- •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
Получили, что |
|
|
t |
|||||
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
v2 |
|
||||
|
|
|||||||
|
|
C2 |
||||||
|
|
|
|
|
Промежуток времени между событиями Δt′, измеренный в системе отсчета, относительно которой событие покоится, называется собственным временем и обычно обозначается как
Δt0.
Тогда можно записать |
|
|
|
|
|
|
|
|
t0 |
||||
|
|
|
||||
|
t |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
||
|
1- |
V2 |
||||
|
|
|
c2 |
|||
|
|
|
|
Из полученного соотношения видно, что собственное
время меньше промежутка времени, измеренного в любой другой системе отсчета.
tO меньше t .
Вывод: длительность события, происходящего в
некоторой точке, наименьшая в той ИСО, относительно которой эта точка неподвижна.
Относительность длительности событий означает, что
движущиеся относительно ИСО часы идут медленнее покоящихся относительно этой же системы отсчёта часов.
Ход часов замедляется в системе отсчёта, относительно которой часы движутся.
Отметим, что на основании относительности понятий «неподвижная» и «движущаяся» системы отсчёта
отношения для величин tO и |
t обратимы. |
Эффект замедления времени является взаимным, в согласии с постулатом о равноправии инерциальных систем K и K': для любого наблюдателя в K или K' медленнее идут часы, связанные с движущейся по
отношению к наблюдателю системой.
Этот вывод СТО находит непосредственное опытное подтверждение.
При исследовании космических лучей в их составе обнаружены элементарные частицы μ-мезоны – элементарные частицы с массой, примерно в 200 раз превышающей массу электрона.
Эти частицы нестабильны, их среднее собственное время жизни равно τ0 = 2,2·10–6 с.
Вкосмических лучах μ-мезоны движутся со скоростью, близкой к скорости света.
Без учета релятивистского эффекта замедления времени они в среднем пролетали бы в атмосфере путь S =2,2 10-6 3 108≈ 660 м.
На самом деле, как показывает опыт, мезоны за время жизни успевают пролетать без распада гораздо большие расстояния.
Согласно СТО, среднее время жизни мезонов по часам
земного наблюдателя равно |
|
, |
|
так как β = V / c близко к единице.
Поэтому средний путь Vt, проходимый мезоном в земной системе отсчета, оказывается значительно
больше 660 м.
Срелятивистским эффектом замедления времени связан так называемый «парадокс близнецов».
Предполагается, что один из близнецов остается на Земле, а второй отправляется в длительное космическое путешествие со световой скоростью.
Сточки зрения земного наблюдателя время в космическом корабле течет медленнее, и когда астронавт возвратится на Землю, он окажется гораздо моложе своего брата-близнеца, оставшегося на Земле.
Парадокс заключается в том, что подобное заключение может сделать и второй из близнецов (астронавт), отправляющийся в космическое путешествие.
Для астронавта медленнее течет время на Земле, и он может ожидать, что по возвращению после длительного путешествия на Землю он обнаружит, что его брат-близнец, оставшийся на Земле, гораздо моложе его.
Чтобы разрешить «парадокс близнецов», следует принять во внимание неравноправие систем отсчета,
в которых находятся оба брата-близнеца.
Оставшийся на Земле близнец всё время находится в инерциальной системе отсчета, тогда как система отсчета, связанная с космическим кораблем, принципиально неинерциальная.
Космический корабль испытывает ускорения при разгоне во время старта, при изменении направления движения в дальней точке траектории и при торможении перед посадкой на Землю.
Поэтому заключение брата-астронавта неверно.
СТО предсказывает, что при возвращении на Землю он действительно окажется моложе своего брата,
оставшегося на Земле.
Эффекты замедления времени пренебрежимо малы, если скорость космического корабля гораздо меньше
скорости света c.
Тем не менее, удалось получить прямое подтверждение этого эффекта в экспериментах с макроскопическими часами.
Наиболее точные часы – это атомные часы на пучке атомов цезия.
Эти часы «тикают» 9192631770 раз в секунду.