III. Спектральные аппараты.

Приборы, с помощью которых исследуются спектры излучения источников, называются спектральными приборами.

Для разложения излучения в спектр в простейшем спектральном приборе используется призма. Действие призмы основано на явлении дисперсии, то есть зависимости показателя преломления n вещества от длины волны света λ.

Спектрограф.

Ход лучей:

Устройство: 1. Коллиматор – труба со щелью S, на которую падает исследуемое

излучение, находится в фокальной плоскости линзы, в одном конце и

собирающей линзой Л₁ в другом;

2. Стеклянная призма. Выходящий из линзы параллельный пучок света

падает на призму P. Вследствие дисперсии свет разных длин волн выходит

из призмы под разными углами;

3. Труба с собирающей линзой в доном конце и экраном в другом, на

котором размещается фотопластинка в фокальной плоскости собирающей

линзы Л₂, где фокусируется излучение изображений входной щели S в

свете разных длин волн - возникает спектр.

Если экран заменить зрительной трубой, то получится спектроскоп.

Основы теории относительности.

Природы строй, ее закон

В извечной мгле таился

И бог сказал: "Явись Ньютон!"

И сразу свет разлился …

Но сатана не долго ждал реванша,

Пришел Эйнштейн и стало все как раньше.

(английский поэт Поп)

Основы специальной теории относительности:

Специальная (или частная) теория относительности (СТО) представляет

собой современную физическую теорию пространства и времени. Наряду с квантовой механикой, СТО служит теоретической базой современной физики и техники. СТО часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, – релятивистскими эффектами. Эти эффекты наиболее отчетливо проявляются при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме c ≈ 3·10⁸ м/с. Специальная теория относительности была создана А. Эйнштейном (1905 г.).

Предшественниками Эйнштейна, очень близко подошедшими к решению проблемы, были нидерландский физик Х. Лоренц и выдающийся французский физик А. Пуанкаре.

Классическая механика Ньютона прекрасно описывает движение макротел, движущихся с малыми скоростями (υ << c). В нерелятивистской физике принималось как очевидный факт существование единого мирового времени t, одинакового во всех системах отсчета.

I. Принцип относительности и законы электродинамики:

В основе классической механики лежит механический принцип относительности (или принцип относительности Галилея): законы динамики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Этот принцип означает, что законы динамики инвариантны (т. е. неизменны) относительно преобразований Галилея, которые позволяют вычислить координаты движущегося тела в одной инерциальной системе (K), если заданы координаты этого тела в другой инерциальной системе (K'). В частном случае, когда система K' движется со скоростью υ вдоль положительного направления оси x системы K, преобразования Галилея имеют вид: x = x' + υt,   y = y',   z = z',   t = t'.

П редполагается, что в начальный момент оси координат обеих систем совпадают.

Две инерциальные системы отсчета K и K'.

Из преобразований Галилея следует классический закон преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчета к другой: u_x = u'_x + υ,   u_y = u'_y,   u_z = u'_z.

Ускорения тела во всех инерциальных системах оказываются одинаковыми:

Следовательно, уравнение движения классической механики (второй закон Ньютона) не меняет своего вида при переходе от одной инерциальной системы к другой.

Инерциальные системы отсчета (ИСО) – системы отсчета, в которых выполняется

I закон Ньютона – закон инерции. Системы, которые вращаются или ускоряются, неинерциальные. Землю нельзя считать ИСО: она вращается, но в достаточном приближении можно принять инерциальными. Системы отсчета, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно ИСО, также инерциальны.

Согласно принципу относительности Галилея механические законы физики должны быть одинаковыми во всех ИСО при одинаковых начальных условиях => ни одна ИСО ничем не отличается от другой СО. Все ИСО эквивалентны с точки зрения механических явлений.

Принцип относительности Галилея

исходит из некоторых допущений, которые опираются на наш повседневный опыт. Предполагается, что длина тела одинакова во всех СО и что время одинаково течет в любых ИСО.

В классической механике пространство и время считается абсолютными, масса тела

и все силы остаются неизменными при переходе из одной ИСО в другую.

В справедливости принципа относительности нас убеждает повседневный опыт, например в равномерно движущемся поезде, самолете тела движутся так же, как и на Земле.

Не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы установить, какая СО действительно покоится, а какая движется.

Если на движущейся тележке подбросить мяч вертикально вверх, ео в СО, связанной с тележкой, будет изменяться только координата OY. В СО, связанной с Землей, меняются координаты OY и OX => положение тел и их скорости в разных СО различны.

