- •§1. Несколько вводных замечаний о предмете физики.
- •§2. Механика
- •2.2. Кинематика движения материальной точки. Характеристики движения.
- •2.3. Вектор скорости. Средняя и мгновенная скорость.
- •2.4. Путь при неравномерном движении.
- •2.6. Криволинейное движение.
- •2.6.1. Ускорение при криволинейном движении (тангенциальное и нормальное ускорение).
- •2.7. Кинематика вращательного движения.
- •2.7.1. Угловая скорость.
- •2.7.2. Угловое ускорение.
- •2.7.3. Связь между линейной и угловой скоростью.
- •§3. Динамика
- •3.2. II закон Ньютона.
- •3.3. III закон Ньютона.
- •3.4. Импульс. Закон сохранения импульса.
- •3.5. Работа и энергия.
- •3.6. Мощность.
- •3.7. Энергия.
- •3.8. Кинетическая энергия тела.
- •3.9. Потенциальное поле сил. Силы консервативные и неконсервативные.
- •3.10. Потенциальная энергия тела в поле сил тяжести (в поле тяготения Земли).
- •3.11. Потенциальная энергия в гравитационном поле (в поле всемирного тяготения).
- •3.12. Потенциальная энергия упруго деформированного тела.
- •3.13. Закон сохранения энергии.
- •§4. Механика твердого тела.
- •4.1. Поступательное движение твердого тела.
- •4.2. Вращательное движение твердого тела.
- •4.3. Момент импульса тела.
- •4.4. Закон сохранения момента импульса.
- •4.5. Основное уравнение динамики вращательного движения.
- •4.6. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела.
- •4.7. Работа внешних сил при вращательном движении твердого тела.
- •§5. Гидродинамика
- •5.1. Линии и трубки тока.
- •5.2. Уравнение Бернулли.
- •5.3. Силы внутреннего трения.
- •5.4. Ламинарное и турбулентное течения.
- •5.5. Течение жидкости в круглой трубе.
- •5.6. Движение тел в жидкостях и газах.
- •§6. Всемирное тяготение.
- •6.1. Законы Кеплера.
- •6.2. Опыт Кавендиша.
- •6.3. Напряженность гравитационного поля. Потенциал гравитационного поля.
- •§7. Основы теории относительности.
- •7.1. Принцип относительности.
- •7.2. Постулаты специальной (частной) теории относительности. Преобразования Лоренца
- •7.3. Следствия из преобразований Лоренца.
- •7.4. Интервал между событиями.
- •§8. Колебания.
- •8.1. Общие сведения.
- •8.2. Уравнение гармонического колебательного движения.
- •8.3. Графическое изображение гармонических колебаний. Векторная диаграмма.
- •8.4. Скорость, ускорение и энергия колеблющегося тела.
- •8.5. Гармонический осциллятор.
- •8.6. Малые колебания системы вблизи положения равновесия.
- •8.7. Математический маятник.
- •8.8. Физический маятник.
- •8.9. Затухающие колебания.
- •8.10. Вынужденные колебания. Резонанс.
- •Молекулярная физика и термодинамика §9. Молекулярная физика
- •9.1. Предмет и методы молекулярной физики.
- •9.2. Термодинамическая система. Параметры состояния системы. Равновесное и неравновесное состояние.
- •9.2.1. Идеальный газ. Параметры состояния идеального газа.
- •9.2.2. Газовые законы.
- •9.2.3. Закон Авогадро.
- •9.2.4. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева Клапейрона).
- •Физический смысл универсальной газовой постоянной.
- •9.2. Основное уравнение кинетической теории газов
- •9.3. Барометрическая формула. Распределение Больцмана
- •9.4. Максвелловское распределение молекул по скоростям
- •9.5. Явления переноса. Длина свободного пробега молекул
- •9.6. Явление диффузии
- •9.7. Явление теплопроводности и вязкости
- •§10. Термодинамика
- •10.1. Внутренняя энергия идеального газа
- •10.2. Работа и теплота. Первое начало термодинамики
- •10.3. Работа газовых изопроцессов
- •10.4. Молекулярно-кинетическая теория теплоемкостей
- •10.5. Адиабатический процесс
- •10.6. Круговые обратимые процессы. Цикл Карно
- •10.7. Понятие об энтропии. Энтропия идеального газа
- •10.8. Второе начало термодинамики
- •10.9. Статистическое толкование второго начала термодинамики
- •§11. Реальные газы
- •11.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •11.2. Критическое состояние вещества
- •11.3. Эффект Джоуля-Томсона
7.2. Постулаты специальной (частной) теории относительности. Преобразования Лоренца
Эйнштейн сформулировал два постулата, лежащие в основе специальной теории относительности:
1. Физические явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой инерциальной системы отсчета, нельзя обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно.
2. Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя.
Наличие этих постулатов позволяет получить новые преобразования координат, отличающиеся от (7.1).
Пусть система движется относительно инерциальной системы K с постоянной скоростью vо (рис. 7.1) так, чтобы оси x и при движении совпадали, а оси y, и z, были параллельны друг другу, причем вектор, соединяющий начала координат, , где t время. Можно показать, что координаты y и z связаны формулами y = ; z = . Ищем зависимость между подвижными и неподвижными координатами x в виде
, (7.2)
где искомый коэффициент. Согласно первому постулату в силу равноправия систем отсчета для перехода от неподвижной системы отсчета к подвижной зависимость между координатами должна иметь аналогичный вид и отличаться лишь знаком для скорости vo:
= (x - vo, t). (7.3)
Пусть в моменты времени t = = 0 в точке x = = 0 в направлении оси x испускается вспышка света. Это событие через время t будет наблюдаться в точке x = ct и через время в точке = c . Здесь используется тот факт, что скорость света c для вакуума согласно 2му постулату Эйнштейна одинакова в обеих системах. Подставляя в два последних равенства выражения (7.2) и (7.3), получим (c + vo) = ct ; (c - vo)t = c . Перемножая эти два равенства, получим = 1/(1 - 2)0,5 , где величину = vo /c называют относительной скоростью.
Исключая из равенств (7.2) и (7.3) координату x, получим
t = / + /c
Подставляя в эту формулу и в формулу (7.2) выражения для и , получим окончательно формулы для связи координат и времени :
(7.4)
Полученные формулы называют преобразованиями Лоренца. Ученый Лоренц впервые получил эти формулы и показал, что если уравнения Максвелла преобразовать подстановкой (7.4), то их вид останется прежним и эти уравнения подчиняются принципу относительности. Эйнштейн предположил, что все физические законы не должны меняться от преобразований Лоренца.
Преобразования Лоренца при малых скоростях движения ( 0) переходят в преобразования Галилея, которые являются предельным случаем преобразований Лоренца. Из преобразований Лоренца следует, что как пространственные, так и временные преобразования не являются независимыми. Таким образом, теория Эйнштейна оперирует не с трехмерным пространством, а рассматривает неразрывно связанные пространственные и временные координаты, образующие четырехмерное пространство-время.
Теорию относительности часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорий, - релятивистскими эффектами.
7.3. Следствия из преобразований Лоренца.
Самым неожиданным следствием теории относительности является зависимость времени от системы отсчета.
Длительность событий в разных системах отсчета. Пусть в некоторой точке , покоящейся относительно подвижной системы , происходит событие, длительность которого = - , где и - начальный и конечный промежутки времени. C помощью формул (7.4) получим, что длительность этого же события в неподвижной системе отсчета K равна
или
(7.5)
И з последнего равенства следует, что , т.е. для подвижной системы отсчета событие будет происходить за меньший промежуток времени. Следовательно, для подвижной системы отсчета время идет медленнее. Этот удивительный результат можно понять, если придумать специальные часы, в которых роль маятника играет световой сигнал, бегающий между двумя параллельными зеркалами, находящимися на расстоянии L. Период таких часов для системы отсчета, в которой они покоятся = 2L /с. Если эти часы движутся со скоростью vo вдоль оси x (рис. 7.2), то для неподвижного наблюдателя траектория движения луча выглядит в виде зигзага и расстояние, пройденное светом за период часов , будет более длинным, его квадрат равен 4L2 + 2 = с22 . Исключая L из двух последних равенств, легко получить выражение (7.5) = /(1-- 2)0,5. Если космонавт улетит от Земли со скоростью, близкой к скорости света (например, 2 = 1 - 10-4 ), и вернется обратно через год, то по земным часам полет продлится 100 лет. Космонавт возвратится на Землю в сто раз более молодым, чем его брат-близнец. Данный результат мысленного эксперимента кажется неправильной интерпретацией преобразований Лоренца, так как, если за неподвижную систему отсчета считать движущийся корабль, то его близнец на Земле удаляется с такой же скоростью, и его время как бы замедлится по сравнению с часами на корабле. Однако эти две системы – не равнозначны, космонавт на корабле должен ускоряться и замедляться, чтобы вернуться на Землю. Поэтому система отсчета, связанная с кораблем ‑ неинерциальна. Получается, что причина замедления физических процессов связана с тем, что космонавт при путешествии подвергался дополнительным механическим перегрузкам. Детальный расчет, выходящий за рамки специальной теории относительности, показывает, что часы, движущиеся с ускорением, идут медленнее, поэтому при возвращении отстанут именно они.
