|  |   | 111 |   | 
	|  |   |   | Таблица 13.1 (продолжение) | 
	|  |   |   |   | 
	|  | Диффузия | Теплопроводность | Вязкость | 
	|  | (внутреннее трение) | 
	|  |   |   | 
	|  |   | Численная оценка |   | 
 
	| æ  | 1 |   | 5 |   | 8,31 103 2 10 7 |   |   | 1 |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | Па с | 
	|   |   | 2,8 10 | 2 | η  | 103 |   | 7 10 |   | 
	|   | 3 |   | 2 |   |   |   | 3 | 2 10 7 | 5 | 
	|   |   |   |   |   |   |   | Вт |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   | 5 10 2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   | м К |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
 
 
Демонстрации: 1) Теплопроводность твёрдых тел 2) Внутреннее трение в газах
 
 
112
Лекция 14
2.9.3. Молекулярно-кинетическая теория явлений переноса (на примере внутреннего трения)
 
Рассмотрим два слоя газа, расстояние меж-
	| ду которыми равно 2 λ | , движущихся па- | 
	| раллельно друг другу со скоростями u1 | и u2 | 
	| u1 ,u2 | v (РИС. 14.1). |   |   | 
Благодаря тепловому движению молекулы переходят из одного слоя в другой, соударяются друг с другом и обмениваются им-
пульсами (см. «АБСОЛЮТНО УПРУГИЙ УДАР»), в
т. ч. компонентами импульса, соответствующими упорядоченному движению, поэтому импульсы упорядоченного движения слоёв выравниваются.
Среднее расстояние между точками, в кото-
 
 
рых происходят последовательные столкновения молекулы, равно
	| положим u u z  | λ , u | u z  | λ | . | 
	| 1 | 2 |   |   |   | 
 
 
 
Потери импульса слоя 1 за время t
 
 
где m0 – масса молекулы, N12 – число молекул, перешедших из слоя 1 в слой 2; импульс, приобретённый слоем 1,
 
где N21 – число молекул, перешедших из слоя 2 в слой 1. Изменение импульса слоя 1
 
(ср. 2.2.3), n – концентрация газа,
p1
так как m0n = ρ – плотность газа,
z 2 λ
λ , поэтому
 , поэтому
 
N = const. Изменение импульса слоя 1
	|   | m n | S | v u2 u1 ; | 
	|   | 0 |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   | 6 |   |   |   |   |   |   | 
	| p |   |   | 1 | S | v ρ u2 u1 ; | 
	| 1 |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
	| t |   |   | 6 |   |   |   |   |   | 
	| u u |   |   | u | z , | 
	|   |   | 
	|   | 2 |   | 1 |   |   | z | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
 
 
 
 .
 .
 
 
1. Механика38
1.11. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея
Принцип относительности Галилея: все инерциальные системы отсчёта эквивалентны. Никакими опытами, поставленными внутри ИСО, нельзя определить, движется ли она или покоится.
1.11.1. Преобразования Галилея
 
Пусть имеются две инерциальные системы отсчёта K и K′. Система K′ движется относи-
тельно системы K со скоростью v (РИС. 14.2).
Зная координаты и время в системе отсчёта K, найдём координаты и время в системе K′ и наоборот, т. е. найдём связь между x, y, z, t и x′, y′, z′, t′ (ТАБЛ. 14.1).
В классической механике время во всех системах отсчёта течёт одинаково.
 
 
	| Рис. 14.2 |   | Таблица 14.1 | 
	|   | Преобразования Галилея | 
	|   |   |   | 
	| K′ → K |   | K → K′ | 
	| x x vt |   | x x vt | 
	| y y |   | y y | 
	| z z |   | z z | 
	| t t |   | t t | 
1.11.2. Следствия из преобразований Галилея
Инвариант преобразований – физическая величина, которая не изменяется при переходе из одной системы отсчёта к другой, т. е. величина, значения которой одинаковы во всех системах отсчёта.
1. Абсолютность одновременности
События, одновременные в одной системе отсчёта, одновременны и в другой:
Это следует из того, что время является инвариантом преобразований Галилея:
 
38 Материал параграфов 1.11-1.14 выносится на конец I семестра.
 
