|
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
Реферат на тему принцып относительности и специальная теория относительности А Эйнштейна. Реферат Принцип относительности Эйнштейна Пространство время масса и энергия. Принцип относительности в современной физике Владивосток Россия Владивостоке. Реферат на тему принцип относительности в классической и квантовой физике. Реферат на тему основные идеи и принципы общей теории относительности. Реферат на тему зависимость массы тела от скорости по физике. Специальная и общая теория относительности эйнштейна реферат. Реферат по физике на тему относительность одновременности. Идеи и принципы теории относительности Эйнштейна реферат. Реферат на тему общая теория относительности Энштейна. Принцип относительности в современной физике реферат. Реферат на тему энштейна Ульяновск Россия Ульяновске. Принципы современной физики принцип относительности. Реферат на тему закон взаимосвязи массы и энергии. Реферат по физике на тему Релятивистская механика.
|
|
|
