- •Мультимедийные лекции по физике
- •Тема 6. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ
- •6.1. Механический принцип относительности Галилея
- •Пусть имеется две ИСО К и К′.
- •Так как по классической механике время абсолютно, то часы, связанные с системами К
- •Отличаться будут только иксовые координаты точки
- •Преобразования координат Галилея
- •Преобразования Галилея – преобразования
- •Запишем производные от координат по времени для соотношений преобразований Галилея.
- •Далее вычислим производные по времени от проекций
- •Закон динамики (второй закон Ньютона)
- •Инвариантные величины
- •Механический принцип относительности
- •Из принципа относительности Галилея следует, что в рамках классической механики понятие скорости не
- •6.2. Экспериментальные основы специальной теории относительности
- •К концу XIX века начали накапливаться опытные факты, которые вступили в противоречие с
- •ВXIX веке Максвелл создал электромагнитную
- •А. Майкельсон в 1881 году, а затем в 1887 году совместно с Э.
- •Упрощенная схема опыта Майкельсона–Морли представлена на рисунке.
- •Вэтом опыте одно из плеч интерферометра Майкельсона устанавливалось параллельно направлению орбитальной скорости Земли
- •Определим скорости света (относительно Земли) вдоль этих направлений, исходя из классических представлений.
- •Опыт Майкельсона–Морли, неоднократно повторенный впоследствии со все более возрастающей точностью,
- •Никакого движения Земли относительно эфира не существует.
- •Для этого ему пришлось изменить кардинальным
- •6.3. Постулаты Эйнштейна
- •Первый постулат Эйнштейна (принцип относительности): никакими физическими опытами, проводимыми внутри ИСО, невозможно определить,
- •Принцип относительности и принцип постоянства скорости света образует основу специальной теории относительности (СТО),
- •6.4. Преобразования Лоренца
- •Относительность понятия одновременности
- •С точки зрения наблюдателя, сидящего в вагоне, свет распространяется со скоростью c относительно
- •Таким образом, события, одновременные в системе
- •Преобразования Лоренца
- •Любая другая зависимость между «штрихованными» и «нештрихованными» величинами означала бы
- •В преобразованиях Галилея этот коэффициент равен
- •Рассмотрим тот же случай с вагоном, когда система К условно считается неподвижной, а
- •За время t системы сместятся относительно друг друга на расстояние Vt, а сферический
- •Получилось, что центр сферического фронта
- •Следовательно, постулаты Эйнштейна находятся в противоречии с формулами преобразований Галилея.
- •Для того чтобы в выбранной системе отсчета
- •Длительность какого-либо процесса определяется путем сравнения с промежутком времени,
- •Пусть из точки A в момент времени t1 по часам A отправляется короткий
- •Тогда по определению часы в A и B идут синхронно,
- •Объединим уравнения в систему:
- •Выразим коэффициент γ .
- •Получим преобразования координат Лоренца.
- •Получим теперь формулу для преобразования
- •Поскольку величина
- •Запишем полученные преобразования времени:
- •Запишем теперь полные преобразования координат
- •Анализ преобразований Лоренца
- •6.4. Следствия из преобразований Лоренца
- •Моменты начала и конца события в системе K' фиксируются по одним и тем
- •Эталонные часы С в системе K , синхронизированные часы С1 и С2 в
- •Пусть известна длительность события в системе в системе K
- •В системе К′ координаты начала события:
- •При выводе используем преобразования Лоренца при переходе из К′ → К, учитывая, что
- •Получили, что
- •Тогда можно записать
- •Вывод: длительность события, происходящего в
- •Отметим, что на основании относительности понятий «неподвижная» и «движущаяся» системы отсчёта
- •При исследовании космических лучей в их составе обнаружены элементарные частицы μ-мезоны – элементарные
- •На самом деле, как показывает опыт, мезоны за время жизни успевают пролетать без
- •Срелятивистским эффектом замедления времени связан так называемый «парадокс близнецов».
- •Парадокс заключается в том, что подобное заключение может сделать и второй из близнецов
- •Оставшийся на Земле близнец всё время находится в инерциальной системе отсчета, тогда как
- •Эффекты замедления времени пренебрежимо малы, если скорость космического корабля гораздо меньше
- •Американские физики в 1971 году провели сравнение двух таких часов, причем одни из
- •2. Относительность размеров движущихся тел.
- •Чтобы определить длину стержня в К (длину движущегося стержня), нужно:
- •Длина стержня, измеренная в системе отсчета, относительно которой он покоится, называется собственной длиной.
- •Отсюда следует, что собственная длина является максимальной, она больше длины, измеренной в
- •Рассмотрим два небольших примера.
- •Лоренцево сокращение длины – эффект чисто кинематический.
- •Увидеть – это значит получить световые сигналы, идущие от разных точек тела.
- •3.Релятивистский закон сложения скоростей
- •Проекции скоростей на оси Х′ и Х обозначим соответственно через vx′ и vx
- •Из преобразований Лоренца следует:
- •Поделим на dt числитель и знаменатель дроби:
- •Для обратного перехода от системы К′ в систему К можно легко получить проекцию
- •Удовлетворяют ли полученные формулы второму постулату Эйнштейна?
