МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ

БУРЯТСЬКА ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Реферат з фізики на тему:

Принцип відносності Ейнштейна

Виконав: студент 07202 групи Батором А.П. Улан-Уде 2001

Зміст

Біографія Альберта Ейнштейна (1879-1955 )....................................... ................ 3

Народження теорії відносності ............................................ ........................... 5

Спеціальна теорія відносності ............................................ ...................... 5

Відносність одночасності подій ............................................ .......... 5

Перетворення Лоренца ............................................. ........................................... 6

Залежність маси тіла від швидкості .......................................... ........................... 7

Закон взаємозв'язку маси та енергії .......................................... .......................... 11

Значення теорії відносності ............................................ .......................... 13

Список використаної літератури :........................................... ....................... 15

Біографія Альберта Ейнштейна (1879-1955)

Видатний фізик, творець теорії відносності, один із творців квантової теорії і статистичної фізики.

Народився в Німеччині, в місті Ульмі. З 14 років разом з родиною жив у Швейцарії, де в 1900 р. закінчив Цюріхський політехнікум. У 1902-1909 рр.. служив експертом патентного бюро в Берні. У ці роки Ейнштейн створив спеціальну теорію відносності, виконав дослідження у статистичній фізиці, броунівському русі, теорії випромінювання й ін Роботи Ейнштейна одержали популярність, і в 1909 р. він був обраний професором Цюрихського університету, а потім - Німецького університету в Празі. У 1914 р. Ейнштейн був запрошений викладати в Берлінський університет. У період свого життя в Берліні він завершив створення загальної теорії відносності, розвив квантову теорію випромінювання. За відкриття законів фотоефекту і роботи в області теоретичної фізики Ейнштейн одержав у 1921 р. Нобелівську премію. У 1933 р. після приходу до влади в Німеччині фашистів Ейнштейн емігрував до США, в Прінстон, де він до кінця життя працював в Інституті вищих досліджень.

У 1905 р. була опублікована спеціальна теорія відносності - механіка й електродинаміка тіл, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла.

Тоді ж Ейнштейн відкрив закон взаємозв'язку маси та енергії (Е = mc2), що лежить в основі всієї ядерної енергетики.

Учений вніс великий внесок у розвиток квантової теорії. У його теорії фотоефекту світло розглядається як потік квантів (фотонів). Існування фотонів було підтверджено в 1923 р. в експериментах американського фізика А. Комптона. Ейнштейн установив основний закон фотохімії (закон Ейнштейна), за яким кожен поглинений квант світла викликає одну елементарну фотохімічну реакцію. У 1916 р. він теоретично пророчив явище індукованого (змушеного) випромінювання атомів, що лежить в основі квантової електроніки.

Вершиною наукової творчості Ейнштейна стала загальна теорія відносності, завершена їм до 1916 Ідеї Ейнштейна змінили панували в фізиці з часів Ньютона механістичні погляди на простір, час і тяжіння і привели до нової матеріалістичної картині світу.

Учений працював і над створенням єдиної теорії поля, що поєднує гравітаційні й електромагнітні взаємодії. Наукові праці Ейнштейна зіграли велику роль у розвитку сучасної фізики - квантової електродинаміки, атомної і ядерної фізики, фізики елементарних частинок, космології, астрофізики.

А. Ейнштейн був членом багатьох академій світу та наукових товариств. У 1926 р. його обрали почесним членом Академії наук СРСР. Народження теорії відносності.

У 1907-1916 рр.. створена загальна теорія відносності, яка об'єднує сучасне вчення про простір і час з теорією тяжіння. За масштабу перевороту, здійсненого Ейнштейном у фізиці, його часто порівнюють з Ньютоном.