 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | 114 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| 2. Инвариантность длины отрезка |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| y |   |   | y′ |   |   |   |   | Пусть отрезок |   | 1-2 | покоится относи- | 
	|   | t |   | t′ |   |   | тельно системы отсчёта K′ |   | (РИС. 14.3). | 
	|   |   |   |   | 2 |   | 
	|   |   |   |   | l′ |   | 
	|   |   |   |   |   |   | Его длина в этой системе отсчёта равна | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   | 1 |   |   | l′. Выразим l′ через координаты концов | 
	|   |   |   |   |   |   | отрезка в системе K′: |   |   |   |   |   |   | . | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 2 |   |   |   | 1 |   | 2 |   | 2 | 1 | 2 | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | l  |   |   | x | x |   |   |   |   |   | y y |   |   |   | 
	|   |   |   |   | K′ |   |   | Свяжем координаты концов стержня в | 
	|   |   |   | O′ |   |   |   | x′ | 
	|   | K |   |   |   | системе отсчёта K′ |   | с координатами в | 
	|   |   |   |   |   |   | системе отсчёта K через преобразова- | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| O |   |   |   |   | x1 | x2 | x | ния Галилея: |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | l x |   | vt x |   |   |   |   |   | 2 | y |   |   |   | 2 | 
	|   |   |   |   | Рис. 14.3 |   |   | 2 | 1 | vt  | y  | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 2 |   |   |   | 1 | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | x |   | x |   |   | 2 |   |   | y | 2 | l | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | 2 | 1 |   |   | y  |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 2 | 1 |   |   |   |   | 
– длина отрезка в системе отсчёта K. Это означает, что длина отрезка – инвариант преобразований Галилея:
l l inv .
3. Инвариантность интервала времени
Пусть интервал времени между двумя событиями 1 и 2 в системе отсчёта K′
 
Интервал времени между теми же событиями в системе отсчёта K
 
4. Классический закон сложения скоростей
Пусть материальная точка движется со скоростью счёта K′. Тогда её скорость в системе отсчёта K
	|   | u u v | . |   | 
	|   |   |   |   | 
	| Доказательство |   |   |   |   | 
	| По определению скорости |   |   |   |   | 
	| ux  | dx |   | dx | . | 
	|   |   | 
	| dt | , ux  | dt | 
	|   |   |   | 
 
 
Выразим ux через координату и время в системе отсчёта K′:
	| ux  | dx vdt |   | dx |   | 
	| dt | dt |   | v ux v . | 
	|   |   |   | 
	| Аналогично получим |   |   |   |   |   | 
	| uy | dy , uy dy | uy uy ; | 
	|   | dt | dt |   |   | 
	|   |   |   |   | . | 
	|   | uz uz | 
 
 
115
5. Инвариантность ускорения
По определению, ускорение материальной точки в системе отсчёта K′
a dudt ,
в системе отсчёта K
(здесь мы используем те же обозначения, что в ПРЕДЫДУЩЕМ ПОДРАЗДЕЛЕ). Воспользуемся классическим законом сложения скоростей:
	|   |   |   |   | d u v |   | du | a ; | 
	|   |   |   |   | 
	| u | u v , a | dt | dt | 
	|   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   | a a inv | . |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | 
6. Инвариантность массы и силы
Постулируется, что масса и сила – инварианты преобразований Галилея:
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   | m m inv | , | F F | inv | . | 
	|   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
	| II закон Ньютона инвариантен относительно преобразований Галилея: | 
	|   | F |   |   | F ma . |   | 
	|   |   | ma |   | 
1.12. Специальная теория относительности
1.12.1. 4-пространство
Время относительно, как и пространство. Введём 4-пространство – линейное риманово (неевклидово) пространство координат и времени.
4-радиус-вектор:
здесь c – константа, имеющая размерность скорости; i – мнимая единица. Модуль 4-радиуса-вектора
r 
 x2 y2 z2 c2t2 inv
x2 y2 z2 c2t2 inv
(доказательство см. «ИНВАРИАНТНОСТЬ ИНТЕРВАЛА»).
Мировая точка – точка в 4-пространстве. Мировая линия – кривая в 4-пространстве.
 
