Курс общей физики
ПОСТУЛАТЫ СТО
ПОСТУЛАТЫ СТО
ПОСТУЛАТЫ СТО
Преобразования лоренца
Преобразования лоренца
Преобразования лоренца
Преобразования лоренца
Преобразования лоренца
Релятивистский закон сложения скоростей
Релятивистский закон сложения скоростей
Следствия преобразований лоренца
Следствия преобразований лоренца
Следствия преобразований лоренца
Следствия преобразований лоренца
Элементы релятивистской динамики
Элементы релятивистской динамики
Энергия в релятивистской механике
Энергия в релятивистской механике
538.42K
Category: physicsphysics

Элементы релятивистской механики

1. Курс общей физики

КУРС
ОБЩЕЙ
ФИЗИКИ
ЛЕКЦИЯ 4
ЭЛЕМЕНТЫ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ МЕХАНИКИ

2. ПОСТУЛАТЫ СТО

СТО основывается на следующих положениях:
1. принцип относительности Эйнштейна: все законы
природы инвариантны при переходе от одной
инерциальной системы отсчета к другой.
2. принцип независимости скорости света в
инерциальных системах отсчета от скорости движения
источника и приемника (скорость света не может
превышать ~3∙108 м/с).

3. ПОСТУЛАТЫ СТО

Опыт Майкельсона

4. ПОСТУЛАТЫ СТО

Опыт Майкельсона

5. Преобразования лоренца

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА
Рассмотрим инерциальные системы
отсчета K и K‘. Направим оси координат
этих систем отсчета как на рисунке.
Система К' движется со скоростью u
относительно
системы
К.
Пусть
происходит
некоторое
событие,
которому в системе К соответствуют
координаты x, y, z и время t, а в
системе К' - x', y', z' и время t'. Найдем
преобразования координат и времени
при переходе из одной инерциальной
системы отсчета в другую.
Так как системы координат К и К' равноправны, то преобразования
координат и времени должны быть такими, чтобы их можно было обращать
при переходе от преобразования К→К' к преобразованию К'→ К.
В связи с этим данные преобразования должны быть линейными
функциями. Значит функцию x‘ = f(x,t) можно представить в виде
x =Ax+Bt.

6. Преобразования лоренца

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА
Найдем коэффициенты А и B. Пусть в
начальный момент времени начала
координат систем К и К' совпадали.
Тогда через время t начало координат O'
системы К' будет иметь координату x'=0.
С другой стороны в системе К начало
координат O' будет иметь координату x
=u t. Подставим указанные x и x' в
уравнение x‘ = f(x,t):
0=Au t+Bt B Au .
Т.о., преобразования координат при переходах К'→ К и К→ К' будут
иметь вид:
x A x u t ;
x A x u t .

7. Преобразования лоренца

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА
Для нахождения коэффициента A снова
рассмотрим
начальный
момент
времени, когда начала координат О и О'
совпадали. Представим, что в данный
момент времени из начала координат
начинает
распространяться
свет.
Расстояния, которые свет пройдет в
системах отсчета К и К', будут равны
x x c t и x x c t ,
Подставим последние значения x и x' в преобразования x'→x и x→x'.
Получим
ct At c u ;
ct At c u .

8. Преобразования лоренца

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА
Решив данную систему относительно А
придём к
A
1
1 u c
2
.
Окончательно выражения для преобразований координат будут иметь вид
x
x ut
1 u c
2
; x
x u t
1 u c
2
.

9. Преобразования лоренца

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА
Далее найдем преобразование времени
для систем координат К и К'. Для этого
в
полученные
преобразования
координат подставим t и t' из выражений
x c t и x c t ,
t
t
ux
c
2
1 u c
2
; t
t
откуда
u x
c2
1 u c
2
.
Полученные преобразования координат и времени называются
преобразованиями Лоренца. В отличие от преобразований Галилея,
данные преобразования справедливы также и для движения тел со
скоростями, близкими к с скорости света.

10. Релятивистский закон сложения скоростей

РЕЛЯТИВИСТСКИЙ ЗАКОН
СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ
Согласно преобразованиям Галилея
скорость тела U в системе K связана со
скоростью тела U' в системе K'
соотношением
U U u.
Данное преобразование противоречит положению СТО о независимости
скорости света от скорости источника и приемника света. Получим
релятивистский закон сложения скоростей.
Пусть в течении промежутка времени от t1 до t2 координаты тела
изменились от x1 до x2 в системе отсчета К . Тогда можно записать. что
t = t 2 t 1
t
u x
c2
1 u c
2
, x x2 x1
x u t
1 u c
2
.

11. Релятивистский закон сложения скоростей

РЕЛЯТИВИСТСКИЙ ЗАКОН
СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ
Найдем отношение x/ t, которое имеет
смысл скорости перемещения тела U в
системе отсчета К.
U u
U
U u
1 2
c
Полученное соотношение и есть формула релятивистского закона
сложения скоростей. Видно, что даже если обе скорости U' и u равны
скорости света c, то U = c.

