Альберт Эйнштейн и специальная теория относительности

1.

СОГБОУИ «Лицей имени Кирилла и Мефодия»
АЛЬБЕРТ
ЭЙНШТЕЙН
И
СПЕЦИАЛЬНАЯ
ТЕОРИЯ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Физика 11 класс
Автор – составитель:
Филиппова Н.В.,
учитель физики
г. Смоленск

2.

Краткая биография Альберта Эйнштейна
Альберт Эйнштейн
(14.03.1879-18.04.1955)
- выдающийся физиктеоретик, один из
создателей современной
физики.

3.

Альберт Эйнштейн родился 14
марта 1879 года в южногерманском городе Ульме, в
небогатой еврейской семье.
Летом 1880 года семья
переселилась в Мюнхен.

4.

Начальное образование Альберт
Эйнштейн получил в местной
католической школе. Около 12 лет
пережил состояние глубокой
религиозности, однако вскоре чтение
научно-популярных книг сделало его
вольнодумцем и навсегда породило
скептическое отношение к авторитетам.
По инициативе матери он с шести лет
начал заниматься игрой на скрипке.
Увлечение музыкой сохранялось у
Эйнштейна на протяжении всей жизни.
Уже находясь в США в Принстоне, в 1934
году Альберт Эйнштейн дал
благотворительный концерт, где исполнял
на скрипке произведения Моцарта в
пользу эмигрировавших из нацистской
Германии учёных и деятелей культуры.

5.

6 января 1903 г. Эйнштейн женился на
27-летней Милеве Марич.
Четырнадцати лет переехал в
Швейцарию. В сентябре 1896
года он успешно сдал все
выпускные экзамены в школе, за
исключением экзамена по
французскому языку, и получил
аттестат, а в октябре 1896 года
был принят в Политехникум на
педагогический факультет. Здесь
он подружился с однокурсником,
математиком Марселем
Гроссманом. В этом же году
Эйнштейн отказался от
германского гражданства.

6.

В 1900 году Эйнштейн закончил
Политехникум, получив диплом
преподавателя математики и
физики. Экзамены он сдал
успешно, но не блестяще.
Многие профессора высоко
оценивали способности студента
Эйнштейна, но никто не захотел
помочь ему продолжить научную
карьеру.
Хотя в следующем, 1901 году, Эйнштейн получил гражданство Швейцарии, но
вплоть до весны 1902 года не мог найти постоянное место работы — даже
школьным учителем. Вследствие отсутствия заработка он буквально голодал,
не принимая пищу несколько дней подряд. Это стало причиной болезни
печени, от которой учёный страдал до конца жизни.
Несмотря на лишения, преследовавшие его в 1900—1902 гг., Эйнштейн
находил время для дальнейшего изучения физики. Преодолеть трудности
помог бывший однокурсник Марсель Гроссман, рекомендовавший Эйнштейна
на должность эксперта III класса в Федеральное Бюро патентования
изобретений (Берн) с окладом 3 500 франков в год (в годы студенчества он жил
на 100 франков в месяц

7.

Только те, кто предпринимают
абсурдные попытки, смогут
достичь невозможного.
(А. Эйнштейн)
• 1902-1908 годах работал
экспертом в патентном бюро в
Берне. 1909-1913 годах профессор Цюрихского
политехникума.
• 1914-1933 годах - профессор
Берлинского университета и
директор Института физики.
• После установления власти
фашистов подвергся
преследованиям и был
вынужден покинуть Германию.
В 1933 году переехал в США,
где до конца жизни работал в
Принстонском институте
перспективных исследований.

8.

