- •1.Упругие волны Распространение волн в упругой среде. Уравнение плоской волны. Стоячие волны. Эффект Доплера в акустике.
- •Уравнение плоской волны.
- •Стоячие волны.
- •Эффект Доплера в акустике.
- •2.Ультразвук Ультразвук. Источники и приемники ультразвуковых волн. Применение ультразвука.
- •Электромагнитные колебания
- •3.Свободные колебания в lc-контуре. Свободные затухающие колебания. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение.
- •4. Вынужденные электрические колебания. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение.
- •5. Резонанс напряжений и резонанс токов.
- •Основы теории максвелла для электромагнитного поля.
- •6.Общая характеристика теории Максвелла. Вихревое магнитное поле. Ток смещения.
- •7.Уравнения Максвелла в интегральном виде.
- •Электромагнитные волны
- •8.Экспериментальное получение электромагнитных волн. Плоская электромагнитная волна. Волновое уравнение для электромагнитного поля. Энергия электромагнитных волн. Давление электромагнитных волн.
- •Геометрическая оптика
- •9. Основные законы геометрической оптики. Фотометрические величины и их единицы.
- •10. Преломление света на сферических поверхностях. Тонкие линзы. Формула тонкой линзы и построение изображений предметов с помощью тонкой линзы.
- •11.Световые волны
- •12.Интерференция света при отражении от тонких пластинок. Полосы равной толщины и равного наклона.
- •13. Кольца Ньютона. Применение явления интерференции. Интерферометры. Просветление оптики.
- •14.Дифракция света
- •15. Дифракция света на круглом экране и круглом отверстии.
- •16.Дифракция света на одной щели. Дифракционная решетка.
- •17. 18. Взаимодействие света с веществом. Дисперсия и поглощение света. Нормальная и аномальная дисперсия. Закон Бугера-Ламберта.
- •19.Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Закон малюса.
- •20.Поляризация света при отражении и преломлении. Закон брюстера. Двойное лучепреломление. Анизотропия кристаллов.
- •21. Эффект доплера для световых волн.
- •22.Тепловое излучение. Свойства равновесного теплового излучения. Абсолютно черное тело. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела. Законы Кирхгофа, Стефана- Больцмана, Вина.
- •23. Элементы специальной теории относительности Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца.
- •2. Длительность событий в разных системах отсчета.
- •24. Основные законы релятивистской динамики. Закон взаимосвязи массы и энергии.
23. Элементы специальной теории относительности Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца.
В классической механике справедлив механический принцип относительности (принцип относительности Галилея): законы динамики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Классическая механика прекрасно описывает движение макротел, движущихся с малыми скоростями. Однако в конце 19 века выяснилось, что выводы классической механики противоречат некоторым опытным данным, в частности при изучении движения быстрых заряженных частиц оказалось, что их движение не подчиняется законам механики. Далее возникли затруднения при попытках применить механику Ньютона к объяснению распространения света. Опыты (Майкельсона и др.) «упрямо» показывали, что скорости света в двух движущихся друг относительно друга системах равны. Это противоречило правилу сложения скоростей в классической механике.
Для объяснения этих и других опытных данных необходимо было создать новую механику, которая, объясняя эти факты, содержала ньютоновскую механику как предельный случай малых скоростей (v << С). Это удалось сделать А. Эйнштейну, который заложил основы специальной теории относительности. Эта теория представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория относительности часто называется также релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистскими эффектами.
В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна, сформулированные им в 1905 году.
1. Принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические и т.), проведенные внутри инерциальной системы отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.
2. Принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Первый принцип Эйнштейна является обобщением механического принципа на любые физические процессы, утверждает, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, т.е. протекают одинаково, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета.
Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости света – фундаментальное свойство природы, которое констатируется как опытный факт.
Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных представлений о пространстве и времени, принятых в классической механике, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время.
Постулаты Эйнштейна и теория, построенная на их основе, установили новый взгляд на мир и новые пространственно- временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий. Эти и другие следствия из теории Эйнштейна находят надежное экспериментальное подтверждение.