Эффект замедления хода часов получил экспериментальное подтверждение при исследовании частиц -мезонов, образующихся в космических лучах. Среднее время жизни неподвижных -мезонов составляет 2 10-6с. Казалось бы, что двигаясь со скоростью света -мезоны могут пройти расстояние 600м. Однако -мезоны проходят расстояние 20-30 км и достигают земной поверхности, т.е. для земного наблюдателя время жизни -мезонов оказывается гораздо большим.
Одновременность событий в разных системах отсчета. Пусть в подвижной системе в точках с координатами и происходят одновременно два события в момент времени = = b . Согласно формулам (7.4) в системе K этим событиям будут соответствовать координаты t1 = (b + vo /c2)/(1- - 2)0,5 и t2 = (b + vo /c2)/(1- 2)0,5 . Из написанных формул видно, что если события в системе K пространственно разобщены ( ), они не будут происходить одновременно. Например, при получим t1 t2 , т.е. событие в точке 1 для неподвижной системы отсчета произойдет раньше, хотя для подвижной системы эти события одновременны.
Длина тел в разных системах отсчета. Из преобразований (7.4) следует, что при движении тел их размеры по осям x и y не изменяются. Пусть в системе K покоится стержень, параллельный оси x . Длина его, измеренная в этой системе, равна l = x2 - x1 , где x1 и x2 - координаты обоих концов стержня в системе K . Используя преобразования Лоренца (7.4), выразим длину стержня в следующем виде l = ( + vo )/(1- 2)0,5 - ( + + vo )/(1- 2)0,5 = ( - )/(1- 2)0,5 , где и - координаты концов стержня, измеренные в подвижной системе в один и тот же момент времени . Длина стержня в системе равна = - . Окончательно получим l = /(1- 2)0,5 или = l(1- 2)0,5 . Отсюда следует l . Длину l называют собственной длиной стержня в той системе отсчета, в которой он покоится. Это наибольшая длина стержня. Если предмет начинает двигаться, его размеры в направлении оси x сокращаются пропорционально (1- 2)0,5 . Например, если неподвижное тело является шаром, то при движении шар сжимается вдоль оси x , приобретая форму эллипсоида вращения.
Релятивистский закон сложения скоростей. Пусть опять система движется относительно системы K со скоростью vo вдоль оси x . Пусть vx = dx/dt есть компонента скорости некоторой частицы в системе K , а = - компонента скорости ее в системе . Дифференцируя формулы (7.4), получим
; dy = d ; dz = dz’; .
Разделив первые три равенства на четвертое и учитывая, что = vo/c, находим
(7.6)
где vx , vy , vz - составляющие скорости частицы в системе K , , , - составляющие скорости частицы в системе . Полученные формулы и определяют преобразование скоростей. При с релятивистские формулы переходят в формулы классической механики.
Пусть корабль движется вдоль оси x со скоростью = c / 2 и некоторая частица движется в этом же направлении относительно корабля со скоростью = c / 2 . По формулам (7.6) получим vx = 4c/5 , т.е. по теории относительности 1/2 и 1/2 дают не 1, а 4/5.
Возьмем предельный случай. Положим, что человек на борту корабля наблюдает, распространение света вдоль оси x , т.е. = с. Тогда по формулам (8.6) получим vx = (с + )/(1 + c/c2) = c . Итак, скорость света для неподвижного наблюдателя опять равна скорости света.