Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Содержание 1. Рождение теории 2.Принцип относительности 3.Преобразования Галилея 4.Преобразования Лоренца 5.Специальная теория относительности 6.Создание СТО 7.Релятивистская теория 8.Постулаты Эйнштейна 9.Сущность СТО 10.Следствия СТО «Поезд Эйнштейна» «Парадокс близнецов» 11. Элементы релятивистской динамики 12.Общая теория относительности 13.Основные принципы общей теории относительности Необходимость релятивистской теории гравитации Принцип равенства гравитационной и инертной масс Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности 14.Уравнения Эйнштейна 15.Основные следствия ОТО 16.Проблемы ОТО Проблема энергии ОТО и квантовая физика 17.Опыты подтверждающие общую теорию относительности

Рождение теории Великий немецкий ученый-физик Альберт Эйнштейн () до 1933 г. жил в Германии, затем в США. Член многих академий наук, почетный член Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии 1921г. Выдающийся вклад Эйнштейна в науку - создание теории относительности. В 1905г. им была опубликована в почти законченном виде специальная, или частичная, теория относительности.

Принцип относительности Г. Галилеем было установлено, что все механические явления в различных инерциальных системах протекают одинаково, т.е. никакими механическими опытами, проводимыми «внутри» данной инерциальной системы, невозможно установить, покоится данная система или движется прямолинейно и равномерно. Это положение названо принципом относительности Галилея. Принцип относительности Галилея является обобщением многочисленных опытов. По принципу Галилея, все системы отсчета, которые относительно инерциальной движутся равномерно и прямолинейно, также являются инерциальными. Систему, движущуюся ускоренно относительно инерциальной, называют неинерциальной.

Преобразования Галилея Для тех случаев, когда движение тела необходимо описать в другой системе отсчета, найдём формулы преобразования координат при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Допустим, инерциальная система К´ движется со скоростью v вдоль оси ОХ относительно другой инерциальной системы К. Для простоты предположим, что оси координат систем К и К´ в начальный момент времени t=t´=0 совпадали. Допустим, материальная точка Р покоится относительно системы К. Её положение в системе К характеризуется радиусом-вектором r или координатами x, y, z. Относительно системы К´ эта точка движется и её положение в системе К´ характеризуется радиусом- вектором r´ или координатами x´, y´, z´. z´z v, t v x 0 0´ YKY´K´ x´ x,X´ p. t=t´. Время в обеих инерциальных системах отсчета К и К ´ течет одинаково, часы синхронизированы, т.е. t=t´.

Связь между радиусами-векторами r ´ и r одной и той же точки Р в системах К и К´ имеет вид r´ = r – vt. Это соотношение можно записать для каждой из декартовых координат. С учетом того, что t=t´, получим: x ´ = x – vt, y´ = y, z´ = z, t´= t. Эти уравнения называют прямыми преобразованиями Галилея. Если материальная точка Р неподвижна в системе К´, то уравнение её движения в системе К можно записать с помощью обратных преобразований Галилея: r = r´ + vt, x = x ´ + vt, y = y ´, z = z ´.

Преобразования Лоренца Преобразования Галилея исходят из предположения, что синхронизация часов осуществляется с помощью мгновенно распространяющихся сигналов. Однако таких сигналов в действительности не существует. Существование верхней границы для скорости распространения сигналов привело к другим формулам преобразования, позволяющим по координатам и времени произвольного события, найденным в определенной инерциальной системе К, найти координаты того же самого события в любой другой инерциальной системе К ´, движущейся относительно К в направлении оси х прямолинейно и равномерно со скоростью v:

Из преобразований Лоренца вытекает целый ряд следствий. В частности, из них следует релятивистский эффект замедления времени и лоренцево сокращение длины. Пусть, например, в некоторой точке x" системы K" происходит процесс длительностью τ 0 = t" 2 – t" 1 (собственное время), где t"1 и t2 – показания часов в K" в начале и конце процесса. Длительность τ этого процесса в системе K будет равна Можно показать, что из преобразований Лоренца вытекает релятивистское сокращение длины.

Специальная теория относительности Специальная теория относительности (СТО), частная теория относительности теория, заменившая механику Ньютона при описании движения тел со скоростями, близкими к скорости света. При малых скоростях различия между результатами СТО и ньютоновской механикой становятся незначительными.

