Mechanika relatywistyczna



Podobne dokumenty
Elementy szczególnej teorii względności

ELEMENTY SZCZEGÓLNEJ TEORII WZGLĘDNOŚCI. I. Zasada względności: Wszystkie prawa przyrody są takie same we wszystkich

Elementy mechaniki relatywistycznej

TRANFORMACJA GALILEUSZA I LORENTZA

III.1 Ruch względny. III.1 Obserwacja położenia z dwóch różnych układów odniesienia. Pchnięcia (boosts) i obroty.metoda radarowa. Wykres Minkowskiego

Czy można zobaczyć skrócenie Lorentza?

Podstawy fizyki wykład 9

Szczególna teoria względności

Wykład 30 Szczególne przekształcenie Lorentza

Elementy fizyki relatywistycznej

Fizyka 1 (mechanika) AF14. Wykład 12

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

Kinematyka relatywistyczna

Temat XXXIII. Szczególna Teoria Względności

Albert Einstein SZCZEGÓLNA I OGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI. Szczególna Teoria Względności

Czym zajmuje się teoria względności

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie I (luty, 2013)

ANEMOMETRIA LASEROWA

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Kinematyka: opis ruchu

Efekt Dopplera Dla Światła

Szczególna Teoria Względności

Praca jest wykonywana podczas przesuwania się ciała pod wpływem siły. Wartość pracy możemy oblicz z wzoru:

teoria wzgl wzgl dności

III.2 Transformacja Lorentza położenia i czasu.

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Celem ćwiczenia jest badanie zjawiska Dopplera dla fal dźwiękowych oraz wykorzystanie tego zjawiska do wyznaczania prędkości dźwięku w powietrzu.

Zasady oceniania karta pracy

Krzywe stożkowe. 1 Powinowactwo prostokątne. 2 Elipsa. Niech l będzie ustaloną prostą i k ustaloną liczbą dodatnią.

Wektory, układ współrzędnych

Elementy optyki. Odbicie i załamanie fal Zasada Huygensa Zasada Fermata Interferencja Dyfrakcja Siatka dyfrakcyjna

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

FUNKCJA LINIOWA, RÓWNANIA I UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

MiBM sem. III Zakres materiału wykładu z fizyki

Transformacja Lorentza Wykład 14

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Interwał, geometria czasoprzestrzeni Konsekwencje tr. Lorentza: dylatacja czasu i kontrakcja długości

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

Otrzymaliśmy w ten sposób ograniczenie na wartości parametru m.

Podstawy fizyki sezon 1 XI. Mechanika relatywistyczna

Blok 6: Pęd. Zasada zachowania pędu. Praca. Moc.

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

Wektor położenia. Zajęcia uzupełniające. Mgr Kamila Rudź, Podstawy Fizyki.

Postulaty szczególnej teorii względności

Zasady względności w fizyce

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

Proszę z rysunkami i wytłumaczeniem. Najlepiej w załączniku.

MECHANIKA RELATYWISTYCZNA (SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI)

Szczególna teoria względności

IV.4.4 Ruch w polach elektrycznym i magnetycznym. Siła Lorentza. Spektrometry magnetyczne

MECHANIKA RELATYWISTYCZNA. Rys. Transformacja Galileusza

Zajęcia nr. 5: Funkcja liniowa

Podstawy fizyki wykład 8

Defi f nicja n aprę r żeń

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

ZASTOSOWANIE ZJAWISKA CAŁKOWITEGO WEWNĘTRZNEGO ODBICIA W ŚWIATŁOWODACH

Wyznaczanie prędkości dźwięku

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

PRÓBNA MATURA ZADANIA PRZYKŁADOWE

Podstawą w systemie dwójkowym jest liczba 2 a w systemie dziesiętnym liczba 10.

MECHANIKA 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

O prędkościach nadświetlnych

Atomy mają moment pędu

Kinematyka: opis ruchu

PRÓBNA MATURA ZADANIA PRZYKŁADOWE

V OGÓLNOPOLSKI KONKURS Z FIZYKI Fizyka się liczy Eliminacje TEST 27 lutego 2013r.

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Całka oznaczona zastosowania (wykład 9; ) Definicja całki oznaczonej dla funkcji ciagłej

Praca domowa nr 2. Kinematyka. Dynamika. Nieinercjalne układy odniesienia.

