Средняя школа №6
Реферат по физике
на тему:
Принцип
относительности
Эйнштейна
ученика 11 класса «М»
Клина Романа
Химки — 1998 г.
Содержание
Биография Альберта Эйнштейна 3
Относительность одновременности событий 4
Преобразования Лоренца 5
Зависимость массы тела от скорости      5
Закон взаимосвязи массы и энергии 7
Значение теории относительности   8
Список использованной литературы: 9
                        Биография Альберта Эйнштейна
                                 (1879-1955)
      Выдающийся физик, создатель теории относительности, один из создателей
квантовой теории и статистической физики.
      Родился в Германии, в городе Ульме. С 14 лет вместе  с  семьей  жил  в
Швейцарии, где в 1900 г. окончил Цюрихский  политехникум.  В  1902-1909  гг.
служил экспертом патентного  бюро  в  Берне.  В  эти  годы  Эйнштейн  создал
специальную теорию относительности, выполнил исследования по  статистической
физике, броуновскому движению,  теории  излучения  и  др.  Работы  Эйнштейна
получили известность, и в 1909  г.  он  был  избран  профессором  Цюрихского
университета, а затем — Немецкого университета в Праге. В 1914  г.  Эйнштейн
был приглашен преподавать в Берлинский университет. В период своей  жизни  в
Берлине он завершил создание общей теории относительности, развил  квантовую
теорию излучения.  За  открытие  законов  фотоэффекта  и  работы  в  области
теоретической физики Эйнштейн получил в 1921 г. Нобелевскую премию.  В  1933
г. после прихода к власти в Германии фашистов Эйнштейн эмигрировал в США,  в
Принстон, где он до конца жизни работал в Институте высших исследований.
      В 1905 г.  была  опубликована  специальная  теория  относительности  —
механика  и  электродинамика  тел,  движущихся  со  скоростями,  близкими  к
скорости света.
      Тогда же Эйнштейн открыл закон взаимосвязи массы  и  энергии  (Е=mc2),
который лежит в основе всей ядерной энергетики.
      Ученый внес большой вклад в развитие квантовой теории. В его теории
фотоэффекта свет рассматривается как поток квантов (фотонов). Существование
фотонов было подтверждено в 1923 г. в экспериментах американского физика А.
Комптона. Эйнштейн установил основной закон фотохимии (закон Эйнштейна), по
которому каждый поглощенный квант света вызывает одну элементарную
фотохимическую реакцию. В 1916 г. он теоретически предсказал явление
индуцированного (вынужденного) излучения атомов, лежащее в основе квантовой
электроники.
      Вершиной научного творчества Эйнштейна стала общая теория
относительности, завершенная им к 1916 г. Идеи Эйнштейна изменили
господствовавшие в физике со времен Ньютона механистические взгляды на
пространство, время и тяготение и привели к новой материалистической
картине мира.
      Ученый работал и над созданием единой теории поля, объединяющей
гравитационные и электромагнитные взаимодействия. Научные труды Эйнштейна
сыграли большую роль в развитии современной физики — квантовой
электродинамики, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц,
космологии, астрофизики.
      А. Эйнштейн был членом многих академий мира и научных обществ. В 1926
г. его избрали почетным членом Академии наук СССР.
                   Относительность одновременности событий
      В механике Ньютона одновременность двух событий абсолютна и не зависит
от системы отсчёта. Это значит, что если два события происходят в системе  K
в моменты времени t и t1, а в системе K’ соответственно  в  моменты  времени
t’ и t’1 , то поскольку  t=t’,  промежуток  времени  между  двумя  событиями
одинаков в обеих системах отсчёта
                                    [pic]
      В   отличие   от   классической   механики,   в   специальной   теории
относительности одновременность двух событий, происходящих в  разных  точках
пространства, относительна:  события,  одновременные  в  одной  инерциальной
системе  отсчёта,  не  одновременны  в  других   инерциальных   системах[1],
движущихся относительно первой. На  рисунке  (см.  ниже)  расположена  схема
эксперимента, который это иллюстрирует. Система отсчета K связана с  Землёй,
система K’  —  с  вагоном,  движущимся  относительно  Земли  прямолинейно  и
равномерно со скоростью v. На Земле и в вагоне отмечены  точки  А,  М,  В  и
соответственно А’, M’ и В’,  причем  АМ=МВ  и  А’M’=M’B’.  В  момент,  когда
указанные точки совпадают, в точках А и В происходят события —  ударяют  две
молнии. В системе К сигналы от обоих вспышек придут в точку М  одновременно,
так как АМ=МВ, и скорость света одинакова во всех  направлениях.  В  системе
К’, связанной с вагоном, сигнал из точки В’ придет в точку  M’  раньше,  чем
из точки А’, ибо скорость  света  одинакова  во  всех  направлениях,  но  М’
движется навстречу сигналу пущенному из точки B’  и  удаляется  от  сигнала,
пущенного из точки А’. Значит, события в точках А’  и  B’  не  одновременны:
события в точке B’ произошло раньше, чем в точке A’. Если бы вагон  двигался
в обратном направлении, то получился бы обратный результат.
