Do đó, căn cứ vào nguyên lý tương đối Galieo, với các hiện tượng cơ học thì không thể tìm được một HQCtuyệt đối(HQCưu tiên) mà trong hệ đó tất cả các hệ còn lại sẽ chuyển động với một vậ[r]
(1)MỤC LỤC
A.MỞ ĐẦU 3
B.NỘI DUNG 4
1.Vị trí, nhiệm vụ yêu cầu dạy học chương “Sơ lược thuyết tương đối hẹp”
2 Cấu trúc chương “ Sơ lược thuyết tương đối hẹp”
3.Chuẩn kiến thức, kỹ chương “Sơ lược thuyết tương đối hẹp”
4 Phân tích nội dung đề tài chương “Sơ lược thuyết tương đối hẹp”
4.1.Những tiên đề vật lý xuất phát thuyết tương đối hệ
4.2.Hệ thức Einstein lượng khối lượng
C.KẾT LUẬN 12
(2)A.MỞ ĐẦU
Lý thuyết tương đối hẹp, lý thuyết xem tuyệt đẹp chất không gian thời gian Lý thuyết đứng vững qua nhiều thử thách thực nghiệm kỷ qua Địa vị vững đến mức kết thực nghiệm đưa mà mâu thuẫn với lý thuyết tương đối nhà vật lý khắp nơi kết luận phải có khơng thí nghiệm Lý thuyết tương đối vốn tiếng vấn đề khó người khơng nghiên cứu Đó khơng phải khó hiểu phức tạp tốn học, cần giải phương trình bậc đủ mặt kiến thức toán Cái khó tập trung chỗ lý thuyết tương đối buộc phải kiểm tra lại cách có phê phán ý tưởng ta khơng gian thời gian[1]
Tính trừu tượng lý thuyết tương đối, tính tảng luận đề sở, việc thiếu thí nghiệm chứng minh dùng nhà trường làm cho đề tài trở nên khó[3]
Vì lý nêu mà chương trình Vật lý 12 nâng cao đưa vào chương hồn tồn khó là: “sơ lược Thuyết tương đối hẹp” (chương VIII)
Để giảng dạy tốt chương này, tiểu luận chủ yếu làm rõ sâu sắc kiến thức thức tiên đề Einstein, tính tương đối khơng-thời gian, tính tương đối khối lượng hệ thức liên hệ lượng khối lượng
(3)B.NỘI DUNG
1.Vị trí, nhiệm vụ yêu cầu dạy học chương “Sơ lược thuyết tương đối hẹp”
Để xác định vị trí việc nghiên cứu đề tài, thứ cần phải vạch thuyết tương đối hẹp xuất mối quan hệ với điện động lực học vật chuyển động
Đối tượng tương đối tính quan trọng điện từ trường Vì đề tài trình bày sau HS học sóng điện từ Thứ hai, HS chuẩn bị đầy đủ học cổ điển, quan trọng tính tương đối chuyển động động học và các HQCquán tính động lực học Thứ ba đề tài trình bày sau đề tài lượng tử ánh sáng trước đề tài hạt nhân nguyên tử đề tài từ vi mô đến vĩ mô nên kiến thức thu thuyết tương đối hẹp áp dụng để vạch rõ chất lượng tử ánh sáng, cấu trúc hạt nhân nguyên tử, tìm hiểu hạt sơ cấp
Nhiệm vụ chương “Sơ lược thuyết tương đối” trình bày sơ lược số vấn đề động học động lực học thuyết tương đối hẹp, vạch tính quy luật không- thời gian giới vật chất hệ thức Einstein lượng khối lượng
Yêu cầu giảng dạy đề tài mặt thế giới quan, đảm bảo cho HS hiểu tư tưởng vật lý thuyết tương đối như:
+ Sự bình đẳng hệ quán tính tính đối xứng quy luật tự nhiên lựa chọn hệ quy chiếu
+ Sự tồn tốc độ hữu hạn chuyển động vật chất
(4)2 Cấu trúc chương “ Sơ lược thuyết tương đối hẹp”
Khối lượng tương đối tính
Năng lượng tương đối tính
Áp dụng cho photon Sự co độ dài
Sự chậm lại thời gian
Sơ lược thuyết tương đối
Hạn chế của cơ học cổđiển
Hệ thức năng lượng
và khối lượng
Các tiên
đề
Einstein