Преобразования Лоренца. В классической механике используются преобразования Галилея, описывающие переход от одной инерциальной системы отсчета к другой (формулы записаны для случая, когда система К' движется относительно К со скоростью v вдоль оси ОХ):
К → К' К' → К
x' = x – vt x = x' + vt
y' = y y = y' (1)
z' = z z = z'
t' = t t = t'.
В 1904 г., еще до появления теории относительности, Лоренцем были предложены преобразования, относительно которых уравнения Максвелла инвариантны. Преобразования Лоренца имеют вид
К → К' К' → К
x' = (x – vt)/√1 – β2 x = (x' + vt')/√ 1 – β2
y' = y y = y' (2)
z' = z z = z'
t' = (t – vx/C2 )/ √ 1 – β2 t = t' + vx' /C2 )/ √ 1 – β2 , где β = v/C.
Эйнштейн показал, что в теории относительности классические преобразования Галилея заменяются преобразованиями Лоренца, удовлетворяющими постулатам Эйнштейна.
Из сравнения приведенных уравнений вытекает, что они симметричны и отличаются лишь знаком при v, что очевидно. Из преобразований Лоренца вытекает также, что 1) при малых скоростях, т.е. при β<<1, они переходят в классические преобразования Галилея (в этом заключается суть принципа соответствия), которые являются, следовательно, предельным случаем преобразованийЛоренца. 2)При v>С выражения (2) для х, t, x', t' теряют физический смысл (становятся мнимыми). Это находится в соответствии с тем, что движение со скоростью, большей скорости распространения света в вакууме, невозможно.
Из преобразований Лоренца следует очень важный вывод о том, что 1)как расстояние, так и промежуток времени между двумя событиями меняются при переходе от одной инерциальной системы к другой, в то время как в рамках преобразований Галилея эти величины считаются абсолютными, не изменяющимися при переходе от системы к системе. Кроме того, 2) как пространственные, так и временные преобразования (2) не являются независимыми, поскольку в закон преобразования координат входит время, а в закон преобразования времени – пространственные координаты, т.е. устанавливается взаимосвязь пространства и времени. Таким образом, теория Эйнштейна оперирует не с трехмерным пространством, к которому присоединяется понятие времени, а рассматривает неразрывно связанные пространственные и временные координаты, образующие четырехмерное пространство-время.
Следствия из преобразований Лоренца.
1.Одновременность событий в разных системах отсчета. Пусть в системе К в точках с координатами х1 и х2 в моменты времени t1 и t2 происходят два события. В системе К' им соответствуют координаты х1' и х'2 и моменты времени t'1 и t'2. Если события в системе К происходят в одной точке (х1 = х2) и являются одновременными (t1 = t2), то согласно преобразованиям Лоренца (2),
х1' = х'2, t'1 = t'2,
т.е. эти события являются одновременными и пространственно совпадающими для любой инерциальной системы отсчета.
Если события в системе К пространственно разобщены (х1 ≠ х2), но одновременны (t1 = t2), то в системе К', согласно преобразованиям Лоренца
x'1 = (x1 – vt)/√1 – β2 , x'2 = (x2 - vt)/√ 1 – β2 ,
t'1 = (t – vx1 /C2 )/ √ 1 – β2 , t'2 = (t' – vx2 /C2 )/ √ 1 – β2 , (3)
х'1 ≠ x'2 , t'1 ≠ t'2 .
Таким образом, в системе К' эти события, оставаясь пространственно разобщенными, оказываются и неодновременными. Знак разности t'2 - t'1 определяется знаком выражения v(х1 - х2), поэтому в различных точках системы отсчета К' (при разных v) разность t'2 - t'1 будет различной по величине и по знаку. Следовательно, в одних системах отсчета первое событие может предшествовать второму, в то время как в других системах отсчета, наоборот, второе событие предшествует первому. Сказанное, однако, не относится к причинно-следственным событиям, так как можно показать, что порядок следования причинно-следственных событий одинаков во всех инерциальных системах отсчета.