[pic]
      Понятие   одновременности    пространственно    разделенных    событий
относительно. Из постулатов теории относительности и существования  конечной
скорости  распространения  сигналов  следует,  что  в  разных   инерциальных
системах отсчёта время протекает по-разному.
                           Преобразования Лоренца
      В соответствии с двумя постулатами специальной теории  относительности
между  координатами  и  временем  в  двух  инерциальных  системах  К  и   К'
существуют отношения, которые называются преобразованиями Лоренца.
      В простейшем  случае, когда система К’ движется относительно системы К
со скоростью v так,  как  показано  на  рисунке  (см  ниже),  преобразования
Лоренца для координат и времени имеют следующий вид:
      [pic],       [pic],    [pic],        [pic],
            [pic],        [pic],   [pic],        [pic].
      Из   преобразований    Лоренца    вытекает    тесная    связь    между
пространственными и временными координатами  в  теории  относительности;  не
только пространственные координаты зависят от времени  (как  в  кинематике),
но и время в обеих системах отсчёта зависит от  пространственных  координат,
а также от скорости [pic] движения системы отсчёта K’.
      Формулы преобразований  Лоренца переходят  в  формулы  кинематики  при
v/c<<1. В этом случае
          [pic],           [pic],    [pic],     [pic],
                   [pic],            [pic],   [pic],     [pic].
Переход формул теории относительности в формулы кинематики при условии v/c
<<1  является проверкой справедливости этих формул.
                     Зависимость массы тела от скорости
      Зависимость свойств пространства  и времени от движения системы
отсчета приводит к тому, что сохраняющейся при любых взаимодействиях  тел
является величина
                                   [pic],
называемая релятивистским импульсом, а не классический импульс.
      Классический закон сложения скоростей и классический закон сохранения
импульса являются частными случаями универсальных релятивистских законов и
выполняются только при значениях скоростей, значительно меньших скорости
света в вакууме.
Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение
релятивистской массы т тела на скорость его движения. Релятивистская масса
т тела возрастает с увеличением скорости по закону
                                   [pic],
 где [pic] — масса покоя тела, [pic] — скорость его движения.
      Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к тому, что ни
одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может достигнуть скорости,
равной скорости света в вакууме, или превысить эту скорость. Скорость
[pic], большая [pic], приводит для обычных частиц к мнимой массе и мнимому
импульсу, что физически бессмысленно. Зависимость массы от скорости
начинает сказываться лишь при скоростях, весьма близких к [pic](См рисунок
№2). Приведённые в этом пункте формулы неприменимы к фотону, так как у него
отсутствует масса покоя ([pic]). Фотон всегда движется со скоростью, равной
скорости света в вакууме, и является ультрарелятивистской частицей. Тем не
менее, отсюда не следует постоянство скорости света во всех веществах.
      При [pic] выражение для импульса переходит в то, которое используется
в механике Ньютона [pic], где под [pic] понимается масса покоя ([pic]), ибо
при [pic] различие [pic]и [pic]несущественно.
                                    [pic]
                                 Рисунок №2
                      Закон взаимосвязи массы и энергии
      Полная энергия Е тела  (или  частицы)  пропорциональна  релятивистской
 массе [pic](закон взаимосвязи массы и энергии):
                                   [pic],
 где с — скорость света в вакууме. Релятивистская масса зависит от  скорости
 [pic], с которой тело (частица) движется в данной системе отсчета.  Поэтому
 полная энергия различна в разных системах отсчета[2].
       Наименьшей энергией [pic]тело (частица) обладает в  системе  отсчета,
 относительно  которой  оно  покоится  ([pic]).  Энергия  [pic]   называется
 собственной энергией или энергией покоя тела (частицы):
                                   [pic].
