: Принцип относительности Эйнштейна
Средняя школа №6
Реферат по физике
на тему:
Принцип
относительности
Эйнштейна
ученика 11 класса «М»
Клина Романа
Химки — 1998 г.
Содержание
Биография Альберта
Эйнштейна....................................................................
........
Относительность одновременности
событий......................................................
Преобразования
Лоренца......................................................................
..................
Зависимость массы тела от
скорости.....................................................................
Закон взаимосвязи массы и
энергии......................................................................
Значение теории
относительности..............................................................
..........
Список использованной
литературы:..................................................................
..
Биография Альберта Эйнштейна
(1879-1955)
Выдающийся физик, создатель теории относительности, один из создателей
квантовой теории и статистической физики.
Родился в Германии, в городе Ульме. С 14 лет вместе с семьей жил в Швейцарии,
где в 1900 г. окончил Цюрихский политехникум. В 1902-1909 гг. служил экспертом
патентного бюро в Берне. В эти годы Эйнштейн создал специальную теорию
относительности, выполнил исследования по
статистической физике,
броуновскому движению, теории излучения и др. Работы Эйнштейна получили
известность, и в 1909 г. он был избран профессором Цюрихского университета, а
затем — Немецкого университета в Праге. В 1914 г. Эйнштейн был приглашен
преподавать в Берлинский университет. В период своей жизни в Берлине он
завершил создание общей
теории относительности, развил квантовую теорию
излучения. За открытие законов
фотоэффекта и работы в области
теоретической физики Эйнштейн получил в 1921 г. Нобелевскую премию. В 1933
г. после прихода к власти в Германии фашистов Эйнштейн эмигрировал в США, в
Принстон, где он до конца жизни работал в Институте высших исследований.
В 1905 г. была опубликована специальная теория относительности — механика и
электродинамика тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.
Тогда же Эйнштейн открыл закон взаимосвязи массы и энергии
(Е=mc2
), который лежит в основе всей
ядерной энергетики.
Ученый внес большой вклад в развитие квантовой теории. В его теории фотоэффекта
свет рассматривается как поток квантов
(фотонов). Существование
фотонов было подтверждено в 1923 г. в экспериментах американского физика А.
Комптона. Эйнштейн установил основной закон фотохимии (закон Эйнштейна), по
которому каждый поглощенный квант света вызывает одну элементарную
фотохимическую реакцию. В 1916 г. он теоретически предсказал явление
индуцированного (вынужденного) излучения атомов, лежащее в основе квантовой
электроники.
Вершиной научного творчества Эйнштейна стала общая
теория относительности,
завершенная им к 1916 г. Идеи Эйнштейна изменили господствовавшие в физике со
времен
Ньютона механистические взгляды на
пространство, время и
тяготение и привели к новой материалистической картине мира.
Ученый работал и над созданием единой теории поля, объединяющей гравитационные и
электромагнитные взаимодействия
. Научные труды Эйнштейна сыграли большую
роль в развитии современной физики -
квантовой электродинамики, атомной и
ядерной физики, физики
элементарных частиц, космологии, астрофизики.
А. Эйнштейн был членом многих академий мира и научных обществ. В 1926 г. его
избрали почетным членом Академии наук СССР.
