Урок по теме: Специальная теория относительности

С Т О

Цели урока:

• 1. Обобщить знания учащихся о классическом представлении пространства и времени; об электромагнитной теории Максвелла
• 2.Раскрыть физический и философский смысл постулатов Эйнштейна
• 3.Познакомить учащихся с современными представлениями понятия пространства и времени
• 4. Способствовать выработке диалектико-материалистического мировоззрения

Галилео Галилей(1564-1642гг)

• ВСЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРОТЕКАЮТ ОДИНАКОВО ВО ВСЕХ инерциальных системах отсчета.
• Все ИСО равноправны при описании механических явлений

Исаак Ньютон(1642-1727)

• Основные законы механики
• Закон всемирного тяготения
• Время и пространство абсолютны

Принцип относительности Галилея

Какие из предложенных систем отсчета являются инерциальными?

Что же делать? Как сопоставить законы электродинамики Максвелла с принципами механики Ньютона?

• По Максвеллу: скорость света с=300 тыс. км/с- максимальная скорость в вакууме

• Возникает противоречие

• По Ньютону: скорость автомобиля складывается со скоростью света и скоростью бегущего навстречу человека

Основные предположения

Принцип относительности неприменим к электромагнитным явлениям.

Х. Лоренц

Основные предположения

Уравнения Максвелла несправедливы

Г. Герц

Основные предположения

Принцип относительности и уравнения Максвелла справедливы,

нужно отказаться от классических представлений о пространстве и времени.

А. Эйнштейн

Постулаты СТО

1 ПОСТУЛАТ (принцип относительности) :

все процессы природы протекают одинаково во всех

(Все ИСО физически равноправны.)

2 ПОСТУЛАТ:

скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО.

Она не зависит ни от скорости источника, ни от

скорости приемника светового сигнала

Следствия постулатов СТО

1. Релятивистский закон сложения скоростей

Следствия постулатов СТО

2. Относительность расстояний и размеров

Следствия постулатов СТО

3. Относительность времени

Следствия постулатов СТО

4. Относительность массы

m 0 - масса тела в системе отсчета,

в которой оно движется

m- масса тела относительно

неподвижной системе отсчета

v- скорость движущейся системы

Вернемся к задаче про автомобиль

C=300тыс. Км/с скорость света

V- скорость автомобиля относительно земли

Какова скорость светового сигнала относительно человека, стоящего на земле?

Какова скорость светового сигнала относительно человека, бегущего навстречу машине?

1. Какие из утверждений соответствуют постулатам теории относительности:

1 - все процессы природы протекают одинаково в любой инерц. системе отсчета;

2 - скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета;

3 - все процессы природы относительны и протекают в различных системах отсчета неодинаково?

А . Только 1 Б. Только 2 В. Только 3 Г. 1 и 2 Д. 1 и 3 Е. 2 и 3 Ж. 1, 2 и 3.

2 . Кто раньше увидит загоревшийся зеленым светофор, пешеход, стоящий у обочины или шофер приближающегося автомобиля?

А) пешеход Б) шофер В) одновременно Г) тот, кто ближе к светофору

3. Астронавт взял с собой в полет будильник, который брат- блезнец привез ему из Китая.

Как будут идут часы на корабле относительно хода часов наблюдателя на Земле?

А) медленнее Б) быстрее В) также, как и на Земле 4.Сколько времени пройдет на Земле за то время, что длится наш урок в 45 минут, если бы мы провели его на космолете, имеющем скорость 0,8С?

А) 1ч 15 мин Б) 36 мин В) 24 мин Г) 45 мин.

5. Кто утверждал, что все ИСО равноправны, и во всех ИСО не только механические, но и все другие физические законы имеют одинаковую форму?

А) Г.Галилей; Б) И.Ньютон;

В) А.Эйнштейн. Г) Д. Максвелл

Современная физика

Классическая физика

Энергия покоя: E=mc 2

Энергия движения

p=mV-импульс

"Я довольствуюсь тем, что с изумлением строю догадки об этих тайнах и смиренно пытаюсь мысленно создать далеко не полную картину совершенной структуры всего сущего." А. Эйнштейн.

Подведение итогов

• С какой НОВОЙ теорией мы сегодня познакомились?
• Каковы основные положения этой теории
• Какое значение имеет теория Эйнштена для науки
• Почему специальная теория относительности получила право на существование?