Эйнштейн получает сертификат
об американском гражданстве
(1940)
Дом Эйнштейна в Принстоне
• В августе 1939 года Эйнштейн подписался под
письмом на имя президента США Франклина
Делано Рузвельта. Письмо обращало внимание
президента на то, что нацистская Германия,
возможно, обзаведётся атомной бомбой. После
нескольких месяцев размышлений Рузвельт
открыл собственный проект по созданию
атомного оружия. Сам Эйнштейн в этих
работах участия не принимал. Позже он
сожалел о подписанном им письме, понимая,
что для нового руководителя США Гарри
Трумэна ядерная энергия служит инструментом
устрашения. Широкую известность получили
его афоризмы: «Мы выиграли войну, но не
мир»; «Если третья мировая война будет
вестись атомными бомбами, то четвёртая —
камнями и палками».
• Альберт Эйнштейн умер 18 апреля 1955 г. в
Принстоне от аневризмы аорты. Его прах был
сожжен в крематории Юинг-Симтери, а пепел
развеян по ветру.

9.

Научное наследие
Альберта Эйнштейна

10.

1905 год вошёл в историю физики как «Год чудес» .
В этом году «Анналы физики» — ведущий физический журнал
Германии — опубликовал три выдающиеся статьи Эйнштейна,
положившие начало новой научной революции:
1.«К электродинамике движущихся тел». С этой статьи
начинается теория относительности.
2.«Об одной эвристической точке зрения, касающейся
возникновения и превращения света». Одна из работ,
заложивших фундамент квантовой теории.
3.«О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц,
требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» —
работа, посвящённая броуновскому движению и существенно
продвинувшая статистическую физику.

11.

Специальная теория относительности СТО
Дом Эйнштейна в Берне, где родилась
теория относительности.
В 1915 г. завершил создание общей
теории относительности или
современной релятивистской теории
тяготения, установил связь между
пространством, временем и материей.
Вывел уравнение, описывающее поле
тяготения
В начале XX века существовали две
несовместимые кинематики: классическая,
с преобразованиями Галилея, и
электромагнитная, с преобразованиями
Лоренца.
Эйнштейн, размышляя на эти темы в
значительной степени независимо,
предположил, что первая есть
приближённый случай второй для малых
скоростей. В статье «К электродинамике
движущихся тел» он предложил два
постулата: всеобщий принцип
относительности и постоянство скорости
света; из них без труда выводятся формулы
преобразования Лоренца, относительность
одновременности, ненужность эфира,
новая формула сложения скоростей, и т. д.
В другой его статье, которая вышла в конце
года, появилась и формула E = mc2,
определяющая связь массы и энергии.

12.

• Часть учёных сразу приняли эту теорию, которая позднее получила
название «специальная теория относительности» (СТО); Планк (1906) и
сам Эйнштейн (1907) построили релятивистскую динамику и
термодинамику. Бывший учитель Эйнштейна, Минковский, в 1907 году
представил математическую модель кинематики теории относительности
в виде геометрии четырёхмерного неевклидова мира и разработал теорию
инвариантов этого мира (первые результаты в этом направлении
опубликовал Пуанкаре в 1905 году).
• Однако немало учёных сочли «новую физику» чересчур революционной.
Многие видные физики остались верными классической механике и
концепции эфира, среди них Лоренц, Дж. Дж. Томсон, Ленард, Лодж. При
этом некоторые из них (например, сам Лоренц) не отвергали результатов
СТО, считая пространственно-временную концепцию ЭйнштейнаМинковского как на чисто математический приём.
• Решающим аргументом в пользу истинности СТО стали опыты по
проверке Общей теории относительности. Со временем постепенно
накапливались и опытные подтверждения самой СТО. На ней основаны
квантовая теория поля, теория ускорителей, она учитывается при
проектировании и работе спутниковых систем навигации и т. д.

13.

