Fizyka współczesna. Koniec XIX w. kompletna fizyka, za wyjątkiem paru drobiazgów :

Transkrypt

1 Fizyka współczesna Koniec XIX w. kompletna fizyka, za wyjątkiem paru drobiazgów : A. - Niezmienniczość prędkości światła (dośw. Michelsona i Morley a) B. - Promieniowanie ciała doskonale czarnego - Zjawisko fotoelektryczne

2 Konsekwencje A: STW. Niezmienniczość prędkości światła (dośw. Michelsona i Morleya) Z transformacji Galileusza: v v + u v u Prędkość światła jest taka sama, niezależnie od tego który obserwator ją mierzy Biegnący zawodnik z pola widzi piłkę zbliżającą się z prędkością 30m/s +10m/s 40m/s Jeśli v c to v c + u > c!! sprzeczność z doświadczeniem. Nie będzie sprzeczności, jeśli założyć, że t t Analogiczny newtonowski obraz dla światła jest błędny 3x10 8 m/s +1x108m/s 4x10 8 m/s

3 Pomiar prędkości światła 1638 Galileusz: światło co najmniej 10x szybsze niż dźwięk 1675 Ole Roemer: Zaćmienie księżyca Jowisza Km/sec 178 James Bradley: Km/s (aberracja światła gwiazd) 1849 Hippolyte Louis Fizeau: Km/s 186 Leon Foucault Km/s Dziś: 9979,458 km/s (interferometria laserowa)

4 Z wiatrem pod wiatr pod kątem Wiatr eteru Koniec XIX wieku (Maxwell)

5 Doświadczenie Michelsona-Morley a (1887)

6 Doświadczenie Michelsona-Morley a Prędkość światła w próżni jest taka sama w każdym układzie odniesienia. c m/s. c' c u c ' c

7 Mechanika relatywistyczna Albert Einstein Postulaty teorii Einsteina: 1.Prędkość światła w próżni jest taka sama we wszystkich inercjalnych układach odniesienia (nie zależy ani od prędkości obserwatora ani od prędkości źródła światła)..prawa fizyki są jednakowe we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Eksperymenty myślowe Gedankenexperimente

8 Pociąg Einsteina -względność czasu

9 Transformacja Lorenzta x' y' z' t' y, z x ut 1 u c u t x c u 1 c x ut 1 β β t x c 1 β Względność czasu Dylatacja długości y S x y S β <<1 v P u x Nierelatywistycznie Transformacja Galileusza x' x ut, y' z' t ' t y, z, Składanie prędkości v'+u v Relatywistycznie v' + u v' u 1+ c

10 Eksperymentalne dowody dylatacji czasu Fizyka cząstek elementarnych Zegary atomowe podróżujące w samolocie Global Positioning System (GPS) Dokładność GPS zawdzięczmy STW! Opóźnienie zegara rzędu of sek powoduje błąd lokalizacji ok. 30m! Tak różnica wytwarza się po kilku godzinach ruchu satelity GPS Koniecznie zatem należy uwzględnić STW i OTW!

11 Paradoks bliźniąt Układ rakiety jest wyróżniony!

12 Zasady dynamiki muszą być poprawione by zadośćuczynić transformacji Lorentza Uogólnienie definicji pędu Klasycznie: mv p p m v 0 v 1 c Relatywistycznie: m 0 - masa spoczynkowa mierzona w układzie, w którym ciało spoczywa m m v 1 c 0 masa relatywistyczna

13 F dp dt Dynamika relatywistyczna p F t Klasycznie: prędkość rośnie liniowo z czasem Relatywistycznie? Prędkość klasyczna p m v 0 1 v c v /c 1 Prędkość relatywistyczna Przedział mechaniki klasycznej 0 Pod wpływem działania stałej siły ciała nie można dowolnie przyspieszać - granicą jest prędkość światła t

14 Klasycznie: mv p Praca i energia relatywistycznie v dp E K dx 0 dt 1 m v p Relatywistycznie: m v 0 v 1 c E K dp m c v 0 dx 0 dt v 1 c m c 0 Energia spoczynkowa Energia całkowita Relacja między energią i pędem Klasycznie: p E k m Relatywistycznie: E ( m0c ) + ( pc )

15 Równoważność masy i energii E m c 0 v 1 c m E mc Ile energii zawiera 1g piasku? E mc kg 9 10 ( m s) J Zapewniłoby zapotrzebowanie na energię elektryczną w Polsce na 3 minuty

16 Czysta energetyka jądrowa? Źródłem energii jest deficyt masy ΔmNm n +Zm p m E(Z,N) ΔEΔmc

17 Czysta energetyka jądrowa? Jak wywołać reakcję syntezy jądrowej? Trzeba przezwyciężyć siły odpychania elektrostatycznego powodując zderzenia bardzo rozpędzonych jąder To się dzieje na Słońcu dzięki wysokiej temperaturze A na Ziemi? Też się udaje Operacja Ivy Mike Atol Eniwetok Stanislaw Ulam

18 Kontrolowana synteza jądrowa źródło (w miarę) czystej energii Jak kontrolować Słońce w warunkach ziemskich Laserowo indukowany zapłon, ultrakrótki błysk (10-1s) National Ignition Facility USA - Kalifornia

19 Kontrolowana synteza jądrowa źródło (w miarę) czystej energii Jak kontrolować Słońce w warunkach ziemskich TOKAMAK: magnetyczne uwięzienie plazmy wzbudzanej zmiennym polem magnetycznym 0 m W świecie pracuje kilkanaście eksperymentalnych TOKAMAKów, w żadnym z nich nie uzyskano dodatniego bilansu energii ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor Międzynarodowy projekt realizowany w Cadarache (Francja) Cel: Zysk energii x 10 (moc 500 MW) w roku 030

20 Kontrolowana synteza jądrowa źródło (w miarę) czystej energii Bezpieczeństwo: Nie ma możliwości katastrowy nuklearnej Ewentualna katastrofa (budowlana) ma charakter lokalny Odpady radioaktywne: Produkty reakcji są nieszkodliwe (hel) lub mało szkodliwe (tryt) Pozostaje problem aktywacji neutronowej materiałów konstrukcyjnych Nie ma problemu rozpowszechniania broni jądrowej Nie ma problemów wyczerpywania się paliwa jądrowego (deuter, lit)

21 Konsekwencje B. - Promieniowanie ciała doskonale czarnego - Zjawisko fotoelektryczne Początek XX wieku Dualizm korpuskularno - falowy Mechanika kwantowa Max Planck, ( ) Zanim do tego doszło...

22 Wyładowania w gazach rozrzedzonych

23 Odkrycie elektronu (Joseph John Thomson Nobel 1906)

24 Następny wykład: Dualizm korpuskularno-falowy