Теория относительности возникла не случайно, а явилась закономерным итогом предшествующего развития физической науки.

Новая теория только тогда имеет право на существование, ели она не отменяет старой, а включает её в себя как частный, предельный случай.

Домашнее задание: §76,§78, упр.11

• 1.Зависит ли одновременность двух событий от системы, связанной с наблюдателем?
• 2. Комета приближается к Земле со скоростью 0,8 с . С какой скоростью будет приближаться к нам свет от этой кометы?
• 3.Какова длина пятиметрового стержня(для земного наблюдателя), движущегося со скоростью 0,9 с ?
• 5.Сколько времени пройдет на Земле за 3дня путешествия на ракете со скоростью 0,7 с?
• 6. Во сколько раз изменится масса частицы при движении со скоростью 0,5 с ?

IV. Подведение итогов

• С какой НОВОЙ теорией мы познакомились?
• Каковы основные положения этой теории
• Какое значение имеет теория Эйнштейна для науки
• Почему специальная теория относительности получила право на существование?
• Теория относительности возникла не случайно, а явилась закономерным итогом предшествующего развития физической науки. Новая теория только тогда имеет право на существование, ели она не отменяет старой, а включает её в себя как частный, предельный случай.

Самостоятельная работа

1.Постулаты теории относительности

2.Чем гениальна СТО, созданная Эйнштейном?

3. Сколько времени пройдет на Земле за то время, пока астронавт летит на космолете, имеющем скорость 0,8С в течение 10лет?

(2 лет)?

4. Автомобиль приближается со скоростью

20м/с (25м/с). Докажи, что свет фар приближается к наблюдателю со скоростью, не превышающей скорость света.

1 из 35

Презентация на тему:

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

Содержание 1.Рождение теории 2.Принцип относительности 3.Преобразования Галилея 4.Преобразования Лоренца 5.Специальная теория относительности 6.Создание СТО 7.Релятивистская теория 8.Постулаты Эйнштейна 9.Сущность СТО 10.Следствия СТО 10.1. «Поезд Эйнштейна» 10.2. «Парадокс близнецов» 11. Элементы релятивистской динамики 12.Общая теория относительности 13.Основные принципы общей теории относительности 12.1. Необходимость релятивистской теории гравитации 12.2. Принцип равенства гравитационной и инертной масс 12.3. Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности 14.Уравнения Эйнштейна 15.Основные следствия ОТО 16.Проблемы ОТО 16.1. Проблема энергии 16.2. ОТО и квантовая физика 17.Опыты подтверждающие общую теорию относительности

№ слайда 3

Описание слайда:

Рождение теории Великий немецкий ученый-физик Альберт Эйнштейн (1879-1955) до 1933 г. жил в Германии, затем в США. Член многих академий наук, почетный член Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии 1921г. Выдающийся вклад Эйнштейна в науку - создание теории относительности. В 1905г. им была опубликована в почти законченном виде специальная, или частичная, теория относительности

№ слайда 4

Описание слайда:

№ слайда 5

Описание слайда:

Принцип относительности Г. Галилеем было установлено, что все механические явления в различных инерциальных системах протекают одинаково, т.е. никакими механическими опытами, проводимыми «внутри» данной инерциальной системы, невозможно установить, покоится данная система или движется прямолинейно и равномерно. Это положение названо принципом относительности Галилея. Принцип относительности Галилея является обобщением многочисленных опытов. По принципу Галилея, все системы отсчета, которые относительно инерциальной движутся равномерно и прямолинейно, также являются инерциальными. Систему, движущуюся ускоренно относительно инерциальной, называют неинерциальной.

№ слайда 6

Описание слайда:

Преобразования Галилея Для тех случаев, когда движение тела необходимо описать в другой системе отсчета, найдём формулы преобразования координат при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Допустим, инерциальная система К´ движется со скоростью v вдоль оси ОХ относительно другой инерциальной системы К. Для простоты предположим, что оси координат систем К и К´ в начальный момент времени t=t´=0 совпадали. Допустим, материальная точка Р покоится относительно системы К. Её положение в системе К характеризуется радиусом-вектором r или координатами x, y, z. Относительно системы К´ эта точка движется и её положение в системе К´ характеризуется радиусом-вектором r´ или координатами x´, y´, z´. Время в обеих инерциальных системах отсчета К и К´ течет одинаково, часы синхронизированы, т.е. t=t´.