Броуновское движение
Эйнштейн, на основе молекулярной теории, разработал
статистико-математическую модель броуновского движения,
модель позволяла, с хорошей точностью оценить размер молекул и
их количество в единице объёма. Свои работы по статистической
механике, под названием «Новое определение размеров молекул»,
Эйнштейн представил в Политехникум в качестве диссертации и в
том же 1905 году получил звание доктора философии (эквивалент
кандидата естественных наук) по физике. В следующем году
Эйнштейн развил свою теорию в новой статье «К теории
броуновского движения», и в дальнейшем неоднократно
возвращался к этой теме.
Вскоре (1908) измерения Перрена полностью подтвердили
адекватность модели Эйнштейна, что стало первым
экспериментальным доказательством молекулярно-кинетической
теории, подвергавшейся в те годы активным атакам со стороны
позитивистов.

14.

Квантовая теория
А. Эйнштейн и М. Планк
Для разрешения проблемы, вошедшей в историю под
названием «Ультрафиолетовой катастрофы», и
соответствующего согласования теории с
экспериментом Макс Планк предположил (1900), что
поглощение света веществом происходит дискретно
(неделимыми порциями), и энергия поглощаемой
порции зависит от частоты света. Эйнштейн выдвинул
тезис, что не только процесс поглощения, но и само
электромагнитное излучение дискретно; позднее эти
порции (кванты) получили название фотонов. Этот
тезис позволил ему создать теорию фотоэффекта,
которая с высокой точностью соответствовала
опытным данным, что позднее подтвердили
эксперименты Милликена (1916).
Первоначально эти взгляды встретили непонимание
большинства физиков, даже Планка Эйнштейну
пришлось убеждать в реальности квантов.
Постепенно накопились опытные данные, убедившие
скептиков в дискретности электромагнитной энергии.
Последнюю точку в споре поставил эффект Комптона
(1923).

15.

Эйнштейн и Нильс Бор
Помимо теоретических исследований,
Эйнштейну принадлежат и несколько
изобретений, в том числе:
измеритель очень малых напряжений
(совместно с Конрадом Габихтом);
устройство, автоматически определяющее
время экспозиции при фотосъёмке;
оригинальный слуховой аппарат;
бесшумный холодильник (совместно с
Силардом).
гирокомпас.
Примерно до 1926 года Эйнштейн работал в
очень многих областях физики, от
космологических моделей до исследования
причин речных извилин. Далее он, за редким
исключением, сосредотачивает усилия на
квантовых проблемах и Единой теории поля.

16.

Человеческие качества
Идеалами, освещавшими мой
путь и сообщавшими мне
смелость и мужество, были
добро, красота и истина.
(А. Эйнштейн)
Близкие описывают Эйнштейна как человека
общительного, дружелюбного, жизнерадостного,
остроумного, с превосходным чувством юмора,
отмечают его доброту, готовность помочь в любую
минуту, покоряющее человеческое обаяние.
Эйнштейн страстно любил музыку, особенно
сочинения XVIII века. В разные годы среди
предпочитаемых им композиторов были Бах,
Моцарт, Шуман, Гайдн и Шуберт, а в последние
годы — Брамс. Из художественной литературы с
восхищением отзывался о прозе Льва Толстого,
Достоевского, Диккенса, пьесах Брехта. Увлекался
также филателией, садоводством, плаванием на яхте
.В частной жизни был неприхотлив, в конце жизни
неизменно появлялся в любимом тёплом свитере.
Несмотря на свой колоссальный научный авторитет,
он не страдал излишним самомнением, охотно
допускал, что может ошибаться, и если это
случалось, публично признавал своё заблуждение.
Несправедливость, угнетение, ложь всегда вызывали
его гневную реакцию.

17.

