سه شنبه 3 اسفند 1395 - 24 جمادي الاول 1438 - 21 فوريه 2017
قبل از اینکه به اندازه گیری سرعت نور بپردازیم می خواهی در مور تفاوت سرعت نور از دیگر سرعت های موجود در جهان صحبت کنیم(ثابت بودن سرعت نور برای تمای ناظرها) و بیابراین در این جلسه به بیان نظریه نسبیت خاص می پردازیم. خواهشمند است دبیر گرامی برای آموزش بهتر..
عکس نویسنده
عکس نویسنده
نویسنده : سارا قیصری
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم

آشنایی با نسبیت کلاسیک و نسبیت خاص

اهداف جلسه: قبل از اینکه به اندازه گیری سرعت نور بپردازیم می خواهی در مور تفاوت سرعت نور از دیگر سرعت های موجود در جهان صحبت کنیم (ثابت بودن سرعت نور برای تمای ناظرها) و بنابراین در این جلسه به بیان نظریه نسبیت خاص می پردازیم. خواهشمند است دبیر گرامی برای آموزش بهتر مطالب حتماً از پاور پوینت قرار داده شده در این جلسه استفاده کرده، مطالب را با آن پیش ببرد.

 

وسایل مورد نیاز: یک دستگاه رایانه، برنامه مایکروسافت پاورپوینت، پروژکتور

 

روند کار:

مقدمه ای بر مکانیک کلاسیک (نیوتنی)

از ابتدا تا اواخر قرن نوزدهم

مکان از دیدگاه گالیله

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم

• چیزی به نام سکون مطلق نداریم.

• قوانین فیزیکی برای تمام اجسامی که با سرعت ثابت در یک خط مستقیم حرکت می کنند یکسان است.

تبدیلات کلاسیکی گالیله ای

 

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم    اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم

 
در این جا دو مثال در پاور پوینت آورده شده است.
 

قوانین نیوتن در حرکت

• هر جسم آزاد بر روی مسیر مستقیم با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می دهد (اینرسی).

• جسمی که به آن بر آیند نیرویی وارد شود در همان جهت نیرو شتاب می گیرد و شتاب a متناسب است با : F / m .

• هر کنشی را واکنشی است برابر و در جهت مخالف با آن.

 

اصل نسبیت کلاسیکی

قانون هاى طبیعت براى ناظرین مختلف كه یكنواخت حركت مى كنند یكسان است.

( قانون های طبیعت تحت تبدیلات گالیله ای، وردا هستند)

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم

نتایج مکانیک نیوتنی:

مکانیک نیوتنی پدیده هایی را که به ظاهر با هم بی ارتباط بودند ، با استفاده از چند قانون ساده توجیه می کرد از جمله:

– توجیه قوانین تجربی سه گانه کپلر در حرکت اجرام آسمانی از راه تئوری .

– به دست آوردن علت حرکت سیارات در مداری بیضی شکل به دور خورشید.

– به دست آوردن علت جذر و مد آب دریاها و اقیانوس ها.

– پیش بینی چگونگی حرکت اجسام مختلف و به دست آوردن معادلات حرکت آنها.

 

شواهدی که قوانین بنیادی فیزیک کلاسیک را نقض کردند:

• تابش اجسام سیاه، طیف گسسته تابشی از اتم های منفرد و ظرفیت گرمایی جامدات.

اثر فوتو الکتریک

• آزمایش معروف مایکلسون و مورلی برای اندازه گیری سرعت زمین نسبت به اتر.

 

آزمایش معروف مایکلسون و مورلی برای اندازه گیری سرعت زمین نسبت به اتر و نتیجه متناقض آن با پیش بینی های فیزیک کلاسیک

 

تعریف اتر : وقتی نظریه امواج الکترومغناطیس ماکسول ارائه شد دانشمندان به دنبال محیط انتقال دهنده ای برای این امواج بودند آنها به ای فکر بودند که امواج الکترو مغناطیس هم باید مانند امواج دیگر از قبیل موج صوتی محیط انتشاری داشته باشد. آن ها فرضیه اتر را پیشنهاد کردند که نوعی ماده بسیار بسیار رقیق همه جای جهان را پر کرده و چارچوب مرجع مطلق جهان است و امواج الکترومغناطیسی در آن منتشر می شوند.

 

مایکلسون تلاش کرد تا با آزمایش معروف و بسیار دقیق خود سرعت زمین را نسبت به اتر فرضی به دست آورد. اما با کمال تعجب نتیجه آزمایش این شد که زمین نسبت به اتر ثابت است که این تناقض بسیار بزرگی بود ( آیا زمین مرکز کائنات است ؟!؟).

از طرفی قبلا با مشاهده نور ستارگان و ویژگی ابیراهی آن ها اثبات شده بود که زمین باید نسبت به اتر حرکت داشته باشد.

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم

 

 

تبدیلات لورنتس برای توجیه نتیجه آزمایش مایکلسون

آزمایش مایکلسون و مورلی که در به دست آوردن سرعت زمین نسبت به اتر دچار تناقض شگفت انگیزی شد زمین نسبت به اتر هم حرکت می کرد و هم ثابت بود! در این آزمایش سعی شده بود با استفاده از نور و سرعت آن، سرعت زمین طبق تئوری کلاسیک نسبت به اتر به دست آید. بعضی از فیزیکدانان از جمله لورنتس سعی کردند تا در چارچوب فیزیک کلاسیک علت را توجیه کنند. لورنتس فرض کرد که اگر طول یک جسم در جهت سرعتی که دارد با ضریب γ  منقبض شود آنگاه نتیجه آزمایش مایکلسون توجیه خواهد شد.