Hệ thuyết tương
đối
Tính tương đối
(5)3.Chuẩn kiến thức, kỹ chương “Sơ lược thuyết tương đối hẹp”
CHỦ ĐỀ MỨC ĐỘ CẦN ĐẠT GHI CHÚ
Sơ lược Thuyết tương đối hẹp
a) Hai tiên đề Thuyết tương đối hẹp
b) Hệ Thuyết tương đối hẹp
*Kiến thức:
- Hiểu hai tiên đề Thuyết tương đối hẹp
- Hiểu hệ Thuyết tương đối tính tương đối khơng gian, thời gian - Hiểu tăng lên khối lượng vật chuyển động mối quan hệ lượng khối lượng
*Kỹ năng:
-Vận dụng hệ thức co chiều dài, chậm lại thời gian hệ thức lượng khối lượng để giải tập -Vận dụng hệ thức khối lượng tương đối tính hệ thức lượng khối lượng để chứng tỏ khối lượng nghỉ photon không
4 Phân tích nội dung đề tài chương “Sơ lược thuyết tương đối hẹp” 4.1.Những tiên đề vật lý xuất phát thuyết tương đối hệ quả
(6)tính quy luật thể vật chuyển động với tốc độ lớn, sánh với tốc độ ánh sáng Các tốc độ tương đối tính tốc độ có giá trị nằm khoảng từ 100(km/s) đến c =299792,5(km/s)(giới hạn giới hạn nêu ước chừng tùy thuộc vào xác phép đo) Như vậy, điện từ trường ánh sáng phải tuân theo định luật thuyết tương đối hẹp
Bằng phương tiện động học đo khoảng cách khoảng thời gian ta xác định tồn chuyển động tương đối hệ Song phép đo không giải vấn đề tính tuyệt đối chuyển động hay đứng n hệ Do đó, vào nguyên lý tương đối Galieo, với tượng học khơng thể tìm HQCtuyệt đối(HQCưu tiên) mà hệ tất hệ cịn lại chuyển động với vận tốc xác định(vận tốc tuyệt đối), nghĩa là, vào tượng học xác định vận tốc chuyển động tuyệt đối của hệ người quan sát Mở rộng nguyên lý tương đối Galileo cho tượng vật lý, Einstein đề tiên đề gọi nguyên lí tương đối “Các định luật vật lý có dạng HQCqn tính” Nói cách khác trình tự nhiên xảy HQCqn tính, điều có nghĩa HQCquán tính quan sát diễn biến q trình vật lí đó, khơng thể xác định chuyển động hệ có tuyệt đối hay không Mặt khác, tiên đề không nói giá trị đo tất đại lượng vật lý cho quan sát viên qn tính; đa số khơng phải Chỉ có định luật vật lý liên hệ số đo với nhau.[1]Như vậy, nói chung khơng cịn vấn đề tồn HQCđứng yên(hệ ưu tiên) tuyệt đối, đồng thời khơng cịn có vấn đề chuyển động tuyệt đối hệ nữa: chuyển động HQCquán tính luôn chỉ là chuyển động tương đối HQCquán tính khác[3]
Tiên đề xuất phát thứ hai lí thuyết tương đối hẹp Einstein nêu lên nguyên lý không đổi tốc độ ánh sáng.“Tốc độ ánh sáng chân khơng có độ lớn bằng c HQCqn tính, khơng phụ thuộc vào phương truyền vào tốc độ của nguồn sáng hay máy thu” Tiên đề chừng mực liên quan với phát triển trước vật lý học Theo vật lý học cổ điển, vận tốc q trình sóng không phụ thuộc vào vận tốc nguồn Song định đề suy chủ yếu từ thí nghiệm, mà phần lớn kết trực giác Einstein, tức điều khẳng định tính bất biến tốc độ ánh sáng điều mẻ nguyên tắc[4]
Tiên đề không đổi tốc độ ánh sáng đơn giản hệ tiên đề thứ Thật vậy, thuyết tương đối hẹp hồn tồn khơng phải tốc độ nào HQC quán tính Song tồn tốc độ giới hạn chuyển động, bình đẳng tất HQCqn tính, tốc độ phải khơng đổi hệ Như vậy, không đổi tốc độ ánh sáng theo tất hướng trong chân không, HQC gắn liền với tính chất giới hạn tốc độ đó, độc lập tốc độ ánh sáng tốc độ chuyển động nguồn gắn liền với tính giới hạn này[4]