№ слайда 7

Описание слайда:

Связь между радиусами-векторами r´ и r одной и той же точки Р в системах К и К´ имеет вид Это соотношение можно записать для каждой из декартовых координат. С учетом того, что t=t´, получим: Эти уравнения называют прямыми преобразованиями Галилея. Если материальная точка Р неподвижна в системе К´, то уравнение её движения в системе К можно записать с помощью обратных преобразований Галилея: r = r´ + vt,

№ слайда 8

Описание слайда:

№ слайда 9

Описание слайда:

Преобразования Галилея исходят из предположения, что синхронизация часов осуществляется с помощью мгновенно распространяющихся сигналов. Однако таких сигналов в действительности не существует. Существование верхней границы для скорости распространения сигналов привело к другим формулам преобразования, позволяющим по координатам и времени произвольного события, найденным в определенной инерциальной системе К, найти координаты того же самого события в любой другой инерциальной системе К´, движущейся относительно К в направлении оси х прямолинейно и равномерно со скоростью v:

№ слайда 10

Описание слайда:

Из преобразований Лоренца вытекает целый ряд следствий. В частности, из них следует релятивистский эффект замедления времени и лоренцево сокращение длины. Пусть, например, в некоторой точке x" системы K" происходит процесс длительностью τ0 = t"2 – t"1 (собственное время), где t"1 и t‘2 – показания часов в K" в начале и конце процесса. Длительность τ этого процесса в системе K будет равна Можно показать, что из преобразований Лоренца вытекает релятивистское сокращение длины.

№ слайда 11

Описание слайда:

При v<<с преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея. Теория относительности не отвергает преобразования Галилея, а включает их как частный случай, справедливый при малых V. Из преобразований Лоренца следует, что скорость V не может быть равна или больше скорости света C, так как подкоренное выражение при V=C обращается в нуль, а при V>C отрицательно и преобразования Лоренца теряют физический смысл

№ слайда 12

Описание слайда:

Специальная теория относительности Специальная теория относительности (СТО), частная теория относительности - теория, заменившая механику Ньютона при описании движения тел со скоростями, близкими к скорости света. При малых скоростях различия между результатами СТО и ньютоновской механикой становятся незначительными.

№ слайда 13

Описание слайда:

Создание СТО Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре и А. Эйнштейна. Вопрос приоритета в создании СТО имеет дискуссионный характер: основные положения и полный математический аппарат теории, включая групповые свойства преобразований Лоренца, в абстрактной форме были впервые сформулированы А. Пуанкаре в работе «О динамике электрона» на основе предшествующих результатов Г. А. Лоренца, а явный абстрактный вывод базиса теории - преобразований Лоренца, из минимума исходных постулатов был дан А. Эйнштейном в практически одновременной работе «К электродинамике движущихся сред». По этому поводу в англоязычной Википедии есть отдельная статья

№ слайда 14

Описание слайда:

В 1905 г. Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел», в которой сформулировал основные положения своей релятивистской теории - специальной теории относительности. Эта теория, считая, что все инерциальные системы координат совершенно равноправны и в отношении механических, и электромагнитных явлений, а скорость света инвариантна во всех инерциальных системах отсчета, разрешала противоречия классической физики тем, что содержала новый взгляд на пространство и время. Эйнштейн в основу специальной теории относительности заложил два постулата: 1. Принцип относительности Эйнштейна. Уравнения, выражающие законы природы инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованию координат и времени от одной инерциальной системы отсчета к другой. 2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника или приемника света. Скорость света в вакууме всегда постоянна и равна 300000 км/с, она является предельной скоростью распространения любого сигнала.

№ слайда 15

Описание слайда:

Постулаты Эйнштейна В основе СТО лежат два постулата, являющиеся обобщением экспериментально установленных закономерностей. В любых инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково (принцип относительности Эйнштейна). Принцип относительности Эйнштейна является обобщением принципа относительности Галилея, который утверждает одинаковость механических явлений во всех инерциальных системах отсчета. 2. Скорость света не зависит от скорости движения источника во всех инерциальных системах отсчёта. Формулировка второго постулата может быть шире: «Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчёта» Экспериментальная проверка постулатов СТО в известной степени затруднена проблемами философского плана: возможностью записи уравнений любой теории в инвариантной форме безотносительно к её физическому содержанию, и сложности интерпретации понятий «длина», «время» и «инерциальная система отсчёта» в условиях релятивистских эффектов.