Wyznaczanie stałej słonecznej i mocy promieniowania Słońca

Badanie efektu Dopplera metodą fali ultradźwiękowej

Zjawisko interferencji fal

Kinematyka: opis ruchu

Zadania optymalizacyjne w szkole ponadgimnazjalnej. Materiały do przedmiotu Metodyka Nauczania Matematyki 2 (G-PG). Prowadzący dr Andrzej Rychlewicz

Opis ruchu obrotowego

Podstawy fizyki sezon 1 IV. Pęd, zasada zachowania pędu

Elementy geometrii analitycznej w R 3

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Widmo fal elektromagnetycznych

2.6.3 Interferencja fal.

OPISY PRZESTRZENNE I PRZEKSZTAŁCENIA

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

Prosta i płaszczyzna w przestrzeni

Wydział Inżynierii Środowiska; kierunek Inż. Środowiska. Lista 2. do kursu Fizyka. Rok. ak. 2012/13 sem. letni

Szczególna teoria względności

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Podstawy fizyki wykład 4

Transkrypt:

Mehanika relatywistyzna

Konepja eteru Eter kosmizny miał być speyfiznym ośrodkiem, wypełniająym ałą przestrzeń, który miał być nośnikiem fal świetlnyh (później w ogóle pola elektromagnetyznego). W XIX w. nikt już nie wierzył, że Ziemia jest jakimś szzególnie wyróżnionym układem odniesienia, wię uważano, że powinna ona poruszać się względem eteru Z tego powodu prędkość światła powinna zależeć od kierunku jego rozhodzenia się (np. być mniejsza, gdy mierzy się ją w kierunku zgodnym z ruhem Ziemi względem eteru, a większa gdy zmierzy się ją w kierunku przeiwnym)

Doświadzenie Mihelsona-Morleya Doświadzenie miało na elu bezpośrednie sprawdzenie ruhu źródła światła na prędkość światła, a pośrednio sprawdzenie, zy istnieje eter kosmizny. W elu wykonania doświadzenia został wykorzystany interferometr Mihelsona Interferometr Mihelsona służy do preyzyjnego pomiaru długośi fal świetlnyh. Jego zasada działania opiera się na interferenji światła.

Załóżmy, że wiązki światła rozhodzą się w tym samym ośrodku o współzynniku załamania n oraz, że droga geometryzna l przebyta przez wiązkę nr jest większa od drogi geometryznej l, przebytej przez wiązkę nr. Prążki interferenyjne powstaną w tyh miejsah, w któryh ( l l ) mλ n Ponieważ długość fali zależy od jej prędkośi (λ/f, gdzie prędkość fali, zaś f jej zęstotliwość), położenie prążków interferenyjnyh powinno zmienić się po obroie interferometru o 90 stopni. Efektu tego jednak nie zaobserwowano, o świadzy o tym, że prędkość rozhodzenia się światła na Ziemi nie zależy od kierunku jego rozhodzenia się.

Postulaty Einsteina Wszystkie tożsame zjawiska fizyzne przebiegają, przy identyznyh warunkah pozątkowyh, jednakowo we wszystkih inerjalnyh układah odniesienia. Innymi słowy: wśród inerjalnyh układów odniesienia nie ma żadnego układu uprzywilejowanego. Prędkość światła w próżni jest jednakowa we wszystkih kierunkah i w dowolnym obszarze danego inerjalnego układu odniesienia i jednakowa dla wszystkih inerjalnyh układah odniesienia. Oznaza to brak jakihkolwiek wyróżnionyh kierunków i obszarów przestrzeni ze względu na prędkość rozhodzenia się światła.

Transformaja Lorentza jako konsekwenja postulatów Einsteina To, o zahodzi w danym punkie w danym momenie zasu będziemy nazywać zdarzeniem. Rozpatrzmy dwa inerjalne układy odniesienia: spozywająy U i poruszająy się względem niego ze stałą prędkośią wzdłuż osi OX układ U.

Przyjęte założenie nt. kierunku ruhu układu U względem układu U nie jest istotnym ogranizeniem. Jeżeli oba układy mają być inerjalne, to ih względny ruh musi być ruhem jednostajnym, a dowolny kierunek ruhu można sprowadzić do ruhu wzdłuż osi OX poprzez odpowiedni obrót układu współrzędnyh. Celem naszej analizy będzie znalezienie równań pozwalająyh znaleźć współrzędne (x,y,z,t ) w układzie U na podstawie współrzędnyh (x,y,z,t) tego samego zdarzenia w układzie U. Poszukiwane równania powinny być zgodne z postulatami Einsteina. Z postulatów Einsteina wynika, że przestrzeń i zas w dowolnyh inerjalnyh układah odniesienia muszą być jednorodne.

Konsekwenją powyższyh dwóh faktów jest to, że związki między współrzędnymi zdarzenia w dwóh różnyh układah odniesienia muszą być liniowe: yay, zbz Ponieważ żaden kierunek nie może być wyróżniony,musi zahodzić AB. Pozostaje znaleźć wartość A. Weźmy linijkę o jednostkowej długośi i umieśćmy ją na osi OY układu U tak, by jeden z jej końów znajdował się w pozątku układu współrzędnyh. Ze względu na równoprawność układów inerjalnyh, w hwili tt 0 obserwatorzy w układzie U i U powinni zmierzyć tą samą długość linijki, a wię A.

