Относительность длин и промежутков времени. Интервал между двумя событиями
Кинематические следствия специальной теории относительности.
Относительность промежутков времени
Рассмотрим вопрос об измерении длины стержня в покоящейся и движущейся системах отсчета. Если стержень неподвижен относительно наблюдателя, то измерить длину стержня можно простым совмещением масштаба с началом и концом стержня. Измеренную таким образом длину называют собственной длиной стержня и обозначают Это и есть та длина, которую мы получаем при обычных измерениях какого-либо линейного размера тела на опыте. Теперь представим себе, что наблюдатель неподвижен и находится в инерциальной системе , а стержень, параллельный оси X этой системы, движется вдоль оси X со скоростью о. Как такой наблюдатель может, измерить длину движущегося стержня Обычный способ измерения длины здесь, очевидно, уже непригоден. Согласно теории относительности Таким образом, результаты измерения длины стержня относительны и зависят от скорости его движения относительно системы отсчета; длина всегда получается меньше собственной длины множитель меньше единицы , и чем больше скорость движения стержня относительно какой-либо системы отсчета, тем меньше его длина, измеренная в этой системе. Отметим еще, что этот эффект относителен. Так, если одна метровая линейка неподвижна в инерциальной системе а другая — в системе и эти инерциальные системы движутся относительно друг друга со скоростью то для каждого из двух наблюдателей, один из которых связан с системой а другой — с укороченной будет, казаться линейка, движущаяся относительно него. Рассмотрим теперь вопрос об относительности промежутков времени. Мы уже убедились, что одинаковые идеальные часы в двух инерциальных системах отсчета, движущихся относительно друг друга, идут несинхронно. Пусть один наблюдатель находится в движущемся вагоне и имеет часы, неподвижные относительно вагона. Связанную с вагоном систему отсчета будем называть Другой наблюдатель и его часы пусть неподвижны относительно Земли, а поезд движется со скоростью V. Систему отсчета, связанную с Землей, будем называть Предположим теперь, что в момент времени рис. Для наблюдателя в вагоне эти два события произошли в одной точке пространства вагона , но в разные моменты времени Рис. Интервал времени между двумя событиями для системы отсчета, в которой оба события произошли в одной точке пространства, называется интервалом собственного времени Таким образом, для наблюдателя в вагоне наблюдателя на Земле оба эти события произошли в разных точках пространства и в разные моменты времени и по его часам. Действительно, лампочка зажглась в одном месте пространства, а погасла — в другом, так как пока она горела, вагон проехал некоторое расстояние относительно Земли. Для наблюдателя на Земле интервал времени между этими событиями будет. В теории относительности доказывается, что Из Таким образом, по измерениям, произведенным наблюдателями в разных системах, медленнее идут часы в той инерциальной системе, для которой события происходят в одной точке пространства. Если наблюдатель находится на станции и следит за событиями, происходящими в движущемся вагоне, то, по его мнению, часы в вагоне идут медленнее его собственных, т. Если же наблюдатель находится в движущемся вагоне и следит за событиями, происходящими на станции, то, по его мнению, часы на станции идут медленнее часов в вагоне, т. С точки зрения каждого наблюдателя, движущиеся относительно него часы замедляют свой ритм по сравнению с его часами. Здесь отчетливо виден относительный характер интервалов времени, так как каждый из этих наблюдателей считает, что по сравнению с его часами отстают часы другого наблюдателя. Зависимость интервалов времени от выбранной системы отсчета была обнаружена на опыте. Земная атмосфера подвергается непрерывному воздействию космических лучей, состоящих из потока частиц, движущихся с очень высокой скоростью. Они нестабильны и существуют очень короткое время время жизни очень мало. Можно получать -мезоны и искусственными методами с помощью больших ускорителей. В лабораториях было определено среднее время жизни этих -мезонов, т. Скорость движения этих искусственных -мезонов невелика, много меньше с. Поэтому можно считать, что найденное на опыте время жизни является собственным временем жизни -мезона. Оно оказалось очень коротким, порядка сотых долей микросекунды: Следовательно, если -мезон будет лететь даже со скоростью, близкой к скорости света, то за это время он успеет пролететь не больше так как Но я мезоны были обнаружены у поверхности Земли, т. Объясняется это замедлением времени: Этот факт можно представить иначе: Другими словами, если брать в расчет собственное время жизни -мезона то и земные расстояния надо измерять в системе отсчета, связанной с этим -мезоном. Понятие о величине и измерении. Прямое и косвенное измерения. Звездное небо и его видимое вращение. Угловые измерения на небе. Определение расстояний до небесных тел на основе измерения параллаксов. Основные единицы времени и их связь с движением Земли. Правило вывода единиц физических величин из формул. Международная система единиц СИ. Кинетическая и потенциальная энергия молекул. Понятие о температуре и внутренней энергии тела. Измерение скорости движения молекул газа. Распределение молекул по скоростям их хаотического движения. Размеры и массы молекул и атомов. Постоянная Авогадро и постоянная Лошмидта. Число столкновений и длина свободного пробега молекул в газе. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. Связь между температурой и кинетической энергией молекул газа. Приведение объема газа к нормальным условиям. Определение числового значения постоянной Больцмана. Уравнение Клапейрона — Менделеева. Зависимость средней квадратичной скорости молекул газа от температуры. Внутренняя энергия идеального газа. Работа газа при изменении его объема. Физический смысл молярной газовой постоянной. Изменение внутренней энергии при нагревании и охлаждении. Уравнение теплового баланса при теплообмене. Подсчет теплоты, выделяемой при сжигании топлива. Изменение внутренней энергии при выполнении механической работы. Закон сохранения и превращения энергии в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам в идеальном газе. Понятие о строении Солнца и звезд. Свойства паров, насыщающих пространство. Свойства паров, не насыщающих пространство. Зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления. Уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации. Перегретый пар и его использование в технике. Сжижение газов и использование жидких газов в технике. Абсолютная и относительная влажность воздуха. Приборы для определения влажности воздуха. Понятие об атмосферах планет. Энергия поверхностного слоя жидкости. Давление, создаваемое искривленной поверхностью жидкости. Капиллярные явления в природе и технике. Понятие о вязкости среды. Закон Ньютона для внутреннего трения. Пространственная решетка и ее дефекты. Упругость, пластичность, хрупкость и твердость. Энергия упруго деформированного тела. Изменение объема и плотности вещества при плавлении и отвердевании. Зависимость температуры и теплоты плавления от давления. Уравнение теплового баланса при плавлении и кристаллизации. Испарение твердых тел сублимация. Линейное расширение твердых тел при нагревании. Объемное расширение тел при нагревании. Зависимость плотности вещества от температуры. Особенности теплового расширения твердых тел. Некоторые особенности теплового расширения жидкостей. Значение теплового расширения тел в природе и технике. Явления, подтверждающие сложное строение атома. Ядерная модель строения атома. Понятие о строении атомов различных химических элементов. Электризация при соприкосновении незаряженных тел. Сила взаимодействия электрических зарядов. Международная система единиц СИ в электричестве. Линии напряженности электрического поля. Работа электрического поля при перемещении заряда. Разность потенциалов и напряжение. Связь между напряженностью поля и напряжением. Проводник в электрическом поле. Диэлектрик в электрическом поле. Условия, от которых зависит электроемкость проводника. Соединение конденсаторов в батарею. Плотность энергии электрического поля. Сила тока и плотность тока в проводнике. Электродвижущая сила источника электрической энергии. Внешняя и внутренняя части цепи. Закон Ома для участка цепи без э. Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника. Зависимость сопротивления от температуры. Последовательное соединение потребителей энергии тока. Закон Ома для всей цепи. Соединение одинаковых источников электрической энергии в батарею. Закон Ома для участка цепи с э. Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца. Практическое применение теплового действия тока. Применение термоэлектрических явлений в науке и технике. Электролиз, сопровождающийся растворением анода. Количество вещества, выделяющегося при электролизе. Использование электролиза в технике. Применение гальванических элементов и аккумуляторов в технике. Зависимость силы тока в газе от напряжения. Электрический разряд в газе при атмосферном давлении. Электрический разряд в разреженных газах. Газосветные трубки и лампы дневного света. Излучение и поглощение энергии атомом. Электрический ток в вакууме. Магнитное поле как особый вид материи. Понятие о вихревом поле. Магнитное поле прямолинейного тока, кругового тока и соленоида. Сравнение магнитных свойств соленоида и постоянного магнита. Сила взаимодействия параллельных токов. Действие магнитного поля на прямолинейный проводник с током. Магнитный момент контура с током. Работа при перемещении проводника с током в магнитном поле. Индукция магнитного поля, создаваемая в веществе проводниками с током различной формы. Напряженность магнитного поля и ее связь с индукцией и магнитной проницаемостью среды. Парамагнитные, диамагнитные и ферромагнитные вещества. Работа и устройство амперметра и вольтметра. Движение заряда в магнитном поле. Постоянное и переменное магнитные поля. Закон Ленца для электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле и его связь с магнитным полем. Роль магнитных полей в явлениях, происходящих на Солнце и в космосе. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Глава Классификация колебательных движений тела в зависимости от действующей на него силы. Величины, характеризующие мгновенное состояние колеблющейся точки. Уравнение гармонического колебания и его график. Законы колебания математического маятника. Превращение энергии при колебательном движении. Распространение колебательного движения в упругой среде. Перенос энергии бегущей волной. Поперечные и продольные волны. Скорость распространения волн и ее связь с длиной волны и периодом частотой колебаний. Сложение колебаний, происходящих по одной прямой. Сложение колебаний с кратными частотами. Разложение сложного колебания на гармонические составляющие. Механический резонанс и его роль в технике. Громкость и интенсивность звука. Высота тона и тембр звука. Отражение и поглощение звука. Ультразвук и его применение в технике. Понятие об устройстве индукционных генераторов. Индуктивность и емкость в цепи переменного тока. Получение, передача и распределение электрической энергии в народном хозяйстве СССР. Получение незатухающих колебаний с помощью лампового генератора. Токи высокой частоты и их применение. Электромагнитное поле как особый вид материи. Изобретение радио А С. Устройство простейшего лампового радиоприемника с усилителем низкой частоты. Понятие об электромагнитной теории света. Понятие о квантовой теории света. Скорость распространения света в вакууме. Скорость распространения света в различных средах. Зеркальное и диффузное отражение. Построение изображений, получаемых с помощью сферических зеркал. Абсолютный показатель преломления и его связь с относительным показателем преломления. Прохождение света через пластинку с параллельными гранями и через трехгранную призму. Призма с полным отражением. Главные фокусы и фокальные плоскости линзы. Построение изображения светящейся точки, расположенной на главной оптической оси линзы. Вывод формулы для сопряжеппых точек тонкой линзы. Построение изображения светящейся точки, расположенной на побочной оптической оси линзы. Построение изображений предмета, создаваемых линзой. Линейное увеличение, полученное с помощью линзы. Выясним, какие существенные недостатки встречаются у линз. Глаз как оптическая система. Интерференция в клинообразной пленке. Интерференция света в природе и технике. Дифракционная решетка и дифракционный спектр. Измерение длины световой волны. Поляризация при отражении и преломлении света. Единицы силы света и светового потока. Сравнение силы света двух источников. Разложение белого света призмой. Ультрафиолетовая и инфракрасная части спектра. Роль ультрафиолетовых и инфракрасных лучей в природе. Их применение в технике. Приборы для получения и исследования спектров. Закон теплового излучения Кирхгофа. Законы теплового излучения Стефана — Больцмана, Вина, Планка. Спектры Солнца и звезд. Их связь с температурой. Понятие о принципе Доплера. Рентгеновские лучи и их практическое применение. Использование химического действия света при фотографировании. Понятие о квантовой природе химического действия излучения. Объяснение фотоэффекта на основе квантовой теории. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. Использование фотоэлементов в науке и технике. Понятие о теории Бора. Излучение и поглощение энергии атомами. Понятие о квантовых генераторах. Экспериментальные основы специальной теории относительности Эйнштейна. Теорема сложения скоростей Эйнштейна. Масса и импульс в специальной теории относительности. Связь между массой и энергией. Связь между импульсом и энергией. Импульс и энергия фотонов. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА Глава Понятие о превращении химических элементов. Понятие об энергии и проникающей способности радиоактивного излучения. Эффект Вавилова — Черенкова. Открытие искусственного превращения атомных ядер. Понятие о ядерных силах. Дефект массы атомных ядер. Открытие новых элементарных частиц. Взаимные превращения вещества и поля. Деление тяжелых атомных ядер. Развитие ядерной энергетики в СССР. Понятие о термоядерной реакции. Энергия Солнца и звезд. Понятие об управляемой термоядерной реакции. Получение радиоактивных изотопов и их применение. Происхождение и развитие небесных тел. Относительность понятий длины и промежутка времени Рассмотрим вопрос об измерении длины стержня в покоящейся и движущейся системах отсчета. С точки зрения каждого наблюдателя,.