№ слайда 16

Описание слайда:

Сущность СТО Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта. Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. Специальная теория относительности перестает работать в масштабах всей Вселенной, а также в случаях сильных полей тяготения, где её заменяет более общая теория - общая теория относительности. Специальная теория относительности применима и в микромире, её синтезом с квантовой механикой является квантовая теория поля.

№ слайда 17

Описание слайда:

Следствия СТО К концу XIX в. развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных положений классической механики: скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света; в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности); координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея. Альберт Эйнштейн возникшие противоречия иллюстрировал мысленным экспериментом, который получил название «Поезд Эйнштейна»:

№ слайда 18

Описание слайда:

Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого в направлении движения поезда фонарями на обочине дороги, т.е. движущегося со скоростью с в системе отсчета - железнодорожное полотно, относительно которого поезд двигается со скоростью v. Какова же скорость света относительно движущегося вагона? Она равна w = c-v. Т.е. выходит, что скорость света разная по отношению к различным инерциальным системам отсчета, в роли которых в данном случае выступают железнодорожное полотно и движущийся вагон. А это, с одной стороны, противоречит принципу относительности, согласно которому физические процессы происходят одинаково во всех инерциальных системах отсчета; с другой стороны, - положению о постоянной скорости света, т.к. уже надежно было доказано, что скорость света не зависит от скорости движения источника света и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Она конечна и является предельной скоростью распространения любого сигнала."

№ слайда 19

Описание слайда:

«Парадокс Близнецов» Из специальной теории относительности следует не только относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, но также и относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. То есть, расстояние между двумя материальными точками (длина тела) и длительность происходящих в теле процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При движении, приближающемся к скорости света, замедляется время, замедляются все процессы, происходящие в системе, в том числе в живых организмах, изменяются - сокращаются продольные (вдоль движения) размеры тел. В этом отношении показателен пример, называемый «парадокс близнецов». Из двух близнецов, космонавт, вернувшийся на Землю, окажется моложе своего брата, оставшегося на Земле, т.к. на космическом корабле, двигающемся с огромной скоростью, темп времени замедляется и все процессы проходят медленнее, чем на Земле. Парадокс близнецов был подтвержден экспериментально. Однако, эффекты замедления времени очень малы (v0 / с<<1), и мы пока не умеем их практически использовать.

№ слайда 20

Описание слайда:

Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности, то, как мы видим (либо хотим видеть) окружающий нас мир и то, каким он является на самом деле, может сильно различаться. Уже больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всех формулировок. О том, что СТО действительно описывает наш мир, свидетельствует огромный экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории используются на практике. Очевидно, что все попытки опровергнуть СТО, обречены на провал, хотя бы потому, что сама теория опирается на три постулата Галилея (которые несколько расширены), на основе которых построена механика Ньютона, а также на дополнительный постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета. Все четыре не вызывают какого либо сомнения. Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определения метра - единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически, если измерения вести в соответствии с метрологическими требованиями.

№ слайда 21

Описание слайда:

Элементы релятивистской динамики Все уравнения, описывающие законы природы, должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. К моменту создания СТО теория, удовлетворяющая этому условию, уже существовала – это электродинамика Максвелла. Однако уравнения классической механики Ньютона оказались неинвариантными относительно преобразований Лоренца, и поэтому СТО потребовала пересмотра и уточнения законов механики. В основу такого пересмотра Эйнштейн положил требования выполнимости закона сохранения импульса и закона сохранения энергии в замкнутых системах. Для того, чтобы закон сохранения импульса выполнялся во всех инерциальных системах отсчета, оказалось необходимым изменить определение импульса тела. Вместо классического импульса в СТО релятивистский импульс тела с массой m, движущегося со скоростью записывается в виде

№ слайда 22

Описание слайда:

Релятивистский импульс тела можно рассматривать как произведение релятивистской массы тела на скорость его движения. Релятивистская масса m тела возрастает с увеличением скорости по закону где m- масса покоя тела, V- скорость его движения. При выражение для импульса переходит в то, которое используется в механике Ньютона, где под m понимается масса покоя (m=mo), ибо при различие m и mo несущественно

№ слайда 23

Описание слайда:

Закон пропорциональности массы и энергии является одним из самых важных выводов СТО. Масса и энергия являются различными свойствами материи. Масса тела характеризует его инертность, а также способность тела вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами. Важнейшим свойством энергии является ее способность превращаться из одной формы в другую в эквивалентных количествах при различных физических процессах – в этом заключается содержание закона сохранения энергии. Пропорциональность массы и энергии является выражением внутренней сущности материи. Формула Эйнштейна выражает фундаментальный закон природы, который принято называть законом взаимосвязи массы и энергии. для покоящихся частиц (p = 0) E = E0 = mc2 Такие частицы называются безмассовыми. Для безмассовых частиц связь между энергией и импульсом выражается простым соотношением

№ слайда 24

Описание слайда:

Общая теория относительности В 1907-1916 гг. создана общая теория относительности, которая объединяет современное учение о пространстве и времени с теорией тяготения. По масштабу переворота, совершенного Эйнштейном в физике, его часто сравнивают с Ньютоном. Общая теория относительности (ОТО) - физическая теория пространства-времени и тяготения, основана на экспериментальном принципе эквивалентности гравитационной и инерционной масс и предположении о линейности связи между массой и вызываемыми ею гравитационными эффектами.

№ слайда 25

Описание слайда:

Основные принципы общей теории относительности Необходимость релятивистской теории гравитации Теория гравитации Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой - она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с полевой парадигмой современной физики, и, в частности, со специальной теорией относительности, выведенной Эйнштейном, Пуанкаре и Лоренцем в 1905 году. Действительно, в этой теории никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме. С принципом инвариантности законов природы, универсальный характер которого был предположен Эйнштейном, учёные предприняли «поход за святым Граалем» - теорией гравитации, которая бы была совместима с ним. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

№ слайда 26

Описание слайда:

Принцип равенства гравитационной и инертной масс В классической механике Ньютона существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе - к закону всемирного тяготения. Первая масса - инертная (или инерционная) - есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса - гравитационная (или, как её иногда называют, тяжёлая) - определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу. Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс называют слабым принципом эквивалентности. Альберт Эйнштейн положил его в основу общей теории относительности.

№ слайда 27

Описание слайда:

Пространство-время ОТО и сильный принцип эквивалентности Часто неправильно считают, что в основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности гравитационного и инерционного поля, который обычно формулируют так: «Достаточно малая по размерам физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта, погружённой в плоское пространство-время специальной теории относительности». Иногда тот же принцип постулируют как «локальную справедливость специальной теории относительности» или называют «сильным принципом эквивалентности».

№ слайда 28

Описание слайда:

Исторически этот принцип действительно сыграл большую роль в становлении общей теории относительности и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в самой окончательной форме теории он на самом деле не содержится, так как пространство-время как в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является неискривленным - плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел. Аналогичным образом не совсем корректным является и название «общая теория относительности». Она является лишь одной из множества теорий гравитации, рассматриваемых физиками сейчас, в то время как специальная теория относительности является практически общепринятой научным сообществом и составляет краеугольный камень базиса современной физики

№ слайда 29

Описание слайда:

Значение ОТО для современной физической картины мира Если СТО связывает воедино пространство и время, то ОТО устанавливает триединую связь: пространство-время-материя. Суть этой связи была пояснена самим Эйнштейном: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы и пространство, и время». Теория относительности полностью отказывается от существующих в классической физике представлений о пространстве, времени и материи. Относительны не только все измерения в пространстве и времени (так как они зависят от движения наблюдателя), но и сама структура пространства-времени, которая определяется распределением вещества во Вселенной. А так как вещество распределено во Вселенной неравномерно, то пространство искривлено и время в разных частях Вселенной течет с разной скоростью.

Описание слайда:

Проблемы ОТО Проблема энергии Так как энергия, с точки зрения математической физики, представляет собой величину, сохраняющуюся из-за однородности времени, а в общей теории относительности, в отличие от специальной, вообще говоря, время неоднородно, то закон сохранения энергии может быть выражен в ОТО только локально, то есть в ОТО не существует такой величины, эквивалентной энергии в СТО, чтобы интеграл от неё по пространству сохранялся при движении по времени. ОТО и квантовая физика Главной проблемой ОТО с современной точки зрения является невозможность построения для неё квантово-полевой модели каноническим образом. Сложности в реализации такой программы для ОТО троякие: во-первых, переход от классического гамильтониана к квантовому неоднозначен, так как операторы динамических переменных не коммутируют между собой; во-вторых, гравитационное поле относится к типу полей со связями, для которых структура уже классического фазового пространства достаточно сложна, а квантование их наиболее прямым методом невозможно; в-третьих, в ОТО нет выраженного направления времени, что составляет трудность при его необходимом выделении и порождает проблему интерпретации полученного решения.