Dla osi współrzędnyh x i x sytuaja jest nieo bardziej skomplikowana, ale związki między współrzędnymi zdarzenia w dwóh różnyh układah odniesienia muszą być liniowe: x A0 A x A t () i odwrotnie: x A 0 Ax At () gdzie wszystkie współzynniki A ij są stałymi.

Jeżeli dodatkowo założymy, że w hwili t0, t 0 pozątki układów pokrywają się, otrzymujemy A 0 0 A 0 0 Współrzędna x punktu O w hwili t wynosi t, wię z () mamy 0 A t A t Czyli A /A -

Oznazają A przez Γ równanie () możemy zapisać w postai: x Γ ( x t ) (3) Na podstawie analogiznyh rozważań mamy ( x t ) x Γ (4) Łatwo się przekonać, że ΓΓ. Weźmy wzorze o długośi równej l 0 w układzie własnym. Umieśćmy go na osi x w układzie U w taki sposób, by jeden z jego końów leżał w pozątku układu współrzędnyh. Współrzędne jego końów będą równe x 0, x l 0.

W hwili tt 0 (układy U i U są tożsame geometryznie), zgodnie z (4) x 0, x l 0 /Γ, zyli l x -x l 0 /Γ Weźmy ten sam wzorze i umieśćmy go w układzie U. Podobne rozważania prowadzą do równania lx -x l 0 /Γ Ponieważ oba układy są równouprawnione, to mamy Γ Γ.

Wyznazmy wartość stałej Γ. Załóżmy, że w hwili zasu tt 0 ze wspólnego pozątku układu współrzędnyh został wysłany sygnał świetlny. Nieh zdarzenie polega na dotariu tego sygnału w określonej hwili (t w układzie U i t w układzie U ) do określonego punktu (x w układzie U i x w układzie U ). Ozywiśie xt x t Podstawiają x i x do (3) i (4) otrzymujemy t Γt(-) tγt ()

Mnożą te równania stronami i upraszzają przez tt otrzymujemy: Γ zyli ostateznie x x t (5) x x t (6)

Znajdźmy wyrażenia na t i t Z (5) i (6) mamy i dalej: x t x x x t x x t x x t x t

I ostateznie: t Analogizne rahunki prowadzą do równania t t t x x Zauważmy, że dla << równania (5), (6), (7), (8) przybierają postać znaną z mehaniki klasyznej. (7) (8)

Dylataja zasu Przypuśćmy, że w układzie U znajduje się zegar odmierzająy zas między dwoma zdarzeniami w punkie (x,y,z ). Różnia zasu między tymi zdarzeniami w układzie U wynosi: t t -t. Z równania (7) wynika, że obserwator w układzie U zmierzy zas między tymi zdarzeniami równy t x t x t t t t

Jak widać, t> t. Wynika z tego, że poruszająy się zegar opóźnia się w stosunku do zegara spozywająego. Efekt ten nazywamy dylatają zasu.

Skróenie Lorentza Nieh w układzie U znajduje się pręt o długośi l 0, leżąy na osi OX układu. Nieh jego końe znajdują się w punktah x i x. Z równania (5) mamy zyli 0 l t x t x x x l l 0 l

Zmierzona długość pręta będzie największa w układzie, w którym ten pręt spozywa. W każdym innym układzie zmierzona długość pręta będzie mniejsza. Efekt ten nazywa się skróeniem Lorentza.

Paradoks bliźniąt Wyobraźmy sobie następująe doświadzenie: Nieh będzie dwóh brai-bliźniaków. Jednego z nih wysyłamy w daleką podróż kosmizną w bardzo szybkiej rakieie, leąej po linii prostej ze stałą prędkośią bliską prędkośi światła. W związku z efektem dylataji zasu, biologizny zegar brata-bliźniaka, który poleiał w podróż powinien opóźniać się w porównaniu z biologiznym zegarem brata-bliźniaka, który pozostał na Ziemi. Z tego powodu po powroie z podróży, wiek biologizny podróżująego brata-bliźniaka powinien być mniejszy od wieku biologiznego brata, który pozostał na Ziemi. Ale

Z punktu widzenia brata-bliźniaka, który poleiał w kosmos, to Ziemia wraz z jego bratem-bliźniakiem porusza się względem rakiety z dużą prędkośią bliską prędkośi światła. W związku z tym, według podróżująego w rakieie brata-bliźniaka, po powroie na Ziemię, to brat, który pozostał będzie młodszy od tego, który poleiał w podróż. Nie można a priori odrzuić żadnej z obu argumentaji, bo oba układy są równouprawnione, bo oba są układami inerjalnymi. Zgodnie z postulatami Einsteina, wyniki eksperymentu powinny być takie same (opinie brai-bliźniaków na temat ih wieku powinny być zgodne). Wygląda na to, że mamy paradoks, zyli teoria nie daje spójnyh wyników, zyli jest niewiele warta?