Специальная или частная теория относительности СТО представляет собой современную физическую теорию пространства и времени. Наряду с квантовой механикой, СТО служит теоретической базой современной физики и техники. СТО часто называют релятивистской теорией , а специфические явления, описываемые этой теорией, — релятивистскими эффектами. Специальная теория относительности была создана А. Предшественниками Эйнштейна, очень близко подошедшими к решению проблемы, были нидерландский физик Х. Лоренц и выдающийся французский физик А. В нерелятивистской физике принималось как очевидный факт существование единого мирового времени t , одинакового во всех системах отсчета. В основе классической механики лежит механический принцип относительности или принцип относительности Галилея: Этот принцип означает, что законы динамики инвариантны т. Из преобразований Галилея следует классический закон преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчета к другой:. Следовательно, уравнение движения классической механики второй закон Ньютона не меняет своего вида при переходе от одной инерциальной системы к другой. К концу XIX века начали накапливаться опытные факты, которые вступали в противоречие с законами классической механики. Большие затруднения возникли при попытках применить механику Ньютона к объяснению распространения света. Предположение о том, что свет распространяется в особой среде — эфире, было опровергнуто многочисленными экспериментами. Майкельсон сначала самостоятельно в году, а затем совместно с Э. Упрощенная схема опыта Майкельсона—Морли представлена на рис. Опыт Майкельсона—Морли, неоднократно повторенный впоследствии со все более возрастающей точностью, дал отрицательный результат. Анализ результатов опыта Майкельсона—Морли и ряда других экспериментов позволил сделать вывод о том, что представления об эфире как среде, в которой распространяются световые волны, ошибочно. Следовательно, для света не существует избранной абсолютной системы отсчета. Движение Земли по орбите не влияет на оптические явления на Земле. Исключительную роль в развитии представлений о пространстве и времени сыграла теория Максвелла. К началу XX века эта теория стала общепризнанной. Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, распространяющиеся с конечной скоростью, уже нашли практическое применение — в году А. Поповым было изобретено радио. Но из теории Максвелла следует, что скорость распространения электромагнитных волн в любой инерциальной системе отсчета имеет одно и то же значение, равное скорости света в вакууме. Это значит, что уравнения, описывающие распространение электромагнитных волн, не инвариантны относительно преобразований Галилея. Итак, на рубеже XIX и XX веков физика переживала глубокий кризис. Выход был найден Эйнштейном ценой отказа от классических представлений о пространстве и времени. Наиболее важным шагом на этом пути явился пересмотр используемого в классической физике понятия абсолютного времени. Классические представления, кажущиеся наглядными и очевидными, в действительности оказались несостоятельными. Многие понятия и величины, которые в нерелятивистской физике считались абсолютными, т. Так как все физические явления происходят в пространстве и во времени, новая концепция пространственно-временных закономерностей не могла не затронуть в итоге всю физику. В основе специальной теории относительности лежат два принципа или постулата, сформулированные Эйнштейном в г. Эти принципы следует рассматривать как обобщение всей совокупности опытных фактов. Следствия из теории, созданной на основе этих принципов, подтверждались бесконечными опытными проверками. В последующее время СТО была подкреплена экспериментальными данными, полученными при изучении движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций и т. Постулаты СТО находятся в явном противоречии с классическими представлениями. Рассмотрим такой мысленный эксперимент: Следовательно, центр сферического фронта одновременно находится в двух разных точках! Причина возникающего недоразумения лежит не в противоречии между двумя принципами СТО, а в допущении, что положение фронтов сферических волн для обеих систем относится к одному и тому же моменту времени. Это допущение заключено в формулах преобразования Галилея, согласно которым время в обеих системах течет одинаково: Следовательно, постулаты Эйнштейна находятся в противоречии не друг с другом, а с формулами 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. При выполнении любых физических измерений исключительную роль играют пространственно-временные соотношения между событиями. В СТО событие определяется как физическое явление, происходящее в какой-либо точке пространства в некоторый момент времени в избранной системе отсчета. Таким образом, чтобы полностью охарактеризовать событие, требуется не только выяснить его физическое содержание, но и определить его место и время. Для этого необходимо использовать процедуры измерения расстояний и промежутков времени. Эйнштейн показал, что эти процедуры