116
ПРИМЕР
Материальная точка покоится в 3-пространстве. Мировая линия – траектория этой материальной точки в 4-пространстве (вернее, двумерная её проекция) – изображена на РИС. 14.4.
x
Рис. 14.4
1.12.2. Преобразования Лоренца
II закон Ньютона инвариантен относительно преобразований Галилея, а уравнения Максвелла (см. 3.1.6) – нет. Надо получить другие преобразования, опираясь на свойства симметрии пространства-времени39 (см. 1.1.2).
Пусть имеются две инерциальные системы отсчёта K и K′. Система K′ движется
относительно системы K со скоростью v (РИС. 14.2). В момент совмещения начал координат часы синхронизированы: x = x′ = y = y′ = z = z′, t = t′.
Искомые преобразования должны иметь вид
 
x f xt g x,
где f и g – функции, которые нужно найти.
При сдвиге координаты в системе отсчёта щие сдвиги в системе K′
 
,t,v , t,v ,
K на x и времени на t соответствую-
 
 
Это возможно только тогда, когда f и
xt 
 
	| x,t  | t,v f x,t,v , | 
	| x,t  | t,v g x,t,v . | 
g – линейные функции x и t:
a1x a2vt ,
a3 x a4t. v
 
 
Коэффициенты a1, a2, a3, a4 безразмерны. Их можно найти с помощью элементарных преобразований. В результате получаются преобразования Лоренца, приведённые в ТАБЛИЦЕ 14.2.
 
39 Полностью данный вывод приведён в ПРИЛОЖЕНИИ. Делать его на лекции не рекомендуется изза громоздкости элементарных алгебраических преобразований.
 
 
117
Таблица 14.2
Преобразования Лоренца
K → K′
	| x  | x vt | 
	|   |   |   |   |   |   | 2 | 
	|   |   | 1 |   | v | 
	|   |   |   |   | 
	|   |   |   | c | 2 | 
	|   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
	|   | y y |   |   |   |   | 
	|   | z z |   |   |   |   | 
	|   |   | t  | v |   | x | 
	| t  |   | c | 2 | 
	|   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   | 2 | 
	|   |   | 1 |   | v | 
	|   |   |   |   |   | 
	|   |   |   | c | 2 | 
	|   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
 
 
Здесь c = const. Видно, что v < c, т. е. c – предельная скорость. Из опыта известно, что c – скорость света в вакууме.
При v << c преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея.
Подчеркнём, что преобразования Лоренца выводятся из свойств симметрии про- странства-времени и не требуют других допущений. Однако, во многих учебниках (например, [1]) преобразования Лоренца выводятся другим способом – через постулаты Эйнштейна.
Постулаты Эйнштейна
1.ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ
2.Скорость распространения взаимодействий инвариантна относительно преобразований.
 
 
118
Лекция 15
1.12.3. Следствия из преобразований Лоренца
	| 1. Инвариантность интервала |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| Интервал между событиями 1 и 2 | S12: |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   | S |   | c |   | t |   | t |   | 2 | x |   | x |   | 2 | y | y | 2 | z |   | z | 2 |   | 
	|   | 2 | 2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   | . | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   | 12 |   |   |   | 2 |   | 1 |   |   |   | 2 |   | 1 |   | 2 | 1 |   |   | 2 | 1 | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
Интервал – инвариант преобразований Лоренца:
S12 inv .
Доказательство
 
Докажем, что малый интервал – дифференциал интервала dS12 образований Лоренца:
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   | 2 | 2 | 2 | dx | 2 | 2 | dz | 2 | 2 | 2 | 2 | dx | 2 | dy | 2 |   | 
	|   | dS12 | c dt |   |   | dy |   | , dS12 | c dt |   |   |   | 
	|   | через время и координаты в системе отсчёта K: |   |   | 
	| Выразим dS12 |   |   | 
 