П редположим, что вагон движется со скоростью υ₁. В этом же направлении по оси OX движется материальная точка М со скоростью υ₂ относительно вагона. Тогда скорость точки М относительно Земли определяется по формуле: υ = υ₁ + υ₂ – закон сложения скоростей в ньютоновской механике.

Если исходить из классического закона сложения скоростей: для объектов, которые движутся со скоростью соизмеримой со скоростью света, то прибор должен зарегистрировать:

а) с' = с; б) с" =c – v; в) с"' =c + v.

Если исходить из принципа относительности и распространить его на электромагнитные явления, то во всех трех случаях измерительный прибор должен показать:

с' = c" = c"' = c.

Получили противоречие.

К концу XIX века начали накапливаться опытные факты, которые вступили в противоречие с законами классической механики. Большие затруднения возникли при попытках применить механику Ньютона к объяснению распространения света.

Во второй половине XIX века Максвелл развил теорию электромагнетизма. Он показал, что свет – электромагнитная волна, распространяющаяся в вакууме со скоростью 3·10⁸ м/с.

Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, распространяющиеся с конечной скоростью, уже нашли практическое применение – в 1895 году было изобретено радио (А. С. Попов). Но из теории Максвелла следовало, что скорость распространения электромагнитных волн в любой инерциальной системе отсчета имеет одно и то же значение, равное скорости света в вакууме. Отсюда следует, что уравнения, описывающие распространение электромагнитных волн, не инвариантны относительно преобразований Галилея. Если электромагнитная волна (в частности, свет) распространяется в системе отсчета K' в положительном направлении оси x', то в системе K свет должен, согласно галилеевской кинематике распространяться со скоростью c + υ, а не c.

Таким образом, обнаружились противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона, законы которой согласуются с принципом относительности.

Эти противоречия пытались преодолеть три теории:

1 теория – теория "мирового эфира" (Х.Лоренц): несостоятельность принципов относительности Галилея к электромагнитным явлениям.

В системе отсчета, покоящейся относительно эфира (особая преимущественная система) законы электродинамики Максвелла справедливы и имеют наиболее простую форму. Лишь в этой СО скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям.

Предположение о том, что свет распространяется в особой среде – эфире, было опровергнуто многочисленными экспериментами. А. Майкельсон в 1881 году, а затем в 1887 году совместно с Э. Морли (оба – американские физики) пытался обнаружить движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») с помощью интерференционного опыта.

Упрощенная схема опыта Майкельсона–Морли представлена на рисунке:

– орбитальная скорость Земли.

В этом опыте одно из плеч интерферометра Майкельсона устанавливалось параллельно направлению орбитальной скорости Земли (υ = 30 км/с). Затем прибор поворачивался на 90°, и второе плечо оказывалось ориентированным по направлению орбитальной скорости. Расчеты показывали, что если бы неподвижный эфир существовал, то при повороте прибора интерференционные полосы должны были сместиться на расстояние, пропорциональное (υ / c)². Опыт Майкельсона–Морли, неоднократно повторенный впоследствии со все более возрастающей точностью, дал отрицательный результат. Анализ результатов опыта Майкельсона–Морли и ряда других экспериментов позволил сделать вывод о том, что представления об эфире как среде, в которой распространяются световые волны, ошибочно. Следовательно, для света не существует избранной (абсолютной) системы отсчета. Движение Земли по орбите не оказывает влияния на оптические явления на Земле.

2 теория – (Г.Герц): неправильны уравнения Максвелла, их нужно изменить, чтобы при переходе из одной ИСО в другую они не менялись.

По Герцу, эфир полностью увлекается движущимися телами и поэтому электромагнитные явления протекают одинаково независимо от того, покоится тело или движется. Принцип относительности Галилея справедлив.

3 теория – новое учение о пространстве и времени (А.Эйнштейн): отказ от классических представлений о пространстве и времени, где время считается абсолютным, одинаково протекающем в любых ИСО.

Справедлив принцип относительности Галилея и законы электродинамики, неточны не уравнения Максвелла, а законы механики Ньютона, их нужно изменять.

Итак, на рубеже XIX и XX веков физика переживала глубокий кризис. Выход был найден Эйнштейном ценой отказа от классических представлений о пространстве и времени. Наиболее важным шагом на этом пути явился пересмотр используемого в классической физике понятия абсолютного времени. Классические представления, кажущиеся наглядными и очевидными, в действительности оказались несостоятельными. Многие понятия и величины, которые в нерелятивистской физике считались абсолютными, т. е. не зависящими от системы отсчета, в эйнштейновской теории относительности переведены в разряд относительных.

Так как все физические явления происходят в пространстве и во времени, новая концепция пространственно-временных закономерностей не могла не затронуть в итоге всю физику.