Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Урок 2/69

Тема. Релятивистский закон сложения скоростей

Цель урока: ознакомить учащихся с релятивістським законом сложения скоростей

Тип урока: изучение нового материала

План урока

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Что вы понимаете под инерциальными системами отсчета? Приведите примеры.

2. Принцип относительности классической физики.

3. В чем заключаются различия в формулировке принципа относительности Галилея и принцип относительности Эйнштейна?

4. Сравните понятия одновременности в классической физике и в теории относительности.

5. В каком случае понятия «раньше» и «позже» являются относительными, а в каком - абсолютными?

6. Два события в некоторой инерциальной системе отсчета происходят в одной точке одновременно. Будут ли эти события одновременными в другой инерциальной системе отсчета?

7. Можно утверждать, что пространственно разделенные события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, одновременные и во всех других инерциальных системах отсчета?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

Что мы узнали на уроке

Во всех инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных условиях все механические явления протекают одинаково.

Классический закон сложения скоростей:

Релятивистский закон сложения скоростей:

Событие - это упрощенная модель такого явления, которое в заданной системе отсчета можно считать таким, что происходит в определенной точке пространства в определенный момент времени.

События, одновременные в одной системе отсчета, оказываются неодновременным в другой системе отсчета, которая движется равномерно и прямолинейно относительно первой, то есть одновременность - понятие относительное.

г1 ) - 22.5; 22.6;

р2) - 22.7; 22.20; 22.21;

г3 ) - 22.33, 22.34; 22.39.

Пусть два фотона 1 и 2 движутся навстречу друг другу со скоростями, равными v 1 = с и v 2 = с (с - скорость света) относительно условно «неподвижной» системы отсчета Земля К (см. рис.). Найдем скорость 1-го фотона в системе отсчета К, связанной со 2-ым фотоном, используя классическую формулу для сложения скоростей:

Таблица 3

Таким образом, скорость одного фотона в системе отсчета, связанной со 2-ым, оказалась равной 2с, но согласно СТО ни одна частица не может двигаться со скоростью, большей скорости света.

При движении тел со скоростями, сопоставимыми со скоростью света в СТО был получена другая формула, которую называют релятивистской формулой сложения скоростей. Запишем формулы для простейшего случая движения систем в одном направлении.

u - скорость тела в неподвижной системе отсчета К

u - скорость тела в движущейся системе отсчета К

v - скорость системы К относительно системы К

(мы заменили буквы по сравнению с предыдущими формулами, чтобы не использовать индексы и еще больше не загромождать формулы)

Получим эти формулы.

Введем промежуточную переменную t

Найдем производную, используя преобразования Лоренца

Перемножим производные, учитывая, что

произведя алгебраические действия, найдем из этого уравнения u или u

Вычислим теперь скорость фотона из предыдущего примера по релятивистской формуле.

v 1 = u 1 = c-скорость 1-го фотона в К, v 1 = u 1 = c- скорость 1-го в К, v 2 = v - скорость 2-го фотона, т.е. скорость К в К. Таким образом по релятивистской формуле скорость фотона не превышает скорость света c.

Понятие о релятивистской динамике

При использовании преобразований Лоренца основной закон динамики m(dp/dt) = F оказывается инвариантным при условии, что импульс частицы записывается в виде:

Релятивистский импульс частицы

Основной закон релятивистской динамики

Тогда основной закон релятивистской динамики формально сохраняет такой же вид, как II закон Ньютона, но между ними имеется принципиальное различие. (см. ниже)

Величина m называется релятивистской массой, она зависит от скорости тела и не является инвариантом, т.е. имеет различное значение в разных ИСО.

m 0 - масса тела, называемая также массой покоя, является инвариантом и имеет одно и то же значение в любых ИСО.

В классической механике ускорение частицы и сила, вызвавшая это ускорение, всегда направлены одинаково. При скорости движения частицы сопоставимой со скоростью света, т.е. в релятивистском случае, направление ускорения и силы совпадают только в двух случаях: 1) когда сила параллельна скорости в каждый момент времени и 2) когда сила перпендикулярна скорости. В общем случае направления ускорения и силы не совпадают (см. рис)

Взаимосвязь массы и энергии в теории относительности.

Введем новые обозначения для энергии, которые чаще всего используются в СТО.