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم  اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم

تبدیلات لورنتس

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم

اصول موضوع نسبیت خاص انیشتین

راه حلی که لورنتس برای توجیه تناقض آزمایش مایکلسون ارائه کرد راه حلی شهودی بود که با فیزیک کلاسیک تناقض جدی نداشت.

انیشتین با ارائه دو اصل موضوع نبوغ آمیز خود بنای رفیع نسبیت خاص را بنیان نهاد. نظریه ای که تمامی مفاهیم رایج فیزیک را زیر و رو کرد و دیدگاهی جدید و متفاوت به تمام شاخه های فیزیک و حتی همه علوم بخشید.

 

اصول موضوع نسبیت خاص:

* اصل موضوع اول : قوانین فیزیک در تمام چارچوب های لخت یکسان هستند. همه چارچوب های مرجع یکسان هستند.

* اصل موضوع دوم : سرعت نور از دید همه چار چوب های لخت یکسان است.

 

انیشتین در اصل موضوعه اول نسبیت را برقرار می داند. در فیزیک کلاسیک هم اصل نسبیت گالیله ای برقرار بود که طبق آن قوانین مکانیک در تمام چار چوب های لخت یکسان برقرارند و تنها با تبدیلاتی (تبدیلات گالیله ای) می توانیم چار چوب ها را عوض کنیم. انیشتین هم این اصل را درست می داند حتی آن را به همه قوانین فیزیکی و بلکه طبیعی تعمیم می دهد. و مهم تر اینکه می گوید چار چوب مرجع مطلقی وجود ندارد.

اصل موضوعه دوم به کلی قوانین فیزیک کلاسیک را نقض می کند و به این معنی است که ناظری که از چشمه نور دور می شود و کسی که به آن نزدیک می شود و کسی که نسبت به آن ثابت است هر سه سرعت نور را یکسان اندازه می گیرند.

 

نتایج و پیامدهای نسبیت خاص

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو- جلسه دوم

نتایج:

• تبدیلات لورنتس که به صورت شهودی به دست آمده بودند به زیبایی با دو اصل موضوع نسبیت خاص به دست می آیند.

• تناقض آزمایش مایکلسون و مورلی به راحتی برطرف می شود چون دیگر نیاز به چارچوب مرجع مطلقی نیست.

(بیشتر قرن 19 فیزیکدانان فکر می کردند که فضا با ماده ای به نام اتر پر شده است. برای این که بتوانند بگویند نور منتشر می شود، این نوع تصور لازم بود. زیرا تمام امواجی که تا آن زمان شناخته شده بودند، امواجی بودند که برای انتشار نیاز به محیط مادی داشتند.

مایکلسون و مورلی به منظور اندازه گیری سرعت حرکت زمین در این ماده آزمایشی را انجام دادند.

اولین نتیجه را در سال 1887 گرفتند. او دریافت که امواج نوری در جهت حرکت زمین جمع نمی شوند.

جهان فیزیک شگفت زده شد: اتری وجود ندارد!)

 

پیامدها:

و اصل موضوع نسبیت خاص به همراه فرض‌های دیگری، مانند همگن و همسانگرد بودن فضا، منجر به نتایجی می‌شوند که همانند خودِ این اصل موضوع‌ها خلاف شهود و تجربه‌های روزمره ی ما هستند. با وجود این، این پیامدها بارها در آزمایش‌های گوناگون آزموده شده و مورد تأیید قرار گرفته‌اند. امروزه نسبیت خاص کاملاً پذیرفته شده است و جزئی از دانش عملی هر فیزیکدانی به شمار می‌آید. این پدیده‌ها به طور ریاضی از تبدیلات لورنتس نتیجه می‌شوند:

انقباض طول : هر چه سرعت جسم افزایش یابد طول آن منقبض تر می شود.

• اتساع زمان : زمان در یک چار چوب مرجع هر چه که سرعت بیشتری داشته باشد، کند تر می گذرد.

افزایش جرم: هر چه سرعت جرمی بیشتر باشد جرمش بیشتر می شود.

• نسبی بودن هم‌زمانی: اگر یک ناظر لَخت دو پدیده ی آ و ب را هم‌زمان ببیند، ناظر لخت دیگری که با سرعت نسبت به ناظر اول حرکت می‌کند، بسته به شرایط ممکن است پدیده ی آ را زودتر، هم‌زمان، یا دیرتر از پدیده ی ب ببیند. هم ‌زمانی در نسبیت خاص معنای مطلق و نیوتنی خود را از دست می‌دهد و پدیده‌ای نسبی می‌شود.

برای توضیح تصور این نتایج نسبیت خاص باید تصورمان را از فضا و زمان تغییر کنیم یعنی فضا و زمان را موجودات بی ارتباط با هم و بی ارتباط با آنچه در آنها اتفاق می افتد تصور نکنیم . بلکه فضا-زمان را روی هم یک موجود چهار بعدی در نظر بگیریم.

 

در این قسمت دو نمونه از ثابت بودن سرعت نور و بعد از آن مثال هایی برای انقباض طول و اتساع زمان

در پاورپوینت آورده شده است. نمونه ی اول   نمونه ی دوم

تکلیف: ----------------------------

محل بازدید/ اردو/ خرید: ---------------------------------------------

منابع مطالعه: --------------------------

 

مطالب مرتبط:

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه اول

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه دوم

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه سوم

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه چهارم

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه پنجم

اندازه گیری سرعت نور به کمک اجاق مایکروویو، جلسه ششم

 

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه: سارا قیصری

تنظیم: نسرین صادقی

تلفن : 81200000
پست الکترونیک : public@tebyan.com
آدرس : بلوارکشاورز ، خیابان نادری ، نبش حجت دوست ، پلاک 12

ارتباط با ما

روابط عمومی

درباره ما

نقشه سایت

تعدادبازدیدکنندگان
افراد آنلاین