Презентация к разделу: элементы теории относительности

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. ПОСТУЛАТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Урок в 11 классе

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

• Согласно классическим представлениям о пространстве и времени, считавшимся на протяжении веков незыблемыми, движение не оказывает никакого влияния на течение времени ( время абсолютно ), а линейные размеры любого тела не зависят от того, покоится ли тело или движется ( длина абсолютна ). Специальная теория относительности Эйнштейна – это новое учение о пространстве и времени , пришедшее на смену старым ( классическим ) представлениям.
• Теория относительности – это физическая теория, описывающая свойства пространства и времени, а также закономерности относительного движения тел, обусловленных этими свойствами.

Вторая половина XIX века , Дж.К. Максвелл сформулировал основные законы электродинамики

Распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, на электромагнитные явления?

В 1632 г. Галилео Галилей сформулировал ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ:

все механические явления протекают в любых инерциальных системах отсчета одинаковым образом. Все законы механики инвариантны по отношению к любым инерциальным системам отсчета.

ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ГАЛИЛЕЯ (КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА)

• Поезд едет со скоростью 40 км/ч, а пассажир идет по вагону со скоростью 5 км/ч и относительно наблюдателя на земле, этот пассажир будет дви­гать­ся со ско­ро­стью 45 км/ч.

• Предположение о том, что свет распространяется в особой среде – эфире, было опровергнуто многочисленными экспериментами. Американские физики А. Майкельсон   и   Э. Морли   пытались обнаружить движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») с помощью интерференционного опыта.
• В этом опыте сравнивалась скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении.
• Измерения проводились очень точно с помощью специального прибора — интерферометра Майкельсона. Эксперименты ставились в разное время суток и различные времена года. Но всегда получался отрицательный результат: движения Земли по отношению к эфиру обнаружить не удалось.
• Таким образом, идея о существовании преимущественной системы отсчета не выдержала опытной проверки. В свою очередь, это означало, что никакой особой среды — «светоносного эфира», с которой можно было бы связать такую преимущественную систему отсчета, не существует.

• Согласовать принцип относительности с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета.

В рамках СТО 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.

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.
• Инерциальная система отсчёта (ИСО) — это такая система, относительно которой объект, не подверженный внешним воздействиям, движется равномерно и прямолинейно или покоится.
• 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.

СЛЕДСТВИЕ ИЗ ПОСТУЛАТОВ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ РАССТОЯНИЯ

Расстояние между двумя точками тела не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета.

• Обозначим через l 0  длину стержня в системе отсчета К 1 , относительно которой стержень покоится. Тогда длина l этого стержня в системе отсчета К, относительно которой стержень движется со скоростью   v , определяется формулой
• Как видно из этой формулы, l релятивистское сокращение размеров движущегося тела

τ 0 . В этом состоит релятивистский эффект замедления времени в движущихся системах отсчета: движущиеся часы «тикают» медленнее, чем покоящиеся. " width="640"

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ

• Пусть интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы отсчета К, равен τ 0 . Этими событиями, например, могут быть два удара метронома в K-системе, отсчитывающего секунды.
• Тогда интервал τ между теми же событиями в системе отсчета К 1 , движущейся относительно системы К со скоростью  v , равен:
• Очевидно, что τ τ 0 . В этом состоит релятивистский эффект замедления времени в движущихся системах отсчета: движущиеся часы «тикают» медленнее, чем покоящиеся.

РЕЛЯТИВИСТСКИЙ ЗАКОН СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ

• Тело движется вдоль оси Х 1  системы отсчета К 1 , которая, в свою очередь, движется со скоростью υ  относительно системы отсчета К. Причем в процессе движения координатные оси ОХ и ОХ 1  все время совпадают, а координатные оси OY и OY 1 , OZ и OZ 1  остаются параллельными.

Обозначим скорость тела относительно системы отсчета К 1  через υ 1 , а скорость этого же тела относительно системы К через υ 2 . Тогда  релятивистский закон сложения скоростей  будет иметь вид:

СВЯЗЬ МЕЖДУ РЕЛЯТИВИСТСКИМ И КЛАССИЧЕСКИМ ЗАКОНАМИ СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ

• В том случае, если можно преобразовать закон
• сложения скоростей следующим образом:

ЭЛЕМЕНТЫ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ДИНАМИКИ

РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ЭНЕРГИЯ ЕСТЬ СУММА СОБСТВЕННОЙ ЭНЕРГИИ ЧАСТИЦЫ И КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ :

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

• Прочитать § 75-79, упр 11
• Выучить определения, термины, постулаты.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

• С какой скоростью должна двигаться частица (тело), чтобы его масса увеличилась в 3 раза?
• Чему равна будет масса космонавта, движущегося в космическом корабле со скоростью 0,8 с? Масса покоящегося космонавта 90 кг.
• С космического корабля, удаляющегося от Земли со скоростью 0,7 с, стартует ракета в направлении движения корабля. Скорость ракеты относительно Земли 0,96 с. Чему равна скорость ракеты относительно Земли?
• На сколько процентов полная энергия протона, вылетающего из ускорителя со скоростью, модуль которой  v=0,8c , больше его энергии покоя?