Относительность одновременности событий
В механике Ньютона одновременность двух событий абсолютна и не зависит от
системы отсчёта. Это значит, что если два события происходят в системе K в
моменты времени t и t1, а в системе K’ соответственно в моменты
времени t’ и t’1 , то поскольку t=t’, промежуток времени между двумя
событиями одинаков в обеих системах отсчёта
В отличие от классической механики, в специальной теории относительности
одновременность двух событий, происходящих в разных точках пространства,
относительна: события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, не
одновременны в других инерциальных системах
[1]
, движущихся относительно первой. На рисунке (см. ниже) расположена схема
эксперимента, который это иллюстрирует. Система отсчета K связана с Землёй,
система K’ — с вагоном, движущимся относительно Земли прямолинейно и равномерно
со скоростью v. На Земле и в вагоне отмечены точки А, М, В и соответственно А’,
M’ и В’, причем АМ=МВ и А’M’=M’B’. В момент, когда указанные точки совпадают, в
точках А и В происходят события — ударяют две молнии. В системе К сигналы от
обоих вспышек придут в точку М одновременно, так как АМ=МВ, и скорость света
одинакова во всех направлениях. В системе К’, связанной с вагоном, сигнал из
точки В’ придет в точку M’ раньше, чем из точки А’, ибо скорость света
одинакова во всех направлениях, но М’ движется навстречу сигналу пущенному из
точки B’ и удаляется от сигнала, пущенного из точки А’. Значит, события в
точках А’ и B’ не одновременны: события в точке B’ произошло раньше, чем в
точке A’. Если бы вагон двигался в обратном направлении, то получился бы
обратный результат.
|
Понятие одновременности пространственно разделенных событий относительно. Из
постулатов теории относительности и существования конечной скорости
распространения сигналов следует, что в разных инерциальных системах отсчёта
время протекает по-разному.
Преобразования Лоренца
В соответствии с двумя постулатами специальной теории относительности между
координатами и временем в двух инерциальных системах К и К' существуют
отношения, которые называются
преобразованиями Лоренца.
В простейшем случае, когда система К’ движется относительно системы К со
скоростью v так, как показано на рисунке (см ниже), преобразования Лоренца
для координат и времени имеют следующий вид:
,
,
,
,
,
,
,
.
Из преобразований Лоренца вытекает тесная связь между пространственными и
временными координатами в теории относительности; не только пространственные
координаты зависят от времени (как в кинематике), но и время в обеих системах
отсчёта зависит от пространственных координат, а также от скорости
движения системы отсчёта K’.
Формулы преобразований Лоренца переходят в формулы кинематики при v/c<<1.
В этом случае
,
,
,
,
,
,
,
.
Переход формул теории относительности в формулы кинематики при условии v/c
<<1 является проверкой справедливости этих формул.
Зависимость массы тела от скорости
Зависимость свойств пространства и времени от движения системы отсчета
приводит к тому, что сохраняющейся при любых взаимодействиях тел является
величина
,
называемая релятивистским импульсом, а не классический импульс.
Классический закон сложения скоростей и классический закон сохранения
импульса являются частными случаями универсальных релятивистских законов и
выполняются только при значениях скоростей, значительно меньших скорости
света в вакууме.
Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской
массы
т тела на скорость его движения. Релятивистская масса
т
тела возрастает с увеличением скорости по закону
,
где
— масса покоя тела,
— скорость его движения.
Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к тому, что ни одно тело
с массой покоя, не равной нулю, не может достигнуть скорости, равной скорости
света в вакууме, или превысить эту скорость. Скорость
, большая
, приводит
для обычных частиц к мнимой массе и мнимому импульсу, что физически
бессмысленно. Зависимость массы от скорости начинает сказываться лишь при
скоростях, весьма близких к
(См рисунок №2). Приведённые в этом пункте формулы неприменимы к фотону, так как
у него отсутствует масса покоя (
). Фотон всегда движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, и
является ультрарелятивистской частицей. Тем не менее, отсюда не следует
постоянство скорости света во всех веществах.
При
выражение для
импульса переходит в то, которое используется в механике Ньютона
, где под
понимается масса покоя (
), ибо при
различие
и
несущественно.
Рисунок №2
Закон взаимосвязи массы и энергии
Полная энергия
Е тела (или частицы) пропорциональна релятивистской массе
(закон взаимосвязи массы и энергии):
,
где с - скорость света в вакууме. Релятивистская масса зависит от скорости
, с которой тело (частица) движется в данной системе отсчета. Поэтому полная
энергия различна в разных системах отсчета
[2]
.
Наименьшей энергией
тело (частица) обладает в системе отсчета, относительно которой оно покоится (
). Энергия
называется
собственной энергией или
энергией покоя тела
(частицы):
.