12. Следствия преобразований лоренца

СЛЕДСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ
ЛОРЕНЦА
Относительность одновременности событий
Пусть
в
системе
К
происходят
последовательно два события. Этим
событиям
соответствуют
моменты
времени t1 и t2 и координаты x1 и x2
(координаты y и z совпадают). Если t1 = t2
(события происходят одновременно), то t
= 0. Найдем промежуток времени между
данными событиями в системе отсчета K':
t
x1 x 2
u
c 2 0.
1 u c
2
Т.о., оказывается, что одновременные события в одной инерциальной
системе отсчета не всегда одновременны в другой инерциальной системе
отсчета.

13. Следствия преобразований лоренца

СЛЕДСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ
ЛОРЕНЦА
Сокращение длины
Пусть в системе К' находится стержень.
Стержень
неподвижен
относительно
данной системы отсчета, а К' движется со
скоростью u относительно К. Стержень
параллелен оси х'. Измерим длину
стержня в системе K таким образом, что
измерению соответствует промежуток
времени t2 - t1 = 0. Значит измерение
осуществляется в момент t2 = t1 = t.
Полученные в эксперименте координаты
краев стержня равны x1 и x2 относительно
К. Тогда длина стержня в системе К
равна l = x2 – x1. Найдем длину стержня в
системе отсчета K':
l =x2 x1
l
1 u c
2
.

14. Следствия преобразований лоренца

СЛЕДСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ
ЛОРЕНЦА
Сокращение длины
Учитывая, что длина стержня в
системе отсчета, относительно которой он
покоится, называется собственной и
обозначается l0, последнее выражение
записывается в виде
l=l0 1 u c .
2
Т.о., размеры тела в направлении движения сокращаются. В то
же время поперечные размеры (перпендикулярно направлению
движения) остаются неизменными.

15. Следствия преобразований лоренца

СЛЕДСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ
ЛОРЕНЦА
Длительность события
Пусть в системе К' в точке x'
происходит некоторое событие. Событию
соответствует интервал времени t'= t2' t1'. Найдем длительность события в
системе отсчета K:
t
t = t 2 t 1
.
2
1 u c
Интервал времени t' называется собственным временем события
(измерено в той системе отсчета, в которой событие происходит). Как
правило данное время обозначают t0. С учетом этого длительность
события t в системе К рассчитывается по формуле:
t =
t0
1 u c
2
.
Т.о., длительность события минимальна в той системе отсчета, в
которой событие происходит. И сокращение размеров тела и увеличение
длительности события есть кинематические эффекты, являются
проявлениями фундаментальных свойств пространства и времени.

16. Элементы релятивистской динамики

ЭЛЕМЕНТЫ
ДИНАМИКИ
РЕЛЯТИВИСТСКОЙ
Экспериментальное
изучение
удельного заряда электрона e/m (Бухерер,
Кауфман) привело к открытию зависимости
массы электрона от скорости. Данная
зависимость имеет вид
m=
m0
1 u c
2
,
где m0 – масса электрона в системе отсчета, относительно которой он
покоится; m – масса электрона в системе отсчета, относительно которой
электрон движется со скоростью u. Как было доказано в СТО, данное
соотношение справедливо не только для электронов, но и для любых
других тел.

17. Элементы релятивистской динамики

ЭЛЕМЕНТЫ
ДИНАМИКИ
РЕЛЯТИВИСТСКОЙ
Учитывая зависимость массы тела от скорости, релятивистский импульс
тела равен
p=mu =
m0 u
1 u c
2
.
Отсюда можно получить основное уравнение релятивистской динамики
d m0 u
F
dt 1 u c 2
.

18. Энергия в релятивистской механике

ЭНЕРГИЯ
МЕХАНИКЕ
В
РЕЛЯТИВИСТСКОЙ
Используем основное уравнение релятивистской динамики для
получения релятивистского выражения энергии тела. Умножим данное
выражение на u dt:
d m0 u
F u dt
dt 1 u c 2
u dt .
Выражение F u dt
равно dA - элементарной работе, совершаемой на
телом за время dt. Как известно, работа совершаемая над телом равна
приращению энергии тела:
dA dE .
Значит
m0 u
dE u d
1 u c 2
.

19. Энергия в релятивистской механике

ЭНЕРГИЯ
МЕХАНИКЕ
В
РЕЛЯТИВИСТСКОЙ
Энергия тела получается интегрированием данного выражения, что приводит к
E
m0 c 2
1 u c
2
m c2 .
Зная полную энергию тела и его энергию покоя несложно получить
релятивистское выражение кинетической энергии тела
1
E K E E 0 m0 c
1 .
1 u c 2
2
Используя выражения для релятивистского импульса и полной энергии
тела получают взаимосвязь полной энергии и релятивистского импульса
тела
E c p 2 m02 c 2 .
English     Русский Rules