Создание СТО Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре и А. Эйнштейна. Вопрос приоритета в создании СТО имеет дискуссионный характер: основные положения и полный математический аппарат теории, включая групповые свойства преобразований Лоренца, в абстрактной форме были впервые сформулированы А. Пуанкаре в работе «О динамике электрона» на основе предшествующих результатов Г. А. Лоренца, а явный абстрактный вывод базиса теории преобразований Лоренца, из минимума исходных постулатов был дан А. Эйнштейном в практически одновременной работе «К электродинамике движущихся сред». По этому поводу в англоязычной Википедии есть отдельная статья.

Релятивистская теория В 1905 г. Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел», в которой сформулировал основные положения своей релятивистской теории - специальной теории относительности. Эта теория, считая, что все инерциальные системы координат совершенно равноправны и в отношении механических, и электромагнитных явлений, а скорость света инвариантна во всех инерциальных системах отсчета, разрешала противоречия классической физики тем, что содержала новый взгляд на пространство и время. Эйнштейн в основу специальной теории относительности заложил два постулата: 1. Принцип относительности Эйнштейна. Уравнения, выражающие законы природы инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованию координат и времени от одной инерциальной системы отсчета к другой. 2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или приемника света. Скорость света в вакууме всегда постоянна и равна км/с, она является предельной скоростью распространения любого сигнала. 2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или приемника света. Скорость света в вакууме всегда постоянна и равна км/с, она является предельной скоростью распространения любого сигнала.

Постулаты Эйнштейна В основе СТО лежат два постулата, являющиеся обобщением экспериментально установленных закономерностей. 1.В любых инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково (принцип относительности Эйнштейна). Принцип относительности Эйнштейна является обобщением принципа относительности Галилея, который утверждает одинаковость механических явлений во всех инерциальных системах отсчета. 2. Скорость света не зависит от скорости движения источника во всех инерциальных системах отсчёта. Формулировка второго постулата может быть шире: «Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчёта» Экспериментальная проверка постулатов СТО в известной степени затруднена проблемами философского плана: возможностью записи уравнений любой теории в инвариантной форме безотносительно к её физическому содержанию, и сложности интерпретации понятий «длина», «время» и «инерциальная система отсчёта» в условиях релятивистских эффектов.

Сущность СТО Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта. Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. Специальная теория относительности перестает работать в масштабах всей Вселенной, а также в случаях сильных полей тяготения, где её заменяет более общая теория общая теория относительности. Специальная теория относительности применима и в микромире, её синтезом с квантовой механикой является квантовая теория поля.

Следствия СТО К концу XIX в. развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных положений классической механики: скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света; скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света; в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности); в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности); координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея. координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея. Альберт Эйнштейн возникшие противоречия иллюстрировал мысленным экспериментом, который получил название «Поезд Эйнштейна»: Альберт Эйнштейн возникшие противоречия иллюстрировал мысленным экспериментом, который получил название «Поезд Эйнштейна»:

Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого в направлении движения поезда фонарями на обочине дороги, т.е. движущегося со скоростью с в системе отсчета - железнодорожное полотно, относительно которого поезд двигается со скоростью v. Какова же скорость света относительно движущегося вагона? Она равна w = c-v. Т.е. выходит, что скорость света разная по отношению к различным инерциальным системам отсчета, в роли которых в данном случае выступают железнодорожное полотно и движущийся вагон. А это, с одной стороны, противоречит принципу относительности, согласно которому физические процессы происходят одинаково во всех инерциальных системах отсчета; с другой стороны, - положению о постоянной скорости света, т.к. уже надежно было доказано, что скорость света не зависит от скорости движения источника света и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Она конечна и является предельной скоростью распространения любого сигнала."