Tiên đề tốc độ ánh sáng thực nghiệm kiểm tra chặt chẽ máy gia tốc Trong phịng thí nghiệm thực năm 1964, nhà vật lí CERN, phịng thí nghiệm hạt châu Âu đặt gần Giơnevơ, gia tốc chùm hạt pion(
)chuyển động với tốc độ 0,99975c phịng thí nghiệm Các nhà thực nghiệm sau đo tốc độ tia gama
(vì hạt pion phân rã thành tia
theo sơ đồ
)docác pion chuyển động xạ Các kết họ tốc độ ánh sáng là: Từ hạt pion chuyển động: 2,998.108(m/s)
(7)Hai hệ quan trọng rút từ lý thuyết tương đối hẹp hệ thức biểu thị tính tương đối chiều dài khoảng thời gian
Các hệ thức tương đối :
2
0
1
v
l l
c
(1)2
1
t
t
v
c
(2)Ý nghĩa hệ thức(1) (2) chiều dài vật thể khoảng thời gian kéo dài trình, HQC khác khác nhau, có HQC xét có nhiêu chiều dài vật thể, có nhiêu độ lâu q trình Nói cách khác chiều dài khoảng thời gian tương đối, tức chúng phụ thuộc vào HQC, vào vận tốc chuyển động chúng Nhưng chiều dài vật thể biểu tồn khơng gian vật chất, cịn thời gian kéo dài cảu trình biểu tồn thời gian vật chất Do đó, tính tương đối chiều dài khoảng thời gian có nghĩa khơng gian thời gian phụ thuộc vào vận động vật chất(vì HQC chuyển động hệ đối tượng vật chất chuyển động) Khi nói chiều dài vật thể khoảng thời gian mà không không kể đến phụ thuộc vào vào HQC nói chung điều vơ nghĩa: chiều dài khoảng thời gian hồn toàn xác định HQC định Thành thử, chiều dài vật thể đặc trưng vật thể tự thân mà tương vật thể khác Hệt thế, khoảng thời gian đặc trưng độ lâu q trình tương q trình khác Nói tóm lại, khơng gian thời gian có liên quan mật thiết vận động vật chất[4]
Sự rút ngắn chiều dài chậm lại thời gian hiệu ứng có tính chất tương đối, có thật khách quan, khơng phải hiệu ứng quy định quan điểm người quan sát Chiều dài khoảng thời gian khơng phụ thuộc vào vị trí cảu người quan sát mà phụ thuộc vào HQC, tức hệ thống đối tượng vật chất Người quan sát khơng có mặt HQC hiệu ứng ghi lại nhờ phương tiện quan sát khách quan Hiệu ứng thực nghiệm Dinge xác nhận[4]
Cũng không cho hiệu ứng biểu kiến, “trên thực tế” vật có chiều dài định, q trình có độ lâu định, “tưởng” chúng thay đổi thơi Dĩ nhiên, chiều dài vật thể HQC mà vật thể đứng n một, không phụ thuộc vào vận tốc mà hệ chuyển động với vật thể Nhưng điều không cho phép ta coi chiều dài có địa vị ưu tiên dựa mà giả định “trên thực tế” chiều dài lúc rút ngắn lại tưởng mà Trong lập luận tồn “chiều dài chân thực nhất”, “chiều dài thực tế” chứa đựng điều giả định tồn HQC ưu nhất, HQC mà vật thể đứng yên Nhưng theo nguyên lý tương đối, tất HQC bình đẳng khơng có hệ có địa vị ưu tiên Do vậy, tất chiều dài vật thể tương HQC khác bình đẳng khơng có một “chiều dài chân thực nhất” hay “chiều dài thực tế”