У більшості задач динаміки, що мають додаток до технічних проблем, основну систему координат можна пов'язувати з Землею, вважаючи її нерухомою. Однак для астрономічних завдань і завдань космічних польотів прийняття такої інерціальній системи відліку буде вже невірним, оскільки Земля обертається навколо своєї осі і рухається навколо Сонця. Для спостережень за рухом планет і космічних кораблів в якості основної системи можна прийняти систему, пов'язану з нерухомими зірками. З удосконаленням методів теоретичних та експериментальних досліджень система координат, пов'язана з нерухомими зірками, також виявилася недостатньою для узгодження досвідчених фактів з результатами обчислень. Це було з'ясовано Ейнштейном. Створена ним спеціальна теорія відносності показала, що закони Ньютона не зовсім точні і при великих швидкостях руху, порівнянних із швидкістю світла, є тільки першим наближенням для опису спостережуваних рухів. При швидкостях ж, значно менших швидкості світла, всі розрахунки, що випливають з законів Ньютона, в припущенні, що основна система координат пов'язана з нерухомими зірками, досить прості і відповідають найсуворішим вимогам точності.

Спеціальна теорія відносності

У своїй праці "До електродинаміки рухомих тіл», опублікованій в 1905р., Ейнштейн сформулював більш точну теорію механіки бистродвіжущихся тел - спеціальну теорію відносності.

У класичній механіці вважалося, що якщо ми знаємо декартові координати x, y і час t події в деякій нерухомій (приблизно) системі координат, то можемо легко знайти координати , і час в інерціальній системі (, ), що рухається відносно нерухомої системи поступально, прямолінійно і рівномірно. Справді, якщо початок системи (, ) в момент t = 0 мало координати = 0, = 0 і система (, ) рухається вздовж осі ОХ зі швидкістю , то в момент t координати точки , будуть відносно системи (x, y) наступними:

х = + t,

y =

При цьому число інтуїтивно передбачалося: час t в системі (x, y) тече так само, як і в системі (, ), тобто t = ; таким чином, допускалося, що протягом часу не залежить від стану руху тіла. Довжина масштабної лінійки абсолютна, і якщо в спочиваючої системі (x, y) певний відрізок має довжину , то буде мати ту ж довжину і в що рухається системі (, ), інакше кажучи = . У класичній механіці плин часу і просторові інтервали вважалися незалежними один від одного і не залежали від стану руху системи (тіла) відліку.

Наприкінці XIX ст. накопичилося достатньо велику кількість фактів (головним чином експериментальних), що відносяться до руху частинок зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла, які не могли бути пояснені виходячи із законів класичної механіки.

Виявилося, що при швидкостях порядку швидкості світла просторові співвідношення (довжини відрізків) і протягом часу залежать від швидкості руху системи (, ).

В основі теорії відносності лежить факт, отриманий дослідним шляхом: незалежність швидкості світла від швидкості джерела. Одне з головних положень теорії відносності укладено в тому, що в природі не існує швидкості, більшої швидкості світла у вакуумі. Це найбільша, або гранична, швидкість.

Інше найважливіше наслідок теорії відносності - зв'язок між масою і енергією. Ейнштейн встановив, виходячи з основних положень теорії відносності, що енергія міститься в прихованій формі в будь-якому речовині, причому в масі m укладена енергія E, що дорівнює добутку маси на квадрат швидкості світла. Ця формула допомагає зрозуміти багато процесів.

Вихідними для побудови теорії відносності є два закони природи, що одержали підтвердження в самих різних явищах руху. Ці закони були сформульовані Ейнштейном у наступному вигляді:

1. «Закони, за якими змінюються стану фізичних систем, що не залежать від того, до якої з двох координатних систем, що знаходяться відносно один одного в рівномірному поступальному русі, ці зміни стану відносяться ».

2. «Кожен промінь світла рухається в« спочиває »системі координат з певною швидкістю, незалежно від того, випускається цей промінь світла почилих або рухомим тілом ».

Перший закон поширює закон еквівалентності інерційних систем (закон відносності класичної механіки Галілея - Ньютон) на широкий клас фізичних явищ. Другий закон встановлює сталість швидкості світла незалежно від швидкості руху джерела світла.