полная энергия

кинетическая энергия (будем использовать обозначение Т)

Найдем выражение для кинетической энергии в СТО, считая, что приращение кинетической энергии происходит за счет работы некоторой силы. Тело в начальный момент неподвижно и является свободным, т.е. не взаимодействует с другими телами и не обладает, таким образом, потенциальной энергией.

чтобы проинтегрировать и получить, нужно свести к одной переменной m, пока их две, и все равенства - скалярные произведения векторов,

вместо переменной р появились переменные

здесь уже нет векторных произведений т.к. , но остались две переменные

возведем в квадрат, выразим, подставим в и получим

теперь можно проинтегрировать, т.к. осталась одна переменная m

интегрируя, получим выражение для кинетической энергии в СТО

Релятивистская кинетическая энергия

Энергия покоя

Полная релятивистская энергия, т.е. энергия движущегося тела

Таким образом, из СТО следует, что любое неподвижное тело обладает запасом энергии, равной. Например, в теле массой 1 кг содержится энергия Е 0 = 1910 16 Дж. Этой энергией можно нагреть на 100 о С водоем с размерами 1 км 20 км 20 м. Проблема состоит в том, как выделить эту энергию. Даже при термоядерной реакции освобождается меньше 1% от полной энергии, соответствующей всей массе покоя. В классической механике понятие «энергия покоя» отсутствовало.

Выражение называется закон Эйнштейна взаимосвязи массы и энергии

Согласно этому закону, общий запас энергии тела (или системы тел), из каких бы видов энергии он ни состоял (кинетическая, потенциальная, тепловая, электрическая и пр.) связан с массой тела (системы тел) этим соотношением. Иначе говоря, если изменится масса тела, изменится и его энергия, и наоборот.

Пусть кусок железа массой 1 кг нагрели на 1000 о С. Вычислим, насколько должна при этом измениться масса куска.

изменение энергии тела на должно изменить его массу на

Q - теплота при нагревании, С - удельная теплоемкость нагреваемого вещества

не существует таких приборов, чтобы при массе 1 кг обнаружить такое маленькое ее изменение

Все формулы СТО переходят в классические при v<< c.Например, найдем кинетическую энергию тела при малых скоростях. Приближенное выражение, известное из математики

релятивистское выражение переходит в классическое

Из СТО следует возможность существования частиц с нулевой массой, но они не могут быть неподвижными, а должны непрерывно двигаться, причем только со скоростью света с - это фотоны и, возможно, нейтрино.

связь энергии и импульса для частиц с нулевой массой (фотонов) m 0 =0

Некоторые формулы из СТО, которые можно вывести из приведенных выше выражений

Связь кинетической энергии частицы с ее импульсом

Связь полной энергии частицы с ее импульсом

Связь полной энергии и энергии покоя с импульсом

12.2. Постулаты СТО

12.2.1. Релятивистский закон сложения скоростей

Релятивистская теория называется также специальной теорией относительности и базируется на двух постулатах, сформулированных А. Эйнштейном в 1905 г.

Первый постулат специальной теории относительности (СТО) называется принципом относительности : все законы физики инвариантны относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой, т.е. никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные внутри данной ИСО, не дают возможности обнаружить, находится ли эта ИСО в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно.

Первый постулат распространяет механический принцип относительности Галилея на любые физические процессы.

Второй постулат специальной теории относительности (СТО) называется принципом инвариантности скорости света : скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех ИСО.

Второй постулат утверждает, что постоянство скорости света - фундаментальное свойство природы.

Преобразования Лоренца (1904) позволяют получить значения трех пространственных и одной временной координаты при переходе от одной инерциальной системы отсчета (x , y , z , t ) к другой (x ′, y ′, z ′, t ′), движущейся в положительном направлении координатной оси Ox с релятивистской скоростью u → :

x = x ′ + u t ′ 1 − β 2 , y = y ′, z = z ′, t = t ′ + u x ′ / c 2 1 − β 2 ,

где β = u /c ; c - скорость света в вакууме, c = 3,0 ⋅ 10 8 м/с.

Практическую ценность для решения задач имеет закон сложения скоростей , записанный в виде

v ′ x = v x − u x 1 − u x v x c 2 ,

где величины v ′ x , u x , v x - проекции скоростей на выбранную координатную ось Ox :

• v ′ x - относительной скорости релятивистских частиц;
• u x - скорости частицы, выбранной за систему отсчета , относительно неподвижного наблюдателя;
• v x - скорости другой частицы относительно того же неподвижного наблюдателя.