нуждаются в строгом определении. Для того чтобы в выбранной системе отсчета выполнять измерения промежутка времени между двумя событиями например, началом и концом какого-либо процесса , происходящими в одной и той же точке пространства , достаточно иметь эталонные часы. Наибольшей точностью в настоящее время обладают часы, основанные на использовании собственных колебаний молекул аммиака молекулярные часы или атомов цезия атомные часы. Измерение промежутка времени опирается на понятие одновременности: Если же оба события происходят в разных точках системы отсчета, то для измерения промежутков времени между ними в этих точках необходимо иметь синхронизованные часы. Эйнштейновское определение процедуры синхронизации часов основано на независимости скорости света в пустоте от направления распространения. Пусть из точки A в момент времени t 1 по часам A отправляется короткий световой импульс рис. Наконец, пусть отраженный сигнал возвращается в A в момент t 2 по часам A. Существование единого мирового времени, не зависящего от системы отсчета, которое принималось как очевидный факт в классической физике, эквивалентно неявному допущению о возможности синхронизации часов с помощью сигнала, распространяющегося с бесконечно большой скоростью. Итак, в разных точках выбранной системы отсчета можно расположить синхронизованные часы. Теперь можно дать определение понятия одновременности событий, происходящих в пространственно-разобщенных точках: В разных точках этой новой системы отсчета также можно расположить часы и синхронизировать их между собой, используя описанную выше процедуру. Будут ли эти интервалы одинаковы? Ответ на этот вопрос должен находиться в согласии с постулатами СТО. Этот промежуток времени называется собственным временем. Каким будет промежуток времени между этими же событиями, если его измерить по часам системы K? Для ответа на этот вопрос рассмотрим следующий мысленный эксперимент. На одном конце твердого стержня некоторой длины l расположена импульсная лампа B , а на другом конце — отражающее зеркало M. Событие 1 — вспышка лампы, событие 2 — возвращение короткого светового импульса к лампе. С точки зрения наблюдателя, находящегося в системе K , световой импульс движется между зеркалами зигзагообразно и проходит путь 2 L , равный. Таким образом, промежуток времени между двумя событиями зависит от системы отсчета, т. Этот эффект называют релятивистским замедлением времени. Замедление времени является следствием инвариантности скорости света. Этот вывод СТО находит непосредственное опытное подтверждение. На самом деле, как показывает опыт, мезоны за время жизни успевают пролетать без распада гораздо большие расстояния. Предполагается, что один из близнецов остается на Земле, а второй отправляется в длительное космическое путешествие с субсветовой скоростью. С точки зрения земного наблюдателя, время в космическом корабле течет медленнее, и когда астронавт возвратится на Землю, он окажется гораздо моложе своего брата-близнеца, оставшегося на Земле. Парадокс заключается в том, что подобное заключение может сделать и второй из близнецов, отправляющийся в космическое путешествие. Для него медленнее течет время на Земле, и он может ожидать, что по возвращению после длительного путешествия на Землю он обнаружит, что его брат-близнец, оставшийся на Земле, гораздо моложе его. Первый из них, оставшийся на Земле, все время находится в инерциальной системе отсчета, тогда как система отсчета, связанная с космическим кораблем, принципиально неинерциальная. Космический корабль испытывает ускорения при разгоне во время старта, при изменении направления движения в дальней точке траектории и при торможении перед посадкой на Землю. Поэтому заключение брата-астронавта неверно. СТО предсказывает, что при возвращении на Землю он действительно окажется моложе своего брата, оставшегося на Земле. Эффекты замедления времени пренебрежимо малы, если скорость космического корабля гораздо меньше скорости света c. Тем не менее, удалось получить прямое подтверждение этого эффекта в экспериментах с макроскопическими часами. Наиболее точные часы — атомные работающие на пучке атомов цезия. Американские физики в году провели сравнение двух таких часов, причем одни из них находились в полете вокруг Земли на обычном реактивном лайнере, а другие оставались на Земле в военно-морской обсерватории США. В настоящее время уже необходимо принимать во внимание релятивистский эффект замедления хода часов при транспортировке атомных часов на большие расстояния. Астрономия Биология География Другие языки Интернет Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Механика Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Транспорт Физика Философия Финансы Химия Экология Экономика Электроника. Упрощенная схема интерференционного опыта Майкельсона—Морли. Влияние физических характеристик звука на слуховые ощущения.
Минет крупным планом видео hd
Что делает наблюдатель в майнкрафт 1.11 2
Чертежи кресла из дерева
Учимся рисовать дракона
Результаты гиа 9 2016