Постулаты и следствия специальной теории относительности

Постулаты СТО. Следствия, вытекающие из постулатов СТО

Возникновение СТО

• Теория относительности представляет собой систему современных взглядов на пространство и время.

• 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, покоиться ли тело или движется ( длина абсолютна ).

• Развитие электродинамики привело к пересмотру представлений о пространстве и времени.

• Сегодняшний урок посвящен специальной теории относительности Эйнштейна. СТО – новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

Возникновение СТО

СТО появилась в результате возникшего противоречия между электродинамикой Максвелла и механикой Ньютона.

• В середине XIX в. была создана теория электромагнитных явлений (теория Максвелла). Оказалось, что уравнения Максвелла изменяют свой вид при галилеевых преобразованиях перехода от одной ИСО к другой. Перед учеными встала проблема согласования теории электромагнетизма и механики.

• Задача была трудной, т.к. законы классической механики прекрасно подтверждались в обширной области явлений (от статики до небесной механики), замечательно служили практике, и изменять это казалось абсурдным. Поэтому многие ученые пытались построить теорию электродинамики так, чтобы она соответствовала классической механике.

• Согласно теории Максвелла свет распространяется со скоростью 300000 км/с. Спрашивается, относительно чего свет движется с такой скоростью. Если свет – волна, и если волна распространяется в среде, то свет движется относительно какой то среды. Эта светоносная среда получила название эфира. Интерес к эфиру возрос, когда стало ясно, что созданная Максвеллом теория оказалась успешной и вроде бы свидетельствовала о том, что эфир можно наблюдать.

• В 1881 г. американские ученые А. Майкельсон и Р. Морли ( см. приложение ) с помощью оригинальн о го интерферометра попытались обнаружить движение Земли относительно эфира. Опыт многократно повторяли в течении длительного времени. Результат оказался отрицательным: никакого движения Земли относительно эфира обнаружить не удалось. Различные «эфирные теории» завели физику в тупик.

Возникновение СТО

Альберт Эйнштейн

В 1905 г. А. Эйнштейн, отвергнув гипотезу эфира, предложил специальную (частную) теорию относительности, на основе которой можно совместить механику и электродинамику. В своей работе «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн сформулировал два принципа (постулата) теории относительности.

В 1905 г., когда ему было 26 лет и он трудился чиновником в патентном бюро, им была создана специальная теория относительности. Десять лет спустя он создал общую теорию относительности.

Механика Ньютона

1.Принцип относительности

2.Закон сложения скоростей

Электродинамика Максвелла

с =3·10 8 м / с

противоречие

Постулаты СТО

В основе теории относительности лежат два постулата.

1) Понятие постулата в науке

Постулат в физической теории играет ту же роль, что и аксиома в математике.

Это – основное положение, которое не может быть логически доказано.

В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.

2) Постулаты СТО.

Принцип относительности Эйнштейна : все процессы природы протекают

одинаково во всех ИСО.

Второй постулат (постулат постоянства скорости света) : скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

* Скорость света – максимально возможная скорость распространения любого взаимодействия. Материальные тела не могут иметь скорость большую , чем скорость света с= 3 10 м/с.

Следствия СТО.

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ОДНОВРЕМЕННОСТИ

• События, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, не являются одновременными в другой системе отсчёта, т.е. одновременность событий относительна

• При переходе из одной СО в другую может изменяться последовательность событий во времени, однако последовательность причинно-следственных событий остается неизменной во всех СО: следствие наступает после причины.

• Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов.

٧ =0 ٧

РЕЛЯТИВИСТСКИЙ КОРЕНЬ

РЕЛЯТИВИСТСКИЙ КОРЕНЬ

=1, если  с. Тогда формулы СТО принимают вид формул

классической физики

 1, если   с

Следствия СТО.

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ

Относительность промежутков времени : ход движущихся часов

замедляется.

Время в движущихся системах замедляется

В системе ,движущейся со скоростью близкой к скорости света, время течет в γ медленнее.

При движении замедляются все физические процессы , в том числе и химические реакции в человеческом организме

Парадокс близнецов

Пусть возраст близнецов 20 лет. Близнец А остается на Земле , а В направляется к звезде Арктур ( 40 св.лет) и летит со скоростью υ =0,99 с .

Время путешествия близнеца В в системе отсчета , связанной с близнецом А : t=2L / υ = 80,8 (св.лет)

На космическом корабле часы идут медленнее

γ = = 7, 09

Т.е по часам близнеца В , время его путешествия t’= t / γ = 80,8/ 7,09= 11,4 (св.лет)

20+11,4=31,4 ( возраст близнеца В после возвращения)

20+80,8= 100,8 ( возраст близнеца А к моменту возвращения брата )

∆ t= 69,4 – разность в возрасте

Следствия СТО.

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ РАССТОЯНИЙ

Относительность расстояний (релятивистское сокращение размеров

тела в движущейся СО) : длина движущегося предмета сокращается в

направлении движения.

Линейный размер тела, движущегося относительно

ИСО, уменьшается

ЗАКОН СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ

ЗАКОН СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ

Для движения вдоль одной прямой (оси Х)

٧ 1 – скорость тела в 1-й СО;

٧ 2 – скорость тела во 2-й СО;

٧ – скорость движения 1-й СО относительно 2-й.

• При ٧ 1 , ٧ с получаем ٧ 2 = ٧ 1 + ٧ , т.е. закон сложения скоростей в классической механике.
• Если ٧ = с (т.е. речь идет о распространении света), получаем ٧ 2= с , что соответствует второму постулату СТО.