Для расчета относительной скорости движения двух релятивистских частиц целесообразно применять следующий алгоритм :

1) выбрать направление координатной оси Ox вдоль движения одной из релятивистских частиц;

2) связать систему отсчета с одной из частиц, обозначить ее скорость u → ; скорость второй частицы относительно неподвижного наблюдателя обозначить v → ;

3) записать проекции скоростей u → и v → на выбранную координатную ось:

• при движении частицы в положительном направлении оси Ox знак проекции скорости считать положительным ;
• при движении частицы в отрицательном направлении оси Ox знак проекции скорости считать отрицательным ;

v ′ x = v x − u x 1 − u x v x c 2 ;

5) модуль относительной скорости движения релятивистских частиц записать в виде

v отн = | v ′ x | .

Пример 1. Ракета, удаляющаяся от Земли со скоростью 0,6c (c - скорость света), посылает световой сигнал в сторону, противоположную скорости своего движения. Сигнал регистрируется наблюдателем на Земле. Найти скорость этого сигнала относительно земного наблюдателя.

Решение . Согласно второму постулату СТО скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя.

Поэтому скорость сигнала, посланного ракетой, относительно земного наблюдателя равна скорости света:

v отн = c ,

где c - скорость света в вакууме, c = 3,0 ⋅ 10 8 м/с.

Пример 2. В момент вылета из ускорителя радиоактивное ядро выбросило электрон в направлении его движения. Модули скоростей ядра и электрона относительно ускорителя составляют 0,40c и 0,70c соответственно (c - скорость света в вакууме, c ≈ 3,00 ⋅ 10 8 м/с). Определить модуль скорости ядра относительно электрона. Как изменится модуль скорости ядра относительно электрона, если ядро выбросит электрон в противоположную сторону?

Решение . В первом случае ядро выбрасывает электрон в направлении своего движения. На рис. а показано ядро, выбросившее электрон вдоль направления своего движения, и указаны направления координатной оси Ox , скорости ядра v → яд, скорости электрона v → эл.

Для расчета относительной скорости движения двух релятивистских частиц воспользуемся алгоритмом.

1. Выберем направление координатной оси Ox в направлении скорости электрона и ядра.

u → = v → эл;

v → = v → яд.

u x = 0,40c ; v x = 0,70c .

v ′ x = v x − u x 1 − u x v x c 2 = 0,70 c − 0,40 c 1 − 0,40 c ⋅ 0,70 c c 2 = 0,30 c 1 − 0,40 c ⋅ 0,70 c c 2 = 1,25 ⋅ 10 8 м/с.

5. Проекция относительной скорости имеет положительный знак, поэтому модуль скорости ядра относительно электрона равен найденной проекции:

v отн = v ′ x = 1,25 ⋅ 10 8 м/с.

Во втором случае ядро выбрасывает электрон в сторону, противоположную скорости своего движения. На рис. б показано ядро, выбросившее электрон противоположно направлению своего движения, и указаны направления координатной оси Ox , скорости ядра v → яд, скорости электрона v → эл.

Для расчета также воспользуемся алгоритмом.

1. Выберем направление координатной оси Ox в направлении скорости электрона.

2. Свяжем систему отсчета с электроном, его скорость относительно ускорителя обозначим

u → = v → эл;

скорость ядра относительно ускорителя -

v → = v → яд.

3. Запишем проекции скоростей u → и v → на выбранную координатную ось:

u x = 0,40с ; v x = −0,70c .

4. Рассчитаем проекцию относительной скорости частиц по формуле

v ′ x = v x − u x 1 − u x v x c 2 = − 0,70 c − 0,40 c 1 − 0,40 c ⋅ (− 0,70) c c 2 =

= − 1,1 ⋅ 3,00 ⋅ 10 8 1 − 0,40 c ⋅ (− 0,70) c c 2 = − 2,58 ⋅ 10 8 м/с.

5. Проекция относительной скорости имеет отрицательный знак, поэтому модуль скорости ядра относительно электрона равен модулю найденной проекции:

v отн = | v ′ x | = 2,58 ⋅ 10 8 м/с.