(8)một vật chuyển động phép so sánh trước thời Einstein khơng có khác khơng xác hóa Trong thuyết tương đối hẹp, độ dài vật dọc theo theo phương chuyển động khoảng cách hai “vết khắc” đánh dấu đồng thời điểm đầu điểm cuối vật này(khoảng cách vật đo thước đo cần phải nhỏ) Nhưng tính tương đối đồng thời, việc đánh dấu HQC khác đo khoảng cách khác Việc so sánh vật đứng yên hay chuyển động với mẫu thực mắt hay dụng cụ luôn tia sáng Đồng thời phép đo độ dài vật đứng yên nguyên tắc khác với phép đo đọ dài vật chuyển động, vị trí đầu vật đứng yên thước đo không đổi, độ dài vật chuyển động đo theo phương vng góc với phương chuyển động thu kết tất HQC khác nhau[3]
Các câu hỏi: “Có phải vật thật sự co lại? “Có phải nguyên tử vật thực sự
bị đẩy sít lại ?” câu hỏi phạm vi thuyết tương đối Độ dài vật mà ta đo thấy thế, chuyển động có ảnh hưởng đến phép đo điều xảy vật lý cổ điển hiệu ứng Doppler ví dụ[1]
Như vậy, thay đổi quan điểm không gian thời gian thuyết tương đối hẹp mang lại là: quan điểm thuyết này, không gian thời gian tách rời khỏi đối tượng vật chất vận động chúng, không không gian thời gian phụ thuộc vào vận động vật chất Theo thuyết tương đối tổng quát, tác dụng trường hấp dẫn làm cho không gian bị uốn cong gây ảnh hưởng đến nhịp độ thời gian Như vậy, có nghĩa tính chất khơng gian thời gian phụ thuộc vào vật chất định vật chất[4]
4.2.Hệ thức Einstein lượng khối lượng
Khi vật chuyển động với tốc độ v sánh với tốc độ ánh sáng động lượng tương đối tính vật xác định theo công thức
0 2
1
m
p mv
v
c
(3) 20
/ 1
/
m m
v c
(4)m gọi khối lượng tương đối tính, m0 gọi khối lượng nghỉ vật
Khối lượng công thức(3) thừa số(hay hệ số) với gia tốc biểu thức lực mà với vận tốc biểu thức xung lượng Trong trường hợp xét khối lượng m0 bất biến khối lượng phụ thuộc vào vận tốc theo công thức(4)
O
v
m 0,5C C m 2m0 3m 4m0 5m0 (9)Như vậy, trường hợp thứ nhất, khối lượng đặc trưng cho tính chất quán tính vật theo cách cổ điển với vận tốc cổ điển đo tỷ số gia tốc Trong trường hợp thứ 2, với khái niệm khối lượng tương đối tính ta cần tính đến thay đổi mức quán tính vật chuyển động Việc đo khối lượng đo xung lượng(3)
Cách giải thích khối lượng đặc trưng cho mức qn tính vật khái niệm có sở phạm vi bảo tồn tính cá thể đối tượng học-của hạt vật chất Tuy nhiên, khảo sát cá q trình xảy có thay đổi khối lượng tĩnh( phản ứng hạt nhân) phân tích chất khối lượng tĩnh cách giải thích theo khối lượng tương đối tính tốt Dựa vào đồ thị H.1, dễ dàng thấy khơng thể truyền cho vật có khối lượng nghỉ m0 khác không tốc độ v = c, khối lượng tương đối tính vật vô lớn muốn vật tiếp tục tăng tốc phải tác dụng lên lực vơ lớn, lực khơng có thực tế Kết luận nói rõ tính chất giới hạn tốc độ ánh sáng nêu tiên đề
Sự kiện khối lượng vật HQC khác khác phụ thuộc vào tốc độ vật HQC hay HQC khác, có nghĩa HQC tốc độ vật lớn khó làm cho có gia tốc xác định lớn Tính tương đối khối lượng khơng có nghĩa khối lượng đặc trưng khách quan vật chất mà chứng tỏ quán tính phụ thuộc vào vận tốc chuyển động, tức phụ thuộc vào HQC ta xét tính chất đó[4]
Một chứng hùng hồn chứng tỏ vật chất tồn không vận động kiện ánh sáng không trạng thái nghỉ “Ánh sáng dừng ”, xảy bị hấp thụ điều đo có nghĩa photon khơng cịn tồn