- •6.7. Интервал
- •Событие можно охарактеризовать местом, где оно произошло (координатами x, y, z), и временем
- •Пусть одно событие имеет координаты x1, y1, z1, t1,
- •Пространственно-временные интервалы бывают 3-х
- •Пусть первое событие заключается в том, что из точки с координатами x1, y1,
- •В случае S 0 рассматриваемые события:
- •Вещественные интервалы между событиями, для которых величина S 0 называются
- •Возьмём мировую точку О некоторого события за
- •Движение частицы со скоростью с, происходящее вдоль оси Х, изобразится на рисунке прямыми
- •Для любой точки А, лежащей в области, названной на
- •Для любой точки В, лежащей в области абсолютного
- •Для любого из событиий С и D, мировая точка
- •Понятие одновременности для событий О и С, и событий О и D является
- •6.7. Релятивистская динамика
- •Эйнштейн показал, что масса является функцией не
- •Ни одному телу, обладающему массой покоя , не может быть сообщена скорость, равная
- •Воснову своей теории Эйнштейн положил
- •Релятивистский импульс запишется в виде:
- •релятивистского импульса от скорости
- •Второй закон Ньютона будет ковариантен
- •6.8. Взаимосвязь массы и энергии
- •Согласно общим принципам механики, изменение
- •Получим
- •Для этого запишем выражение для релятивистской
- •Подставим полученное выражение вместо первого слагаемого в формулу для dEK.
- •Величина
- •Взаимосвязь энергии с импульсом
- •Полученное соотношение показывает, что частица может иметь энергию и импульс, но не иметь
- •Кинетическая энергия
- •Зависимость кинетической энергии от скорости для релятивистской (a) и классической (b) частиц.
- •Докажем, что классическая формула кинетической энергии является частным случаем формулы теории относительности.
- •Разложим функцию
- •Закон взаимосвязи массы и энергии
- •Нельзя, однако, представлять, что масса превращается в энергию и наоборот.
- •Масса тела характеризует его инертность, а также способность тела вступать в гравитационное взаимодействие
- •Первое экспериментальное подтверждение правильности соотношения Эйнштейна, связывающего массу и энергию, было получено при
- •При этом суммарная кинетическая энергия конечных продуктов равна 1,25·10–13 Дж.
- •Инварианты релятивистской механики
- •Заключение
- •Оценивая значение теории относительности, не следует, однако, впадать в философский релятивизм (всё в
- •Не следует думать, что с появлением теории относительности классическая физика полностью утратила своё
Относительность понятия одновременности
Вклассических преобразованиях t = t′, поэтому события одновременные в одной ИСО, будут одновременными и в любой другой ИСО.
Пусть роль системы К′ играет вагон равномерно идущего поезда, роль системы К – полотно железной дороги.
Вдоль вагона и вдоль полотна железной дороги расставлены синхронизированные часы.
|
Z' |
|
|
Z |
|
|
V |
X' |
|
|
X |
|
Y' |
|
Y |
Z |
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
X |
Y |
|
|
В центре вагона происходит вспышка света.
Одновременно ли свет достигнет задней и передней стенок вагона?
С точки зрения наблюдателя, сидящего в вагоне, свет распространяется со скоростью c относительно
вагона и достигнет равноудаленных стенок
одновременно.
Сточки зрения наблюдателя, стоящего у железнодорожного полотна, свет распространяется
со скоростью с относительно него.
Так как стенки вагона движутся, то задняя стенка приближается к месту вспышки, а передняя – удаляется от нее.
Следовательно, свет дойдет до задней стенки раньше, чем до передней.
Таким образом, события, одновременные в системе
К′ (вагоне), оказываются неодновременными в системе К (полотно дороги).
Отсюда вытекает, что время в различных системах
отсчета течет по- разному.
Необходимы новые преобразования координат и времени, позволяющие переходить от одной системы отсчета к другой.
Преобразования Лоренца
Преобразованиями Лоренца называются преобразования координат и времени, в основе которых лежат постулаты Эйнштейна.
Из полного равноправия всех инерциальных систем отсчета следует, что преобразования Лоренца
должны быть линейными относительно координат
x, y, z, t |
и |
x′, y′, z′, t′. |
Любая другая зависимость между «штрихованными» и «нештрихованными» величинами означала бы
неравноправие систем отсчета.
Линейный характер преобразований Галилея и Лоренца означает, что они должны отличаться
только коэффициентом пропорциональности.
Он определяется формулой: |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
v2 |
|
|||||
|
1 |
|
||||||
|
C2 |
|||||||
|
|
|
|
|
Коэффициент отражает принцип постоянства
скорости света.
В преобразованиях Галилея этот коэффициент равен
единице:
x' x Vt
x x' Vt'
В преобразованиях Лоренца же он равен γ |
: |
x' γ(x Vt) x γ(x' Vt')
Рассмотрим тот же случай с вагоном, когда система К условно считается неподвижной, а система К′
движется относительно нее в направлении оси X с постоянной скоростью .
Пусть в момент времени t = t′ = 0 в начале координат происходит вспышка света и световой сигнал начинает распространяться во все стороны, в том числе и вдоль осей X и X′.
|
Y |
Y' |
|
|
|
|
K |
K' |
V |
X |
X' |
|
O |
O' |
|
|
|
Z |
Z' |
|
|
|
|
За время t системы сместятся относительно друг друга на расстояние Vt, а сферический волновой фронт в
каждой системе будет иметь радиус ct, поскольку системы равноправны и в каждой из них скорость
света равна c.
Сточки зрения наблюдателя в системе K центр сферы находится в точке O.
Сточки зрения наблюдателя в системе K' он будет находиться в точке O'.