничиваемся рассмотрением только инерциальных или так называемых галилеевых систем отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, тоже величина абсолютная. Ведь если тело движется с некоторым ускорением в какой-то одной системе отсчета, то его ускорение останется таким и в другой системе, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой: поскольку сама система движется без ускорения, то изменение скорости, которое произошло у тела в первой системе, останется таким же и по отношению ко второй системе. Теннисный мяч, получивший некоторое ускорение относительно теплохода под действием удара ракетки, будет иметь такое же ускорение относительно берегов, так как поступательное равномерное движение теплохода не влияет на изменение скорости мяча. В то же время скорость теннисного мяча как относительная величина в этих системах отсчета различна в каждый момент времени.

Мы видим, что принцип относительности по своему содержанию глубоко диалектичен: наряду с утверждение относительности ряда величин и понятий он содержит и утверждение абсолютности (инвариантности) других величин. Кроме того, в принципе относительности содержится и нечто большее – утверждение абсолютности законов динамики: во всех инерциальных системах отсчета независимо от их относительной скорости все механические явления протекают по одним и тем же законам.