«Парадокс Близнецов» Из специальной теории относительности следует не только относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, но также и относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. То есть, расстояние между двумя материальными точками (длина тела) и длительность происходящих в теле процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При движении, приближающемся к скорости света, замедляется время, замедляются все процессы, происходящие в системе, в том числе в живых организмах, изменяются - сокращаются продольные (вдоль движения) размеры тел. В этом отношении показателен пример, называемый «парадокс близнецов». Из двух близнецов, космонавт, вернувшийся на Землю, окажется моложе своего брата, оставшегося на Земле, т.к. на космическом корабле, двигающемся с огромной скоростью, темп времени замедляется и все процессы проходят медленнее, чем на Земле. Парадокс близнецов был подтвержден экспериментально. Однако, эффекты замедления времени очень малы (v 0 / с

Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности, то, как мы видим (либо хотим видеть) окружающий нас мир и то, каким он является на самом деле, может сильно различаться. Уже больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всех формулировок. О том, что СТО действительно описывает наш мир, свидетельствует огромный экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории используются на практике. Очевидно, что все попытки опровергнуть СТО, обречены на провал, хотя бы потому, что сама теория опирается на три постулата Галилея (которые несколько расширены), на основе которых построена механика Ньютона, а также на дополнительный постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета. Все четыре не вызывают какого либо сомнения. Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определения метра единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически, если измерения вести в соответствии с метрологическими требованиями.

Элементы релятивистской динамики Все уравнения, описывающие законы природы, должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. К моменту создания СТО теория, удовлетворяющая этому условию, уже существовала – это электродинамика Максвелла. Однако уравнения классической механики Ньютона оказались неинвариантными относительно преобразований Лоренца, и поэтому СТО потребовала пересмотра и уточнения законов механики. В основу такого пересмотра Эйнштейн положил требования выполнимости закона сохранения импульса и закона сохранения энергии в замкнутых системах. Для того, чтобы закон сохранения импульса выполнялся во всех инерциальных системах отсчета, оказалось необходимым изменить определение импульса тела. Вместо классического импульса в СТО релятивистский импульс тела с массой m, движущегося со скоростью записывается в виде

Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской массы тела на скорость его движения. Релятивистская масса m тела возрастает с увеличением скорости по закону где m масса покоя тела, V скорость его движения. где m масса покоя тела, V скорость его движения. При выражение для импульса переходит в то, которое используется в механике Ньютона, где под m понимается масса покоя (m=m o), ибо при различие m и m o несущественно.

Закон пропорциональности массы и энергии является одним из самых важных выводов СТО. Масса и энергия являются различными свойствами материи. Масса тела характеризует его инертность, а также способность тела вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами. Важнейшим свойством энергии является ее способность превращаться из одной формы в другую в эквивалентных количествах при различных физических процессах – в этом заключается содержание закона сохранения энергии. Пропорциональность массы и энергии является выражением внутренней сущности материи. Формула Эйнштейна E 0 = mc 2 выражает фундаментальный закон природы, который принято называть законом взаимосвязи массы и энергии. для покоящихся частиц (p = 0) E = E 0 = mc 2 Такие частицы называются безмассовыми. Для безмассовых частиц связь между энергией и импульсом выражается простым соотношением E = pc.

Общая теория относительности В гг. создана общая теория относительности, которая объединяет современное учение о пространстве и времени с теорией тяготения. По масштабу переворота, совершенного Эйнштейном в физике, его часто сравнивают с Ньютоном. Общая теория относительности (ОТО) физическая теория пространства-времени и тяготения, основана на экспериментальном принципе эквивалентности гравитационной и инерционной масс и предположении о линейности связи между массой и вызываемыми ею гравитационными эффектами.

Основные принципы общей теории относительности Необходимость релятивистской теории гравитации Теория гравитации Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с полевой парадигмой современной физики, и, в частности, со специальной теорией относительности, выведенной Эйнштейном, Пуанкаре и Лоренцем в 1905 году. Действительно, в этой теории никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме. С принципом инвариантности законов природы, универсальный характер которого был предположен Эйнштейном, учёные предприняли «поход за святым Граалем» теорией гравитации, которая бы была совместима с ним. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

Принцип равенства гравитационной и инертной масс В классической механике Ньютона существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе к закону всемирного тяготения. Первая масса инертная (или инерционная) есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса гравитационная (или, как её иногда называют, тяжёлая) определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу. Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс называют слабым принципом эквивалентности. Альберт Эйнштейн положил его в основу общей теории относительности.

Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности Часто неправильно считают, что в основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности гравитационного и инерционного поля, который обычно формулируют так: «Достаточно малая по размерам физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта, погружённой в плоское пространство-время специальной теории относительности». Иногда тот же принцип постулируют как «локальную справедливость специальной теории относительности» или называют «сильным принципом эквивалентности».