Энергия покоя тела является его внутренней энергией Она состоит из суммы энергий
покоя всех частиц тела
, кинетической энергии всех частиц относительно общего центра масс и
потенциальной энергии их взаимодействия. Поэтому
и
где
— масса покоя
- й частицы.
В релятивистской механике несправедлив закон сохранения массы покоя. Например,
масса покоя
атомного ядра меньше, чем сумма собственных масс частиц, входящих в ядро.
Наоборот масса
покоя частицы, способной к самопроизвольному распаду, больше суммы собственных
масс продуктов распада
и
:
.
Несохранение массы покоя не означает нарушения закона сохранения массы вообще. В
теории относительности справедлив закон сохранения релятивистской массы. Он
вытекает из формулы закона взаимосвязи массы и энергии
. В изолированной системе тел сохраняется полная энергия. Следовательно,
сохраняется и релятивистская масса. В теории относительности законы сохранения
энергии и релятивистской массы взаимосвязаны и представляют собой единый закон
сохранения массы и энергии. Однако из этого закона
отнюдь не следует возможность преобразования массы в энергию и обратно. Масса
и энергия представляют собой два качественно различных свойства материи,
отнюдь не «эквивалентных» друг другу. Ни один из известных опытных фактов не
дает оснований для вывода о «переходе массы в энергию». Превращение энергии
системы из одной формы в другую сопровождается превращением массы. Например,
в явлении рождения и уничтожения пары электрон — позитрон, в полном
соответствии с законом сохранения релятивистской массы и энергии, масса не
переходит в энергию. Масса покоя частиц (электрона и
позитрона) преобразуется в массу фотонов, то есть в массу электромагнитного
поля.
Гипотеза Эйнштейна о существовании собственной энергии тела подтверждается
многочисленными экспериментами. На основе использования закона взаимосвязи
массы и энергии ведутся расчеты выхода энергии в различных ядерных
энергетических установках.
Значение теории относительности
Сорок - пятьдесят лет назад можно было наблюдать очень большой интерес к
теории относительности со стороны широких кругов несмотря на то, что тогда в
книгах и статьях по теории относительности речь шла об очень далеких от
повседневного опыта и очень абстрактных вещах. Широкие круги проявили
удивительное чутье, они чувствовали, что теория, с такой смелостью
посягнувшая на основные представления о пространстве и времени, не может не
привести при своем развитии и применении к очень глубоким и широким
производственно - техническим и культурным последствиям. Это предчувствие не
обмануло людей. Воплощением нового релятивистского учения об энергии, а
следовательно, и всей теории относительности в целом является атомная эра,
которая расширяет власть человека над природой больше, чем это сделали
предшествующие научные и технические революции.
Атомная эра будет эрой дальнейших коренных преобразований физической картины
мира. Сейчас нельзя предвидеть, каким образом изменятся представления о
пространстве, времени, движении, элементарных частицах и их взаимодействиях.
Можно указать только на некоторые проблемы современной физики, которые,
видимо, будут решены лишь при переходе к новой физической картине мира.
Теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала законченной
теорией движения макроскопических тел. Её применение в теории элементарных
частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может,
свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относительности.
Развитие атомной и особенно ядерной физики - блестящий триумф теории
Эйнштейна - указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и
обобщение этой теории.
Теория относительности ждет дальнейшего развития и обобщения и в другом
направлении, помимо картины движений, взаимодействий и трансмутаций
элементарных частиц в областях порядка 10-13
см, Она все в
большей степени становится теорией, описывающей строение космических областей,
по сравнению с которыми исчезающе малы расстояния между звездами и даже
расстояния между галактиками.
Список использованной литературы:
1. О.Ф. Кабардин «Физика. Справочные материалы»
2. Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнёв «Справочное руководство по физике»
3. Б.Г. Кузнецов «Беседы о теории относительности»
[1] Системы отсчёта, в которых справедлив
закон инерции (первый закон Ньютона) называют инерциальными системами отсчёта
[2] Тело (или частица) не находится в силовом поле