 
	|   |   | 2 2 |   |   | v2 | 2 |   |   |   |   |   |   | 2 |   | 2 | 2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   | c dt |   |   |   |   | dx |   | 2vdxdt dx |   | v dt |   | 2vdxdt | dy2 dz2  |   | 
	|   | dS 2 | c2 |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| 12 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 1 | v2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | c2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   | 2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   | c2 v2 dt2  | v | 1 | dx2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| 2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   | c |   |   |   |   | 2 |   |   |   | 2 | 2 2 |   | 2 |   |   | 2 |   | 2 | 2 |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | dy |   | dz |   | c dt |   | dx |   | dy |   | dz |   | dS12 | , | 
	|   |   | 1 | v2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   | c2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
ч. т. д.
2. Сокращение длины движущегося отрезка (лоренцево сокращение)
 
l0
1  2
2
	|   | K′ |   |   | 
	|   | O′ |   | x′ | 
	|   | K |   |   | 
	| O | x1 | x2 | x | 
	|   |   |   | 
	|   | Рис. 15.1 |   |   | 
 
Пусть отрезок 1-2 покоится относительно системы отсчёта K′; для простоты расположим его вдоль оси x′ (РИС. 15.1). Длина отрезка в системе отсчёта, в которой он покоится, – соб-
ственная длина отрезка l0 l .
Выразим длину отрезка в системах отсчёта K′ и K через координаты его концов:
l x x ,
0 2 1
l x2 x1.
 
 
Выразим l0 через координаты и время в системе отсчёта K:
 
 
	| l |   | x | 2 | vt |   | x | 1 | vt | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| 0 |   |   |   |   | v | 2 |   |   |   |   | v | 2 | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   | 1 |   |   | 1 |   | 
	|   |   | c | 2 |   | c | 2 | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
 
 
время t в обоих слагаемых этой формулы одно и то же, так как измерение координат x1 и x2 проводится одновременно. Получается, что
 
l < l0 – длина движущегося отрезка меньше длины покоящегося.
	| 3. Замедление хода движущихся часов |   |   |   |   |   |   |   | 
	| y |   |   | y′ |   |   |   |   |   | Имеются часы с пружинным (или дру- | 
	|   | t |   | t′ |   |   |   | гим) маятником, точка подвеса которо- | 
	|   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | го покоится относительно системы от- | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | счёта K′ (РИС. 15.2). Период колебаний | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | маятника в системе отсчёта, относи- | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | тельно которой точка подвеса маятни- | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   | ка покоится |   |   |   |   | период соб- | 
	|   |   |   |   | K′ | ( x1 x2 ), – | 
	|   |   |   |   | ственных колебаний |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   | K | O′ |   |   |   |   | x′ |   |   | T0 | T |   | , |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | x | T t | t [события 1 и 2 – два последо- | 
	| O |   |   |   |   |   |   |   | 2 | 1 |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | вательных | прохождения | маятником | 
	|   |   |   |   | Рис. 15.2 | 
	|   |   |   |   | положения | равновесия | (или любой | 
другой фазы колебаний)]. В системе отсчёта K события 1 и 2 происходят в точках с разными координатами x1 и x2, период колебаний маятника
 
Выразим эту величину через координаты и время в системе отсчёта K′:
	|   | t |   | v | x |   | t |   | v | x |   | t | t |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| T  | 2 |   | c | 2 |   |   | 2 |   | 1 |   |   | c | 2 |   | 1 |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 2 | 1 |   |   | , |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   | 1 | v2 |   |   |   |   |   | 1 | v2 |   |   | 1 | v2 |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   | c2 |   |   |   |   |   |   | c2 |   |   |   | c2 |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   | T  |   |   |   | T0 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   | 1 | v2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | c2 |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| T > T0 – ход движущихся часов замедляется. |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| 4. Относительность одновременности |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 
	| Если события 1 и 2 в системе отсчёта K′ происходят в одно и то же время (t | t ), | 
	|   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   |   | 2 | 1 | 
 
), то t2 ≠ t1 – эти события не одновременны в системе
 
 
отсчёта K. Это следует из преобразований Лоренца.
	| При t | t | и x | x | возможно t2 < t1. Однако, если между событиями 1 и 2 имеется | 
	| 2 | 1 | 2 | 1 |   | 
причинно-следственная связь, то она не нарушается и t2 > t1.