Исторически этот принцип действительно сыграл большую роль в становлении общей теории относительности и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в самой окончательной форме теории он на самом деле не содержится, так как пространство-время как в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является неискривленным плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел. Аналогичным образом не совсем корректным является и название «общая теория относительности». Она является лишь одной из множества теорий гравитации, рассматриваемых физиками сейчас, в то время как специальная теория относительности является практически общепринятой научным сообществом и составляет краеугольный камень базиса современной физики.

Значение ОТО для современной физической картины мира Если СТО связывает воедино пространство и время, то ОТО устанавливает триединую связь: пространство-время-материя. Суть этой связи была пояснена самим Эйнштейном: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы и пространство, и время». Если СТО связывает воедино пространство и время, то ОТО устанавливает триединую связь: пространство-время-материя. Суть этой связи была пояснена самим Эйнштейном: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы и пространство, и время». Теория относительности полностью отказывается от существующих в классической физике представлений о пространстве, времени и материи. Относительны не только все измерения в пространстве и времени (так как они зависят от движения наблюдателя), но и сама структура пространства-времени, которая определяется распределением вещества во Вселенной. А так как вещество распределено во Вселенной неравномерно, то пространство искривлено и время в разных частях Вселенной течет с разной скоростью. Теория относительности полностью отказывается от существующих в классической физике представлений о пространстве, времени и материи. Относительны не только все измерения в пространстве и времени (так как они зависят от движения наблюдателя), но и сама структура пространства-времени, которая определяется распределением вещества во Вселенной. А так как вещество распределено во Вселенной неравномерно, то пространство искривлено и время в разных частях Вселенной течет с разной скоростью.

Основные следствия ОТО Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности стали три классических эффекта, перечисленных ниже в хронологическом порядке их первой проверки: 1.Дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями по механике Ньютона. 2.Отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца. 3.Гравитационное красное смещение или, что то же самое, замедление времени в гравитационном поле.

Проблемы ОТО Проблема энергии Так как энергия, с точки зрения математической физики, представляет собой величину, сохраняющуюся из-за однородности времени, а в общей теории относительности, в отличие от специальной, вообще говоря, время неоднородно, то закон сохранения энергии может быть выражен в ОТО только локально, то есть в ОТО не существует такой величины, эквивалентной энергии в СТО, чтобы интеграл от неё по пространству сохранялся при движении по времени. ОТО и квантовая физика Главной проблемой ОТО с современной точки зрения является невозможность построения для неё квантово-полевой модели каноническим образом. Сложности в реализации такой программы для ОТО троякие: во-первых, переход от классического гамильтониана к квантовому неоднозначен, так как операторы динамических переменных не коммутируют между собой; во-вторых, гравитационное поле относится к типу полей со связями, для которых структура уже классического фазового пространства достаточно сложна, а квантование их наиболее прямым методом невозможно; в-третьих, в ОТО нет выраженного направления времени, что составляет трудность при его необходимом выделении и порождает проблему интерпретации полученного решения.

Опыты, подтверждающие общую теорию относительности Проверка принципа эквивалентности Поскольку в основе теории тяготения Эйнштейна лежит принцип эквивалентности, его проверка с максимально возможной точностью является важнейшей экспериментальной задачей. Л. Этвиш (L. Eotvos) с помощью крутильных весов доказал справедливость принципа эквивалентности с точностью до 10 -8, Р. Дикке (R. Dicke) с сотрудниками довел точность до, а В.Б. Брагинский с сотрудниками -- до

Отклонение луча света в поле Солнца Одним из косвенных экспериментальных подтверждений ОТО является отклонение луча света в поле Солнца. Из эксперимента было получено, что электромагнитное поле взаимодействует с гравитационным полем. Мы измеряем время, когда мы перестаем видеть эту звезду (эти эксперименты проводятся во время полных солнечных затмений), и извлекаем угол отклонения луча света от прямой. Из теории угол отклонения для Солнца равен: Где гравитационный радиус Солнца прицельный параметр (в данной постановке эксперимента он примерно равен радиусу Солнца)

Запаздывание сигнала в поле Солнца Еще один косвенный эксперимент, подтверждающий ОТО -- запаздывание сигнала в поле Солнца.Сигнал посылается на Венеру и регистрируется время прихода сигнала обратно. Значение времени прохождения сигнала туда и обратно в поле Солнца (гравитационный объект искажает пространство- время) отличается от значения если бы Солнца не было (свободное пространство -- нет искажений).