Описание слайда:

Отклонение луча света в поле Солнца Одним из косвенных экспериментальных подтверждений ОТО является отклонение луча света в поле Солнца. Из эксперимента было получено, что электромагнитное поле взаимодействует с гравитационным полем. Мы измеряем время, когда мы перестаем видеть эту звезду (эти эксперименты проводятся во время полных солнечных затмений), и извлекаем угол отклонения луча света от прямой. Из теории угол отклонения для Солнца равен:

№ слайда 34

Описание слайда:

Запаздывание сигнала в поле Солнца Еще один косвенный эксперимент, подтверждающий ОТО -- запаздывание сигнала в поле Солнца.Сигнал посылается на Венеру и регистрируется время прихода сигнала обратно. Значение времени прохождения сигнала туда и обратно в поле Солнца (гравитационный объект искажает пространство-время) отличается от значения если бы Солнца не было (свободное пространство -- нет искажений

№ слайда 35

Описание слайда:

На протяжении более 80 лет теория Эйнштейна демонстрирует свою необычайную стройность, экономность построения и красоту. На данный момент существует множество экспериментов и наблюдений, подтверждающих правильность общей теории относительности Эйнштейна и не наблюдается физических явлений, противоречащих ей. Следовательно, ОТО скорее верна чем нет. Работа над этой теорией была нелегкой. Эйнштейн писал: «В свете уже достигнутых знаний то или иное удачное достижение кажется почти само собой разумеющимся, и его суть без особого труда способен ухватить любой мало-мальски грамотный студент. Но годы изнурительных поисков во мгле, наполненные страстным стремлением к истине, сменой уверенности и разочарования, и, наконец, выход работы в свет – это способен понять лишь тот, кто пережил все это сам».

Специальная теория относительностиПРЕЗЕНТАЦИЮ ПОДГОТОВИЛА:
СИМОНОВА ЕКАТЕРИНА
СТУДЕНТКА 2 КУРСА, ГРУППЫ №3
ФАКУЛЬТЕТА КОНФЛИКТОЛОГИИ

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

перевернула наши представления о пространстве и времени,
об энергии и материи, представления, к которым
человечество шло на протяжении тысячелетий своей
истории.

Классическая механика Ньютона и Галилея

Принцип инерции:
«Тела, не испытывающие
воздействия сил, движутся
равномерно и прямолинейно»
Принцип сложения скоростей:
«Скорость тела складывается
из скорости системы отсчёта
и скорости движения тела в
ней»
Принцип относительности
Галилея:
«Все законы механики
одинаковы
в инерциальных системах
отсчёта»

Инерциальные системы отсчета – системы
отсчета, которые находятся в состоянии покоя
или движутся прямолинейно равномерно
Неинерциальные системы отсчета – системы
отсчета, которые движутся с ускорением
В 1632 г. Галилео Галилей сформулировал
принцип относительности:
все механические явления протекают в любых
инерциальных системах отсчета одинаковым
образом. Все законы механики инвариантны по
отношению к любым инерциальным системам
отсчета.

Вторая половина XIX века,
Дж. Максвелл
сформулировал
основные законы
электродинамики
Распространяется ли принцип
относительности, справедливый для
механических явлений, на электромагнитные
явления?

Развитие физических представлений в XIX веке

6
Электричество и магнетизм порождают друг
друга
Электромагнитное поле распространяется
подобно волне
Свет – электромагнитная волна
Уравнения Максвелла для электромагнитного
поля – высшая форма знаний об
электромагнетизме

Два представления о свете, сложившиеся в физике в XVII веке

7
Ньютон (1643-1727):
«Свет – это поток частиц
в пустоте»
Гюйгенс (1629-1695):
«Свет – это волна в эфире»

НЬЮТОН: Отражение света – это отскакивание частиц света от препятствия

8

ГЮЙГЕНС: Свет – это волна в эфире

9
Эфир – среда, в которой
распространяется свет
Скорость света в эфире
не зависит от скорости
источника
Точка, до которой дошла
волна, сама становится
источником волны

Представления о свете в XIX веке

10
Свет – это электромагнитная волна,
распространяющаяся в мировом эфире
Мировой эфир – это неподвижная среда,
заполняющая всё пространство, для
распространения электромагнитных волн

Раскол в представлениях физиков о природе света к началу XX века

11
СВЕТ – ВОЛНЫ
В ПУСТОТЕ
Пуанкаре Эйнштейн
Гюйгенс
СВЕТ – ПОТОК
ЧАСТИЦ
СВЕТ – ВОЛНЫ
ЭФИРА
Ньютон
Лоренц
Ритц

В вагоне, движущемся относительно полотна железной
дороги, посылается световой сигнал в направлении
движения.