Другий закон здається найбільш парадоксальним. Справді, при вивченні руху тіл зі швидкостями, малими в порівнянні зі швидкістю світла, ми переконуємося і теоретично, і експериментально, що швидкість тіла відносно нерухомої системи координат залежить від руху «платформи», з якою кидання тіла виробляється. Так м'яч, кинутий в напрямку руху поїзда, буде мати по відношенню до Землі більшу швидкість, ніж м'яч, кинутий з нерухомого поїзда. Для випадку прямолінійного руху результуюча швидкість буде рівна алгебраїчної сумі доданків швидкостей. Під час руху платформи і тіла в один бік результуюча швидкість буде дорівнювати арифметичній сумі швидкостей і підраховуватиметься по формулою:

рез. = ,

де v рез. Є результуюча швидкість тіла по відношенню до Землі, - швидкість платформи, - швидкість тіла по відношенню до платформи.

Закон додавання швидкостей в теорії Ейнштейна записується інакше:

З цього рівняння випливає, що результуюча швидкість завжди менше швидкості світла. Навіть у граничному випадку, коли

= с, = с,

Суттєвих змін зазнають і інші поняття механіки. Маса тіла в задачах спеціальної теорії відносності залежить від швидкості руху тіла:

У цій формулі - маса тіла при v = 0 (маса «спокою»), m - маса тіла, що рухається зі швидкістю v, і маса тіла необмежено зростає, якщо його швидкість наближається до швидкості світла.

Час в теорії відносності не є універсальним; для рухомого спостерігача час тече повільніше, ніж для нерухомого. Зв'язок часів, які відображаються почилих і рухомими годинами, визначається формулою:

де - час, відлічуваний нерухомими годинами, а t - час, показуване годинами, що рухаються зі швидкістю v відносно нерухомої системи. Для звичайних задач механіки величина дуже мала в порівнянні з одиницею, і механіка Ньютона дає досить точні результати.

При швидкостях, близьких до швидкості світла, уточнення, що даються теорією відносності, набувають принциповий характер і в даний час, наприклад, конструювання прискорювачів, визначення часу життя елементарних частинок і експериментальне визначення маси бистродвіжущихся тіл не можуть бути зроблені без урахування результатів, що випливають із спеціальної теорії відносності.

На початку нашого століття Ейнштейн почав розробляти дуже складну фізичну теорію, яка отримала назву загальної теорії відносності. За розрахунками Ейнштейна виходило, що притягання світла можна виявити тільки в дуже сильних полях тяжіння, наприклад на малих відстанях від поверхні Сонця.

І ось на початку 1919р. Були споряджені дві експедиції. Одна з них розташувалася неподалік від бразильського міста Сорбаль, а інша - на острові Прінчіпе біля берегів західної Африки. У цих місцях в травні 1919р. Повинно було наступити повне сонячне затемнення. Крім звичайних досліджень було вирішено перевірити висновки ейнштейнівської теорії. Потрібно було визначити положення зірок, видимих в телескоп на одному і тому ж ділянці неба, у двох випадках - коли зоряні промені йдуть далеко від Сонця і в момент, коли вони падають на Землю, проходячи поблизу сонячного диска. Це останнє спостереження можна зробити тільки під час повного сонячного затемнення, інакше зірки не буде видно на тлі яскравого світла, що розсіюється атмосферою.

29 травня 1919р. Учені переконалися - промінь світла відхиляється тяжінням Сонця. Саме так, як передбачала загальна теорія відносності. Дізнавшись про це Ейнштейн написав: «Доля надала мені ласку, дозволивши дожити до цих днів ...» Відносність одночасності подій

У механіці Ньютона одночасність двох подій абсолютна і не залежить від системи відліку. Це означає, що якщо дві події відбуваються в системі K у моменти часу t і t1, а в системі K 'відповідно в моменти часу t 'і t'1, те оскільки t = t', проміжок часу між двома подіями однаковий в обох системах відліку