На протяжении более 80 лет теория Эйнштейна демонстрирует свою необычайную стройность, экономность построения и красоту. На данный момент существует множество экспериментов и наблюдений, подтверждающих правильность общей теории относительности Эйнштейна и не наблюдается физических явлений, противоречащих ей. Следовательно, ОТО скорее верна чем нет. Работа над этой теорией была нелегкой. Эйнштейн писал: « В свете уже достигнутых знаний то или иное удачное достижение кажется почти само собой разумеющимся, и его суть без особого труда способен ухватить любой мало-мальски грамотный студент. Но годы изнурительных поисков во мгле, наполненные страстным стремлением к истине, сменой уверенности и разочарования, и, наконец, выход работы в свет – это способен понять лишь тот, кто пережил все это сам».

Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации: СТОН.В. Брендина ИСО – это система отсчёта, относительно которой свободное тело движется прямолинейно и равномерно или покоится.Абстракция, идеальный объект, объект науки, средство описания явлений.В природе нет.Инерциальная система отсчёта Событие – это любое физическое явление, происходящее в определённой точке пространства относительно любой ИСО в какой-то момент времени.Абстракция, идеальное понятиеСобытие Постулат – исходное положение, утверждение, принимаемое без строгого доказательства, но обоснованное, например, экспериментами.Постулат Собственная ИСО – это система отсчёта, относительно которой тело покоится.Время движения тела, измеренное в такой системе, - собственное время.Масса тела, измеренная в такой системе, - масса покоя.Собственная инерциальная система отсчёта Инвариант– величина, независимая от выбора ИСО.(скорость света – инвариант, событие – инвариант)Инвариант В любом списке самых значимых людей века этот человек присутствовал обязательно Один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года Жил в Германии (1879-1893, 1914-1933), Швейцарии (1893-1914) иСША (1933-1955). С шести лет начал заниматься игрой на скрипке, а в гимназии он не был в числе первых учеников Закончив Политехникум, получил диплом преподавателя математики и физики. Работал в Бюро патентов, занимаясь преимущественно экспертной оценкой заявок на изобретения Свою общую теорию относительности закончил в 1915 году, но мировая известность пришла к нему только в 1919 году Был убеждённым демократическим социалистом, гуманистом, пацифистом и антифашистом План. 1.Классические представления о пространстве и времени. 2.Зарождение новой механики. 3.Постулаты теории относительности. 4.Основные следствия постулатов теории относительности. 5.Масса и энергия в специальной теории относительности. 6.Применение теории относительности. 1. Классические представления о пространстве и времениПринцип относительности Г. Галилея (17 в)Все механические явления при равных начальных условиях протекают одинаково во всех инерциальных системахВсе ИСО эквивалентны с точки зрения механических явленийНикакими механическими способами невозможно установить, пребывает ИСО в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно Закон Галилея о сложении скоростей ʋ= ʋˈ+ ʋₒ1. Классические представления о пространстве и времени Исаак Ньютон обобщил открытия Галилея (2 закона) добавил третий закон и выдвинул гипотезу о взаимном притяжении Классическая механикаДлина тел одинакова в любой ИСОВремя в различных СО течёт одинаковоМасса тела не зависит от скорости и не изменяется при переходе из одной ИСО в другуюПространство и время абсолютныС. Я Маршак писал: Был мир глубокой тьмой окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон! 1. Классические представления о пространстве и времени Продолжение стихотворения С.Я. Маршака: Недолго ждал реванша сатана Пришел Эйнштейн – все стало как всегда. 1881 г. американские ученые А. Майкельсон и Э. Морли сравнивали скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. В обоих случаях скорость света оказалась равной с=3*108 м/с, что противоречило классическому правилу сложения скоростей. Вывод: скорость электромагнитных волн в вакууме постоянна и конечна вне зависимости от выбора ИСО. Закон сложения скоростей не работает?2. Зарождение новой механики Научная проблема:Справедлив ли принцип относительности Галилея?