Признание
С тех пор, как за теорию
относительности принялись
математики, я ее уже сам
больше не понимаю.
(А. Эйнштейн)
В архивах Нобелевского комитета
сохранилось около 60 номинаций Эйнштейна
в связи с формулировкой теории
относительности; его кандидатура неизменно
выдвигалась ежегодно с 1910 по 1922 годы
(кроме 1911-го и 1915-го). Однако премия
была присуждена только в 1922 году — за
теорию фотоэлектрического эффекта,
которая представлялась членам Нобелевского
комитета более бесспорным вкладом в науку.
В результате этой номинации Эйнштейн
получил (ранее отложенную) премию за 1921
год одновременно с Нильсом Бором, который
был удостоен премии 1922 года.
Эйнштейну были присвоены почётные
докторские степени от многочисленных
университетов, в том числе: Женевы, Цюриха,
Ростока, Мадрида, Брюсселя, Буэнос-Айреса,
Лондона, Оксфорда, Кембриджа, Глазго,
Лидса, Манчестера, Гарварда, Принстона,
Нью-Йорка (Олбени), Сорбонны.

18.

Некоторые другие награды:
звание почётного гражданина Нью-Йорка (1921) и Тель-Авива (1923);
медаль Маттеуччи (1921);
немецкий орден «За заслуги» (1923, в 1933 году Эйнштейн отказался от этого ордена);
медаль Копли (1925), «за теорию относительности и вклад в квантовую теорию»;
золотая медаль Королевского астрономического общества Великобритании (1926);
медаль имени Макса Планка (1929), Германское физическое общество (Deutsche Physikalische
Gesellschaft);
приз Жюля Жансана (1931), Французское астрономическое общество (Société astronomique de France);
медаль Франклина (Benjamin Franklin Medal, 1935), Franklin Institute, Philadelphia.
Посмертно Альберт Эйнштейн тоже был отмечен рядом отличий:
1992: он был назван номером 10 в подготовленном Майклом Хартом списке самых влиятельных
личностей в истории.
1999: журнал «Тайм» назвал Эйнштейна «Личностью века».
1999: опрос Гэллапа дал Эйнштейну номер 4 в списке самых почитаемых в XX веке людей.
2005 год был объявлен ЮНЕСКО годом физики по случаю столетия «года чудес», увенчавшегося
открытием специальной теории относительности.
В столице США установлен памятник Эйнштейну работы Роберта Беркса (1979).[86]
Некоторые памятные места, связанные с Эйнштейном:
Берн, улица Крамгассе (Kramgasse), дом 49, проживал с 1903 по 1905 годы. Сейчас в нём
располагается «Дом-музей Альберта Эйнштейна».
Цюрих, Муссонштрассе, дом 12, проживал с 1909 по 1911 годы.
Цюрих, Гофштрассе, дом 116, проживал с 1912 по 1914 годы.
Берлин, Виттельсбахерштрассе, дом 13, проживал с 1914 по 1918 годы (этот берлинский дом, как и
следующий, был разрушен в ходе военных действий 1945 года).
Берлин, Габерландштрассе, дом 5, проживал с 1918 по 1933 годы.
Принстон, Мерсер-стрит, дом 112, проживал с 1933 по 1955 годы.

19.

Чарльз Перси Сноу об Эйнштейне:
Никакая цель не высока
настолько, чтобы оправдывала
недостойные средства для ее
достижения.
(А. Эйнштейн)
Если бы не существовало Эйнштейна,
физика XX века была бы иной. Этого
нельзя сказать ни об одном другом
учёном… Он занял в общественной жизни
такое положение, какое вряд ли займёт в
будущем другой учёный. Никто,
собственно, не знает, почему, но он вошёл в
общественное сознание всего мира, став
живым символом науки и властителем дум
двадцатого века.
Он говорил: «Забота о человеке и его
судьбе должна быть основной целью в
науке. Никогда не забывайте об этом
среди ваших чертежей и уравнений».
Позднее он также сказал: «Ценна только та
жизнь, которая прожита для людей»…
Эйнштейн был самым благородным
человеком, какого мы когда-либо
встречали.

20.

Главный вклад Эйнштейна
• Состоит в
радикальном
изменении
основополагающих
фундаментальных
представлений о
пространстве,
времени, веществе
и движении.

21.