относительно человека в вагоне?
Какова скорость светового сигнала
относительно человека на земле?

13
Принцип относительности
неприменим к электромагнитным
явлениям.
Х. Лоренц

Обнаружились противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона. Возможные пути решения:

14
Уравнения Максвелла
несправедливы
Г. Герц

Обнаружились противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона. Возможные пути решения:

15
Принцип относительности и уравнения
Максвелла справедливы,
нужно отказаться от классических
представлений о пространстве и
времени.
А. Эйнштейн

Альберт Эйнштейн – создатель теории относительности

Специальная теория
относительности
была опубликована
в 1905 году.
Более сложная с точки
зрения математического
аппарата общая теория
относительности была
завершена Эйнштейном
к 1916 году.

СТО и ОТО

Специальная теория относительности (СТО) – теория,
описывающая движение, отношения между
пространством и времени при скоростях, близких к
скорости света.
Общую теорию относительности(ОТО) – это теория,
которая является обобщением СТО для
гравитационных полей.

Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна (1905 г.)

18
Постулат 1. Принцип относительности
Все процессы природы протекают одинаково во всех
инерциальных системах отсчета.
Постулат 2. Принцип постоянства
скорости света
Скорость света в вакууме одинакова для всех
инерциальных систем отсчета, она не зависит ни от
скорости источника, ни от скорости приемника
светового сигнала.

Основные выводы из специальной теории относительности Эйнштейна (1905 г.)

19
1. Сокращение размеров тела
2. Замедление времени
3.Релятивистский закон сложения
скоростей
4.Закон релятивистской механики.
Связь между массой и энергией

СТО Специальная теория относительности (СТО) - теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности. Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, - релятивистскими скоростями.

Из истории СТО. Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от направления (изотропность) и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.

При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае. При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Основные понятия СТО. Система отсчёта представляет собой некоторое материальное тело, выбираемое в качестве начала этой системы, способ определения положения объектов относительно начала системы отсчёта и способ измерения времени. Обычно различают системы отсчёта и системы координат. Добавление процедуры измерения времени к системе координат «превращает» её в систему отсчёта. Инерциальная система отсчёта (ИСО) - это такая система, относительно которой объект, не подверженный внешним воздействиям, движется равномерно и прямолинейно. Событием называется любой физический процесс, который может быть локализован в пространстве, и имеющий при этом очень малую длительность. Другими словами, событие полностью характеризуется координатами (x, y, z) и моментом времени t.

1 принцип относительности. Все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой (протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета). Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна.

2 принцип относительности. Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.

СТО. СТО позволила разрешить все проблемы «доэйнштейновской» физики и объяснить «противоречивые» результаты известных к тому времени экспериментов в области электродинамики и оптики. В последующее время СТО была подкреплена экспериментальными данными, полученными при изучении движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций и т. п.

Объяснение противоречий. На смену галилеевых преобразований СТО предложила другие формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую – так называемые преобразования Лоренца, которые при скоростях движения, близких к скорости света, позволяют объяснить все релятивисткие эффекты, а при малых скоростях (υ<< c) переходят в формулы преобразования Галилея. Таким образом, новая теория (СТО) не отвергла старую классическую механику Ньютона, а только уточнила пределы ее применимости. Такая взаимосвязь между старой и новой, более общей теорией, включающей старую теорию как предельный случай, носит название принципа соответствия.

Работа может использоваться для проведения уроков и докладов по предмету "Физика"

Наши готовые презентации по физике делают сложные темы урока простыми,интересными и легкоусвояемыми. Большинство опытов, изучаемых на уроках физики, невозможно провести в обычных школьных условиях, показать такие опыты можно с помощью презентаций по физике.В данном разделе сайта Вы можете скачать готовые презентации по физике для 7,8,9,10,11 класса, а также презентации-лекции и презентации-семинары по физике для студентов.