На відміну від класичної механіки, у спеціальній теорії відносності одночасність двох подій, що відбуваються в різних точках простору, відносна: події, одночасні в одній інерційній системі відліку, не одночасні в інших інерційних системах [1], рухаються щодо першої. На малюнку (див. нижче) розташована схема експерименту, який це ілюструє. Система відліку K пов'язана з Землею, система K '- з вагоном, що рухаються щодо Землі прямолінійно і рівномірно зі швидкістю v. На Землі і у вагоні відзначені крапки А, М, В и відповідно А ', M' і В ', причому АМ = МВ і А'M' = M'B '. У момент, коли зазначені точки збігаються, у точках А і В відбуваються події - вдаряють дві блискавки. У системі До сигнали від обох спалахів прийдуть у крапку М одночасно, тому що АМ = МВ, і швидкість світла однакова у всіх напрямках. У системі К ', пов'язаної з вагоном, сигнал із точки В' прийде в точку M 'раніше, ніж з точки А', тому що швидкість світла однакова у всіх напрямках, але М 'рухається назустріч сигналу пущеному з точки B' і віддаляється від сигналу, пущеного з точки А '. Отже, події в точках А 'і B' не одночасні: події в точці B 'відбулося раніше, ніж у точці A '. Якби вагон рухався в зворотному напрямку, то вийшов би зворотний результат.             

Поняття одночасності просторово розділених подій відносно. З постулатів теорії відносності й існування кінцевої швидкості поширення сигналів випливає, що в різних інерційних системах відліку час протікає по-різному. Перетворення Лоренца

Відповідно до двох постулатів спеціальної теорії відносності між координатами і часом у двох інерційних системах К и К 'існують відносини, які називаються перетвореннями Лоренца.

У простому випадку, коли система К 'рухається щодо системи До зі швидкістю v так, як показано на малюнку (див нижче), перетворення Лоренца для координат і часу мають такий вигляд:

, , , ,
, , , .

З перетворень Лоренца випливає тісний зв'язок між просторовими і часовими координатами в теорії відносності, не тільки просторові координати залежать від часу (як у кінематиці), але й час в обох системах відліку залежить від просторових координат, а також від швидкості руху системи відліку K '.

Формули перетворень Лоренца переходять у формули кінематики при v/c <<1. У цьому випадку

, , , ,

, , , .

Перехід формул теорії відносності у формули кінематики за умови v/c <<1 є перевіркою справедливості цих формул. Залежність маси тіла від швидкості

Залежність властивостей простору і часу від руху системи відліку приводить до того, що зберігається при будь-яких взаємодіях тіл є величина

,

звана релятивістським імпульсом, а не класичний імпульс.

Класичний закон додавання швидкостей і класичний закон збереження імпульсу є окремими випадками універсальних релятивістських законів і виконуються тільки при значеннях швидкостей, значно менших швидкості світла у вакуумі.

Релятивістський імпульс тіла можна розглядати як твір релятивістської маси т тіла на швидкість його руху. Релятивістська маса т тіла зростає зі збільшенням швидкості за законом

,

де - маса спокою тіла, - швидкість його руху.

Зростання маси тіла зі збільшенням швидкості приводить до того, що жодне тіло з масою спокою, не дорівнює нулю, не може досягти швидкості, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі, або перевищити цю швидкість. Швидкість , велика , приводить для звичайних часток до уявної масі і уявному імпульсу, що фізично безглуздо. Залежність маси від швидкості починає позначатися лише при швидкостях, досить близьких до (Див. малюнок № 2). Наведені в цьому пункті формули не стосуються фотону, тому що у нього відсутня маса спокою (). Фотон завжди рухається зі швидкістю, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі, і є ультрарелятівістской часткою. Проте, звідси не слід сталість швидкості світла у всіх речовинах.

При вираз для імпульсу переходить у те, яке використовується в механіці Ньютона , де під розуміється маса спокою (), тому що при відмінність і неістотно.

Малюнок № 2 Закон взаємозв'язку маси та енергії

Повна енергія Е тіла (або частки) пропорційна релятивістської масі (закон взаємозв'язку маси та енергії):

,

де с - швидкість світла у вакуумі. Релятивістська маса залежить від швидкості , з якою тіло (частка ) рухається в даній системі відліку. Тому повна енергія різна в різних системах відліку [2].

Найменшою енергією тіло (частка) має в системі відліку, щодо якої воно покоїться (). Енергія називається власною енергією або енергією спокою тіла (частки) :

.