(как согласовать между собой принципы механики и закономерности электродинамики?)Способы разрешенияПринцип относительностинеприменимк электромагнитным явлениямУравнения Максвелла неправильныОтказ от классических представлений о пространстве и времениИзменить их так, чтобы при переходе из 1 СО в другую не менялисьИзменить законы Ньютона 3. Постулаты теории относительностиОбобщил принцип относительности Галилея на все физические процессы и объединил его с постулатом о постоянстве скорости света1905 г. “ К электродинамике движущихся тел ”. I постулат: Принцип относительности: во всех инерциальных системах отсчета все физические явления (все процессы природы) протекают одинаково. Этот постулат - обобщение принципа относительности Ньютона не только на законы механики, но и на законы остальной физики.II постулат: Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме является предельной скоростью любого взаимодействия и не зависит от скорости источника и приемника светового сигнала.Специальная теория относительности классическая механика, изучает движение макроскопических тел с малыми скоростями (ʋ < < c); релятивистская механика, изучает движение макроскопических тел с большими скоростями (ʋ < c); квантовая механика, изучает движение микроскопических тел с малыми скоростями (ʋ < < c); релятивистская квантовая физика, изучает движение микроскопических тел с произвольными скоростями (ʋ ? c). 1. Относительность одновременности. События, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, не одновременны в других инерциальных системах отсчета, движущихся относительно первой. 2. Относительность длины (расстояний). Длина не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчёта. Уменьшение длины в направлении движения (релятивистский эффект сокращения длины)3. Относительность промежутка времениДлительность одного и того же процесса различна в различных инерциальных системах отсчета. (Релятивистский эффект замедления времени)τ =4.Основные следствия постулатов теории относительности 4. Релятивистский закон сложения скоростей. Свойство закона сложения скоростей: при любых скоростях тела и системы отсчета (не больше скорости света в вакууме), результирующая скорость не превышает с. Движение реальных тел со скоростью больше с невозможно.Для малых скоростей получаем классический закон сложения скоростей 4.Основные следствия постулатов теории относительности 5. Масса и энергия в специальной теории относительностиМасса движущегося тела возрастает при увеличении скорости его движенияm =Е = mс 2Массовая частица обладает энергиейс 2Е =В системе отсчёта, в которой тело покоится, его энергия = энергия покояЕ = m0с 2 Импульс и энергия в специальной теории относительностиЕ2 = с 2р2+ с 4 m 2Справедливо во всех ИСО - ивариантр =Релятивистская энергия – собственная энергия частицы и релятивистская кинетическая энергияЕ = m с 2 + Е к Принцип соответствияЛюбая теория должна включать предыдущую как предельный случайПри скоростях движения тела, меньших скорости света, формулы СТО переходят в классическиеВывод: теория относительности не отвергает законов классической механики, она их уточняет для скоростей, близких к скорости света В астрономии: 1. Эйнштейн утверждал, что во время прохождения света вблизи больших масс должно наблюдаться искривление лучей. Это было подтверждено в 1919 г. Во время полного солнечного затмения участники Международной экспедиции сфотографировали звездное небо во время затмения. Сравнивая эти фотографии с фотографиями того же участка неба, но без Солнца, ученые обнаружили, что звезды сместились. Это результат смещения световых лучей от звезд при прохождении их вблизи Солнца. 2. Часы идут медленнее вблизи массивных тел. 3. Доказано, что во время движения планет вокруг Солнца плоскости их орбит поворачиваются. 4. В астрономии было открыто явление удаления галактик, причем скорость удаления пропорциональна расстоянию от галактики до наблюдателя. Это открытие согласовано с выводами теории относительности о зависимости длины волны от скорости. 6.Применение теории относительности