1 слайд

Физика Теория относительности Эйнштейна Работу выполнила ученица 10 «б» класса Карпикина Ольга 30.01.03-04 учебный год

2 слайд

Краткая аннотация и инструкция по работе с программой В данной работе рассказывается о теории относительности Эйнштейна, описываются постулаты и следствия постулатов этой теории, основные формулы и примеры решения задач по этой теме. Чтобы Вы могли перейти на следующий слайд, необходимо нажать левую кнопку мышки на слайде. Если в работе непонятный термин (выделен), нажмите на него, и Вы сможете узнать, что он обозначает. Чтобы перейти на необходимый слайд, нажмите на кнопку. Чтобы перейти на содержание, нажмите кнопку

3 слайд

4 слайд

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭНШТЕЙНА Теория относительности (или реляктевистская механика) – это радикальное изменение основополагающих фундаментальных представлений о пространстве, времени, веществе и движении. Общая теория относительности (ОТО) описывает взаимосвязь физических процессов, происходящих в ускоренно движущихся друг относительно друга (неинерциальных) системах отсчета

5 слайд

Специальная теория относительности (СТО) рассматривает взаимосвязь физических процессов, происходящих только в ИСО

6 слайд

ПОСТУЛАТЫ ТЕОРИИ 1. Все законы природы одинаковы в инерциальных системах отсчета. 2. Скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости движения, источника или приемника света. (Примером может служить черная дыра.)

7 слайд

СЛЕДСТВИЯ ПОСТУЛАТОВ Относительность одновременности: два события одновременные в неподвижной системе отсчета будут неодновременными в движущейся системе отсчета. V=0 м/с V=0,2с

8 слайд

2. Относительность промежутков времени: в движущейся системе отсчета время течет медленнее (парадокс близнецов: в космосе человек медленнее стареет). Замедление времени зависит от свойств самого времени. – промежуток времени («тау») (1с) 0– собственное время -подвижная система отсчета = 0 / 1- V 2/с2

9 слайд

10 слайд

3. Относительность длинны: в движущейся системе отсчета длина сокращается (парадокс близнецов: в космосе длина уменьшается). L - длина (1м) L0 – неподвижная система отсчета L – движущаяся система отсчета L=L0 * 1-V2 /c2

11 слайд

4. Закон сложения скоростей: при малых скоростях классический вариант (V1 +V2) при скоростях, приближенных к скорости света (с) вариант Эйнштейна: V=(V1 +V2)/(1+V1 *V2/c2)

12 слайд

5. Относительность массы: в подвижной системе отсчета масса увеличивается (при скорости, приближенной к скорости света, масса стремиться к бесконечности) (парадокс близнецов: в космосе масса человека увеличивается). m– в движущейся системе отсчета m0 – масса покоя m=m0/ 1-V2/c2

13 слайд

6. Энергия Е=mc2 E’=m’c2 ‘ - разница (в данном случае: масс (m-m0) и энергии (Е-Е0)) Таким образом, масса – это мера физических величин: инертности, гравитации и энергии.

14 слайд

Дано: Решение. V=(V1+V2)/ (1+V1*V2/c2) V1=V2=0,75c V=1,5c/(1+0,5625c2/c2)= Найти: =0,96c V=? Ответ: V=0,96с Пример решения задач

15 слайд

СЛОВАРЬ ИСО (инерциальная система отсчета) – любая система, в которой выполняется закон инерции Инерция – явление сохранения состояния покоя или скорости в равномерном прямолинейном движении при скомпенсированных внешних воздействиях (внешних силах) Энергия – общая мера различных форм движения материи, рассматриваемая в физике

16 слайд

Скорость света – максимальная скорость распространения любого взаимодействия. Материальные тела не могут иметь скорость большую, чем скорость света (она равна 300000 км/с) Черная дыра – астрономический объект, гравитационное поле которого удерживает излучение и вещество в пределах радиуса Шварцшильда Радиус Шварцшильда – критический радиус черной дыры, соответствующий скорости света

18 слайд

Об Авторе Программы Я, ученица 10 «б» класса с математическим профилем лицея №4, Карпикина Ольга. Очень люблю Физику, Информатику, Химию, Английский и Математику, поэтому выбрала я учебный проект по Физике. А именно эту тему, потому что мне нравится работать и изучать космос (в этой работе встречается такое явление, как парадокс близнецов, о котором рассказывалось в следствиях постулатов) Удачи в Физике!!!