Енергія спокою тіла є його внутрішньою енергією Вона складається з суми енергій спокою всіх часток тіла , кінетичної енергії всіх часток щодо загального центра мас і потенційної енергії їхньої взаємодії. Тому

і

де - маса спокою - й частки.

У релятивістської механіці несправедливий закон збереження маси спокою. Наприклад, маса спокою атомного ядра менше, ніж сума власних мас частинок, що входять в ядро. Навпаки маса спокою частинки, здатної до мимовільного розпаду, більше суми власних мас продуктів розпаду і :

.

незбереження маси спокою не означає порушення закону збереження маси взагалі. У теорії відносності справедливий закон збереження релятивістської маси. Він випливає з формули закону взаємозв'язку маси та енергії . В ізольованій системі тел зберігається повна енергія. Отже, зберігається і релятивістська маса. У теорії відносності закони збереження енергії і релятивістської маси взаємопов'язані і являють собою єдиний закон збереження маси та енергії. Проте з цього закону аж ніяк не слід можливість перетворення маси в енергію і назад. Маса і енергія являють собою два якісно різних властивості матерії, аж ніяк не «еквівалентних» один одному. Жоден з відомих досвідчених фактів не дає підстав для висновку про «перехід маси в енергію». Перетворення енергії системи з однієї форми в іншу супроводжується перетворенням маси. Наприклад, в доказі народження і знищення пари електрон - позитрон, у повному Відповідно до закону збереження релятивістської маси та енергії, маса не переходить в енергію. Маса спокою частинок (електрона і позитрона) перетворюється на масу фотонів, тобто в масу електромагнітного поля.

Гіпотеза Ейнштейна про існування власної енергії тіла підтверджується численними експериментами. На основі використання закону взаємозв'язку маси та енергії ведуться розрахунки виходу енергії в різних ядерних енергетичних установках. Значення теорії відносності

Сорок - п'ятдесят років тому можна було спостерігати дуже великий інтерес до теорії відносності з боку широких кіл незважаючи на те, що тоді в книгах і статтях з теорії відносності мова йшла про дуже далеких від повсякденного досвіду і дуже абстрактні речі. Широкі кола проявили дивовижне чуття, вони відчували, що теорія, з такою сміливістю зробили замах на основні уявлення про простір і час, не може не привести при своєму розвитку та застосування до дуже глибоким і широким виробничо - технічним і культурним наслідків. Це передчуття не підвело людей. Втіленням нового релятивістського вчення про енергію, а отже, і всієї теорії відносності в цілому є атомна ера, яка розширює владу людини над природою більше, ніж це зробили попередні наукові та інші революції.

Атомна ера буде ерою подальших корінних перетворень фізичної картини світу. Зараз не можна передбачити, яким чином зміняться подання про простір, час, рух, елементарних частинок і їх взаємодії. Можна вказати тільки на деякі проблеми сучасної фізики, які, мабуть, будуть вирішені лише при переході до нової фізичної картини світу.

Теорія відносності, створена Ейнштейном в 1905 р., стала закінченою теорією руху макроскопічних тел. Її застосування в теорії елементарних частинок наштовхується на ряд серйозних труднощів, які, мабуть, свідчать про необхідність нового розуміння принципу відносності. Розвиток атомної і особливо ядерної фізики - блискучий тріумф теорії Ейнштейна - вказує разом з тим на можливе подальший розвиток і узагальнення цієї теорії.

Теорія відносності чекає подальшого розвитку та узагальнення і в іншому напрямку, крім картини рухів, взаємодій і трансмутації елементарних частинок в областях близько 10-13 см, Вона все більше стає теорією, яка описує будову космічних областей, у порівнянні з якими исчезающе малі відстані між зірками і навіть відстані між галактиками. Список використаної літератури:

1. О.Ф. Кабардино «Фізика. Довідкові матеріали »

2. Б.М. Яворський, Ю.А. Селезньов «Довідник з фізики»

3. Б.Г. Кузнєцов «Бесіди про теорію відносності»

[1] Системи відліку, в яких справедливий закон інерції (перший закон Ньютона) називають інерційних системах відліку

[2] Тіло (або частка) не знаходиться в силовому полі