СТО Специальная теория относительности (СТО) - теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности. Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, - релятивистскими скоростями.

Из истории СТО. Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от направления (изотропность) и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.

При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае. При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Основные понятия СТО. Система отсчёта представляет собой некоторое материальное тело, выбираемое в качестве начала этой системы, способ определения положения объектов относительно начала системы отсчёта и способ измерения времени. Обычно различают системы отсчёта и системы координат. Добавление процедуры измерения времени к системе координат «превращает» её в систему отсчёта. Инерциальная система отсчёта (ИСО) - это такая система, относительно которой объект, не подверженный внешним воздействиям, движется равномерно и прямолинейно. Событием называется любой физический процесс, который может быть локализован в пространстве, и имеющий при этом очень малую длительность. Другими словами, событие полностью характеризуется координатами (x, y, z) и моментом времени t.

1 принцип относительности. Все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой (протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета). Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна.

2 принцип относительности. Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.

СТО. СТО позволила разрешить все проблемы «доэйнштейновской» физики и объяснить «противоречивые» результаты известных к тому времени экспериментов в области электродинамики и оптики. В последующее время СТО была подкреплена экспериментальными данными, полученными при изучении движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций и т. п.

Объяснение противоречий. На смену галилеевых преобразований СТО предложила другие формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую – так называемые преобразования Лоренца, которые при скоростях движения, близких к скорости света, позволяют объяснить все релятивисткие эффекты, а при малых скоростях (υ<< c) переходят в формулы преобразования Галилея. Таким образом, новая теория (СТО) не отвергла старую классическую механику Ньютона, а только уточнила пределы ее применимости. Такая взаимосвязь между старой и новой, более общей теорией, включающей старую теорию как предельный случай, носит название принципа соответствия.

Работа может использоваться для проведения уроков и докладов по предмету "Физика"

Наши готовые презентации по физике делают сложные темы урока простыми,интересными и легкоусвояемыми. Большинство опытов, изучаемых на уроках физики, невозможно провести в обычных школьных условиях, показать такие опыты можно с помощью презентаций по физике.В данном разделе сайта Вы можете скачать готовые презентации по физике для 7,8,9,10,11 класса, а также презентации-лекции и презентации-семинары по физике для студентов.

Филимонова Л.В. 20.12.06 Ф-11, ФС-12

Принцип относительности в КМ

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 :

Предполагается, что в начальный момент оси координат обеих систем совпадают

Из преобразований Галилея следует классический закон преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчета к другой.

Основы СТО

Опр. СТО - физическая теория пространства и

времени, учитывающая существующую между ними взаимосвязь геометрического характера.

В ее основе лежит “принцип относительности” или “постулат относительности”, т.е. отрицание

представления об абсолютной неподвижной системе отсчета, связанной с неподвижным эфиром.

Пуанкаре: “Эта невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет

закон природы; мы приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем постулатом относительности , и примем его без оговорок.”

Смысл “постулата относительности”

Герман Минковский : «Смысл постулата сводится к тому, что в явлениях нам дается только четырехмерный в пространстве и времени мир, но что проекции этого мира на пространство и на время могут быть взяты с некоторым

произволом, мне хотелось бы этому утверждению дать название: постулат

абсолютного мира»

Различия КМ и СТО

Основным отличием представлений о пространстве и

времени теории относительности от представлений ньютоновской физики является взаимосвязь пространства и времени .

Эта взаимосвязь раскрывается в формулах преобразования координат и времени при переходе от одной системе отсчета к другой (преобразования Лоренца).

(*) выражает новые представления о пространстве и времени: их связь в единое геометрического типа многообразие, многообразие с особой четырехмерной псевдоевклидовой геометрией, геометрией, в которой время тесно связано с пространством и не может рассматриваться независимо от последнего.

Из этих же представлений вытекают важнейшие

следствия для законов природы, выражаемые в требовании ковариантности (т.е. неизменяемости формы) любых физических процессов по отношению к преобразованиям четырехмерных пространственно- временных координат.

При этом понятие относительности приобретает лишь смысл возможной множественности пространственно-временных изображений явлений при абсолютности содержания, т.е. законов природы.

Пространство-время

Вообще каждое физическое явление протекает в пространстве и времени и не может быть изображено в нашем сознании иначе, как в пространстве и во времени.

Пространство и время суть формы существования материи. Никакой материи не существует вне пространства и времени.

Конкретным изображением пространства и времени является система отсчета , т.е. координатно- временное многообразие чисел составляющие воображаемую сетку и временную последовательность всех возможных пространственных и временных точек. Одно и то же пространство и время могут изображаться различными координатно-временными сетками (системами отсчета).

Постулаты Эйнштейна

Преобразования Лоренца, отражающие свойства пространства-времени, были выведены Эйнштейном, исходя из 2 постулатов: принципа относительности и принципа постоянства скорости света.

1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся.

2. Каждый луч света движется в “покоящейся” системе координат с определенной скоростью, независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом.

Постулаты Эйнштейна

В основе СТО лежат два принципа или постулата, сформулированные Эйнштейном в 1905 г.

Принцип относительности : все законы природы

инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Т.о., принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют

принципом относительности Эйнштейна.

Принцип постоянства скорости света : скорость

света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.