Принцип относительности Эйнштейна

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 3

Относительность одновременности событий 4

Преобразования Лоренца 5

Зависимость массы тела от скорости 5

Закон взаимосвязи массы и энергии 7

Значение теории относительности 8

Список использованной литературы: 9

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

[pic]

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.

[pic]

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:

[pic], [pic], [pic], [pic],

[pic], [pic], [pic], [pic].

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 [pic] движения системы отсчёта K’.

Формулы преобразований Лоренца переходят в формулы кинематики при

v/c<<1. В этом случае

[pic], [pic], [pic], [pic],

[pic], [pic], [pic], [pic].

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

[pic],

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

[pic],

где [pic] — масса покоя тела, [pic] — 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

[pic], большая [pic], 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 [pic](См рисунок

№2). Приведённые в этом пункте формулы неприменимы к фотону, так как у него

отсутствует масса покоя ([pic]). 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 [pic] выражение для импульса переходит в то, которое используется

в механике Ньютона [pic], где под [pic] понимается масса покоя ([pic]), ибо

при [pic] различие [pic]и [pic]несущественно.

[pic]

Рисунок №2

Закон взаимосвязи массы и энергии

Полная энергия Е тела (или частицы) пропорциональна релятивистской

массе [pic](закон взаимосвязи массы и энергии):

[pic],

где с - скорость света в вакууме. Релятивистская масса зависит от скорости

[pic], с которой тело (частица) движется в данной системе отсчета. Поэтому

полная энергия различна в разных системах отсчета[2].

Наименьшей энергией [pic]тело (частица) обладает в системе отсчета,

относительно которой оно покоится ([pic]). Энергия [pic] называется

собственной энергией или энергией покоя тела (частицы):

[pic].

Энергия покоя тела является его внутренней энергией Она состоит из

суммы энергий покоя всех частиц тела [pic], кинетической энергии всех

частиц относительно общего центра масс и потенциальной энергии их

взаимодействия. Поэтому

[pic] и [pic]

где [pic]— масса покоя [pic]- й частицы.

В релятивистской механике несправедлив закон сохранения массы покоя.

Например, масса покоя [pic] атомного ядра меньше, чем сумма собственных

масс частиц, входящих в ядро. Наоборот масса [pic]покоя частицы, способной

к самопроизвольному распаду, больше суммы собственных масс продуктов

распада [pic] и [pic]:

[pic].

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 [pic]. 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:

О.Ф. Кабардин «Физика. Справочные материалы»

Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнёв «Справочное руководство по физике»

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