Модуль относительной скорости частиц увеличивается в 2,58 раза.

Пусть тело в системе отсчета K" обладает скоростью v", направленной по оси x" (и x): . В системе отсчетаK скорость этого тела будет
. Выясним каково соотношение между скоростямиv" и v. Рассмотрим производную как отношение дифференциалов dx и dt, которые найдем, используя преобразования Лоренца:

Разделим числитель и знаменатель правой части на dt" и получим

т.е. в отличие от преобразований Галилея суммарная скорость не равна сумме скоростей, а в
раз ниже. Пусть тело движется в ракете со скоростью светаv" x = c, а ракета движется со скоростью света относительно неподвижной системы координат v 0 = c. С какой скоростью v x движется тело относительно неподвижной системы координат?

По преобразованию Галилея эта скорость v = v" x + v 0 = 2c. По преобразованию Лоренца

Понятие о релятивистской динамике. Законы взаимосвязи массы и энергии. Полная и кинетическая энергия. Соотношение между полной энергией и импульсом частицы.

Движение не слишком малых тел с не очень высокими скоростями подчиняется законам классической механики. В конце XIX века экспериментально установлено, что масса тела m не является неизменной величиной, а зависит от скорости v его движения. Эта зависимость имеет вид

где m 0 – масса покоя.

Если v = 300 км/с, то v 2 /c 2 = 1∙ 10 -6 и m > m 0 на величину 5 ∙ 10 -7 m 0 .

Отказ от одного из основных положений (m= const) классической механики привел к необходимости критического анализа и ряда других его основ. Выражение импульса в релятивистской динамике имеет вид

Законы механики сохраняют свой вид и в релятивистской динамике. Изменение импульса d(mv) равно импульсу силы Fdt

dp = d(mv) = F dt.

Отсюда dp/dt = F- есть выражение основного закона релятивистской динамики для материальной точки.

В обоих случаях входящая в эти выражения масса является переменной величиной (m ≠ const) и ее также необходимо дифференцировать по времени.

Установим связь между массой и энергией. Возрастание энергии, так же как и в классической механике, вызывается работой силы F. Следовательно, dE = Fds. Разделив левую и правую части на dt, получим

Подставляем сюда

Умножив левую и правую части полученного равенства на dt , получим

Из выражения для массы
определим

.

Продифференцируем выражение v 2 .

Подставим v 2 и d(v 2) в выражение для dE

Интегрируя это выражение, получим E = mc 2 .

Полная энергия системы Е равна произведению массы на квадрат скорости света в вакууме. Связь между энергией и импульсом для частиц не имеющих массы покоя в релятивистской динамике дается соотношением

которое легко получить математически: E=mc 2 ,p=mv. Возведем оба равенства в квадрат и обе части второго домножим на с 2

E 2 = m 2 c 4 , p 2 c 2 = m 2 v 2 c 2 .

Вычтем почленно из первого равенства второе

E 2 – p 2 c 2 = m 2 c 4 -m 2 v 2 c 2 = m 2 c 4 (1-v 2 / c 2).

Учитывая, что
получим

Так как масса покоя m 0 и скорость света с величины, инвариантные к преобразованиям Лоренца, то соотношение (E 2 - p 2 c 2) также инвариантно к преобразованиям Лоренца. Из этого соотношения получим выражение для полной энергии

Таким образом, из этого уравнения можно сделать вывод:

энергией обладают и материальные частицы, не имеющие массы покоя (фотоны, нейтрино). Для этих частиц формула связи энергии и импульса имеет вид E = pc.

Из приведенных выше преобразований получили dE=c 2 dm. Интегрирование левой части в пределах от E 0 до Е, а правой от m 0 до m, дает

E – E 0 = c 2 (m – m 0) = mc 2 – m 0 c 2 ,

где E = mc 2 - полная энергия материальной точки,

E 0 =m 0 c 2 - энергия покоя материальной точки.

Разность Е – Е 0 есть кинетическая энергия Т материальной точки.

При скоростях v « c , разложим
в ряд:

=
.

Учитывая, что v « c, ограничимся первыми двумя членами в ряду.

Тогда

т.е. при скоростях v много меньших скорости света в вакууме релятивистская формула кинетической энергии обращается в классическую формулу для кинетической энергии
.