      Энергия покоя тела является его внутренней  энергией  Она  состоит  из
суммы энергий покоя  всех  частиц  тела  [pic],  кинетической  энергии  всех
частиц  относительно  общего  центра  масс  и   потенциальной   энергии   их
взаимодействия. Поэтому
                       [pic]         и          [pic]
где [pic]— масса покоя [pic]- й частицы.
      В релятивистской механике несправедлив закон сохранения массы  покоя.
Например, масса покоя [pic] атомного ядра  меньше,  чем  сумма  собственных
масс частиц, входящих в ядро. Наоборот масса [pic]покоя частицы,  способной
к  самопроизвольному  распаду,  больше  суммы  собственных  масс  продуктов
распада [pic] и [pic]:
                                   [pic].
      Несохранение массы покоя  не  означает  нарушения  закона  сохранения
массы  вообще.  В  теории  относительности  справедлив   закон   сохранения
релятивистской массы. Он вытекает из формулы  закона  взаимосвязи  массы  и
энергии [pic]. В изолированной  системе  тел  сохраняется  полная  энергия.
Следовательно, сохраняется и релятивистская масса. В теории относительности
законы  сохранения  энергии  и   релятивистской   массы   взаимосвязаны   и
представляют собой единый закон сохранения массы и энергии. Однако из этого
закона
отнюдь не следует возможность преобразования массы  в  энергию  и  обратно.
Масса и энергия  представляют  собой  два  качественно  различных  свойства
материи, отнюдь не «эквивалентных» друг другу. Ни один из известных опытных
фактов  не  дает  оснований  для  вывода  о  «переходе  массы  в  энергию».
Превращение  энергии  системы  из  одной  формы  в  другую   сопровождается
превращением  массы.  Например,  в  явлении  рождения  и  уничтожения  пары
электрон  —  позитрон,  в  полном   соответствии   с   законом   сохранения
релятивистской массы и энергии, масса не переходит в энергию.  Масса  покоя
частиц (электрона и
позитрона) преобразуется в массу фотонов, то есть в массу электромагнитного
поля.
       Гипотеза  Эйнштейна  о  существовании   собственной   энергии   тела
подтверждается  многочисленными  экспериментами.  На  основе  использования
закона взаимосвязи  массы  и  энергии  ведутся  расчеты  выхода  энергии  в
различных ядерных энергетических установках.
Значение теории относительности
Сорок — пятьдесят лет назад можно было наблюдать очень большой интерес к
теории относительности со стороны широких кругов несмотря на то, что тогда
в книгах и статьях по теории относительности речь шла об очень далеких от
повседневного опыта и очень абстрактных вещах. Широкие круги проявили
удивительное чутье, они чувствовали, что теория, с такой смелостью
посягнувшая на основные представления о пространстве и времени, не может не
привести при своем развитии и применении к очень глубоким и широким
производственно — техническим и культурным последствиям. Это предчувствие
не обмануло людей. Воплощением нового релятивистского учения об энергии, а
следовательно, и всей теории относительности в целом является атомная эра,
которая расширяет власть человека над природой больше, чем это сделали
предшествующие научные и технические революции.
Атомная эра будет эрой дальнейших коренных преобразований физической
картины мира. Сейчас нельзя предвидеть, каким образом изменятся
представления о пространстве, времени, движении, элементарных частицах и их
взаимодействиях. Можно указать только на некоторые проблемы современной
физики, которые, видимо, будут решены лишь при переходе к новой физической
картине мира.
Теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала законченной
теорией движения макроскопических тел. Её применение в теории элементарных
частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может,
свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относительности.
Развитие атомной и особенно ядерной физики — блестящий триумф теории
Эйнштейна — указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и
обобщение этой теории.
Теория относительности ждет дальнейшего развития и обобщения и в другом
направлении, помимо картины движений, взаимодействий и трансмутаций
элементарных частиц в областях порядка 10-13 см, Она все в большей степени
становится теорией, описывающей строение космических областей, по сравнению
с которыми исчезающе малы расстояния между звездами и даже расстояния между
галактиками.
Список использованной литературы:
О.Ф. Кабардин «Физика. Справочные материалы»
Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнёв «Справочное руководство по физике»
Б.Г. Кузнецов  «Беседы о теории относительности»
————————
[1] Системы отсчёта, в которых справедлив закон инерции (первый закон
Ньютона) называют инерциальными системами отсчёта
[2] Тело (или частица) не находится в силовом поле