Согласно классическим представлениям о пространстве
и времени, считавшимся на протяжении веков
незыблемыми,
движение не оказывает никакого влияния на течение
времени (время абсолютно), а линейные размеры любого
тела не зависят от того, покоится ли тело или движется
(длина абсолютна).
Специальная теория относительности Эйнштейна – это
новое учение о пространстве и времени, пришедшее на
смену старым (классическим) представлениям.
Теория относительности – это физическая теория,
описывающая свойства пространства и времени,
а также
закономерности относительного движения тел,
обусловленных этими свойствами.

22.

СТО базируется на двух постулатах
• Постулат – это утверждение, лежащее в
основе какой-либо теории.

23.

Первый постулат теории
относительности
• Все законы природы одинаковы в инерциальных
системах отсчета.
• Является обобщением классического принципа
относительности Галилея на все законы природы.
• Означает, что все инерциальные системы отсчета
(ИСО) эквивалентны (равноправны)

24.

Второй постулат теории
относительности
• Скорость света в вакууме одинакова во всех
инерциальных системах отсчета.
• Это означает, что скорость света в вакууме не
зависит от скорости движения источника или
скорости приёмника света.
• Постоянство скорости света – фундаментальное
свойство природы.
• Материальные тела не могут иметь скорость
большую, чем скорость света.
• Данный постулат СТО согласуется с результатами
опыта Майкельсона – Морли.

25.

Основные выводы из специальной
теории относительности Эйнштейна
(1905 г.)
1. Сокращение продольных размеров
(при движении с релятивистской скоростью)
2. Замедление времени
(при движении с релятивистской скоростью)
3. Запрет скоростей, больших скорости света
4. Увеличение массы
(при движении с релятивистской скоростью)

26.

1. В системе отсчёта, движущейся равномерно
и прямолинейно относительно наблюдателя, происходит
сокращение длины вдоль направления движения

27.

2. В системе отсчёта, движущейся равномерно и
прямолинейно относительно наблюдателя, время движется
медленнее
Y
Y’
O
Z
Z’
Y
v
X
O’
Y’
X’
X
O
Z
O’
Z’
v
X’

28.

3. Движение со скоростью, превышающей
скорость света, невозможно. (1)
V1 = С/2
V2 = С/2
VСБЛИЖЕНИЯ РАКЕТ < V1 + V2

29.

3. Движение со скоростью, превышающей скорость света,
невозможно. (2)
VСВЕТА = С
V1 = С/2
VСВЕТА = С
V2 = С/2
VСБЛИЖЕНИЯ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ = С, а не С+С
29

30.

v1 v
u
v1v
1 2
c
Релятивистский
импульс
E mc2
Релятивистский закон
сложения скоростей
p mv
m
m
v2
1 2
c
p
m0c 2
v2
1 2
c
Закон взаимосвязи
массы и энергии
m0v
v2
1 2
c
Ft

31.

Значение СТО
• СТО составляет фундамент многих современных
разделов физики, в которых описывается движения
и состояния объектов в пространстве и времени
(электродинамика, квантовая электродинамика,
ядерная физика, физика элементарных частиц).
• Важным релятивистским объектом является
электромагнитное поле;
• С большой точностью измерена скорость света (для
красного лазерного света получено с=299 792 462
+- 18 м/с
• СТО определяется как физическая теория
пространства и времени в частном случае
инерциальных систем отсчета.

32.

Посмотри – это интересно!
Фильм из серии "Великие ученые с доктором Алланом
Чапманом".
Этот увлекательный документальный сериал о жизни
самых выдающихся ученых всех времен. Смотрите рассказ
об Альберте Эйнштейне на сайте. http://sergpanov.my1.ru/index/albert_ehjnshtejn/0-10
Великие открытия, изобретения 19 - 20 века
20 марта 2010 Фильм из серии "Великие ученые с
доктором Алланом Чапманом". Этот увлекательный
документальный сериал о жизни самых выдающихся
ученых всех времен. Смотрите рассказ об Альберте
Эйнштейне. http://gopora.ucoz.ru/publ/