Định luật liên hệ khối lượng lượng E = mc2 chứng mối liên hệ vật chất vận động
(10)ln tính chất cố hữu vật chất khơng có đối tượng vật chất khơng có vận động, vận động biểu hình thức ẩn kín, dạng biến đổi bên trong, khơng phát Cùng với điều đó, biến đổi lượng trình tương ứng với biến thiên xác định khối lượng
m
E c
/
Từ suy rằng, ta bỏ vật nóng vào nước(hệ cáchnhiệt hồn tồn)thì lượng khối lượng nước phải tăng lên, lượng khối lượng vật bị nguội giảm lượng ta nói đến truyền khối lượng từ vật bị nguội sang nước ta có quyền nói đến truyền lượng Điều có nghĩa qn tính nước tăng lên cịn qn tính vật bị nguội giảm Sự biến thiên khối lượng nhỏ nên thông thường bỏ qua Tuy nhiên, điều quan trọng khối lượng không tự “sinh ra”, không tự “hủy diệt” mà khối lượng vật giảm khối lượng vật khác tăng lên Ở đây, ta phải hiểu khối lượng
không phải số đo lượng chất(hay vật chất) mà đặc trưng cho mức qn tính, tính chất biến thiên tính chất khác vật chất
Không thể coi công thức
m
E c
/
chứng chuyển hóa vật chấtthành vận động Nếu thừa nhận vật chất chuyển hóa thành vận động tức thừa nhận tồn « vận động túy »khơng cần đối tượng vật chất mang Tuy nhiên, khối lượng lượng hai đặc trưng vật chất vận động thân vật chất Công thức Einstein khơng nói chuyển hóa tà đại lượng sang đại lượng khác mà nói mối liên hệ có tính chất tỉ lệ tồn khối lượng lượng đối tượng vật chất
Việc nghiên cứu vật lý hạt nhân cho phép chứng minh hùng hồn tính khơng thể bị hủy diệt tự sinh vật chất vận động Tất q trình phóng xạ tự nhiên nhân tạo, trình chuyển hóa tương hổ hạt(ví dụ
e
e
2
) khơng có nghĩa hủy diệt vật chất Vật chất, tự khơng hủy diệt Chẳng hạn, nơtron ta proton, electron phản nơtrino, nghĩa xảy chuyển hóa dạng vật chất sang dạng khác Những chuyển hóa biểu vận động vật chất Chú ý rằng, ta không phủ nhận khả có dạng vật chất biến mà dạng vật chất biến phải để lại dấu vết, tức có dạng vật chất xuất dạng đến lượt biến thành dạng khác Quá trình vĩnh cửu vận động vật chất
(11)Trên sở ý thức rằng: “Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng” phần quan trọng chuyên ngành vật lý phổ thông cách tổ chức dạy cho học sinh số kiến thức cụ thể Và nhiệm vụ nghiên cứu chương trình nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức, cách thể nội dung kiến thức sách giáo khoa Vật lý Qua trình nghiên cứu, tiểu luận đạt số kết sau:
- Nêu nhiệm vụ, vị trí yêu cầu giảng dạy chương “Sơ lược Thuyết tương đối hẹp”
- Đưa sơ đồ logic việc xây dựng kiến thức chương“Sơ lược Thuyết tương đối hẹp”
- Phân tích chi tiết sâu sắc kiến thức chương “Sơ lược Thuyết tương đối hẹp” thuộc chương trình Vật lý 12 nâng cao THPT
(12)1.David Halliday-Robert Resnick-Jearl Walker, Cơ sở vật lý, người dịch Đàm Trung Đồn, NXBGD(1997)
2.Nguyễn Thế Khôi(chủ biên), Vật lý 11 nâng cao, NXBGD(2007)
3.Viện hàn lâm khoa học sư phạm Liên Xô CHDC Đức,Phương pháp giảng dạy vật lý trường phổ thông Liên xô CHDC Đức, NXBGD(1983)