Tylko jak to zrobić, żeby brat-bliźniak poruszająy się w rakieie ze stałą prędkośią po linii prostej wróił do tego samego punktu, z którego wyleiał?

Fakty i mity, zyli o kształie poruszająyh się szybko brył Wyobraźmy sobie świeąy szkielet sześianu poruszająy się jak na rysunku z dużą prędkośią

Wyobraźmy sobie, że dysponujemy aparatem fotografiznym z bardzo szybką migawką umożliwiająym wykonanie nieporuszonej fotografii tego sześianu Fotografię wykonujemy od dołu, tzn. z takiej pozyji, że płaszzyzna, w której leży śiana o krawędziah oznazonyh literami a i b jest prostopadła do kierunku obserwaji. Co zobazymy na fotografii? Krawędź b i krawędzie równoległe do niej zahowają swoje rozmiary. Krawędź a i krawędzie równoległe ulegną skróeniu lorentzowskiemu i na fotografii będzie miała długość a a 0

Krawędź i krawędzie równoległe do niej również będą widozne na fotografii, gdyż na fotografii zostanie zarejestrowane światło, które dotrze do materiału światłozułego w tej samej hwili. Światło pohodząe od krawędzi należąyh do górnej śiany sześianu ma do przebyia drogę dłuższą o odinek, wię aby dotrzeć w tym samym zasie, o światło pohodząe od krawędzi dolnej śiany sześianu musiało zostać wysłane wześniej o zas t/ 0, gdzie 0 oznaza tu prędkość światła. Z tego powodu na fotografii krawędź i krawędzie do niej równoległe na fotografii będą miały długość t/ 0

Zauważmy, że a wię możemy zapisać gdzie ϕ jest pewnym kątem 0 0 ϕ ϕ sin os 0 0

Sfotografowany sześian będzie nadal wyglądał jak sześian, tylko obróony o pewien kąt! Analogiznie będą wyglądać fotografie innyh brył. Ciekawostką jest to, że Albert Einstein tuż po stworzeniu STW uważał inazej, tzn. że fotografia będzie przedstawiała zdeformowaną bryłę i dopiero później zmienił zdanie.

Reguła dodawania prędkośi Rozważmy ruh punktu materialnego względem układów U i U Składowe wektora prędkośi wzdłuż osi wynoszą - w układzie U: dx dy x, y, z dt dt dz dt - w układzie U : dx dy x, y, z dt dt dz dt

Z transformaji Lorentza mamy: Dzielą stronami trzy pierwsze równania przez zwarte otrzymujemy:,,, dx dt dt dz dz dy dy dt dx dx,, z z z y y y x x x

Efekt Dopplera Nieh względem spozywająego układu K porusza się wzdłuż osi OX z prędkośią V układ K. Załóżmy, że w pozątku układu K znajduje się źródło impulsów wysyłająyh impulsy z okresem T. Załóżmy ponadto, że w hwili, gdy pozątki układów pokrywały się, źródło wysłało pierwszy impuls.

Według obserwatora znajdująego się w układzie K i jego zegara, obserwator w układzie K zarejestruje pierwszy impuls w hwili t 0, następny zaś w hwili Według obserwatora w układzie K odstęp zasu między dotariem -go i -go impulsu do obserwatora w znajdująego się w punkie O wynosi ( ) V V T V V T V VT T t t V T V V T t t T

Ze względu na dylataję zasu, odstęp pomiędzy oboma impulsami zaobserwowany przez obserwatora w O wyniesie Przehodzą do zęstotliwośi (f/t, f /T ) otrzymujemy V V T V V T T V V f f

W przypadku obserwatora zbliżająego się do źródła (rysunek), analogizne rozważania prowadzą do równania f f V V

Poprzezny efekt Dopplera Istnieje przypadek, gdy w ujęiu klasyznym efekt Dopplera nie powinien wystąpić. Dzieje się tak, gdy prędkość ruhu jest prostopadła do kierunku obserwaji (rysunek). W takiej sytuaji odległość między obserwatorem i źródłem hwilowo się nie zmienia. Jednakże ze względu na zjawisko dylataji zasu występuje efekt Dopplera.

Częstotliwośi emitowana przez źródło i odbierana przez obserwatora są związane równaniem: f f V Taki efekt, przewidywany jedynie przez STW został zmierzony doświadzalnie w roku 938.

Energia i pęd Energia ząstki o masie m 0 wynosi E m 0 Pęd ząstki o masie m 0 i prędkośi wynosi p m 0

Zauważmy, że zahodzi: Często parę nazywa się wektorem zteropędu 4 0 4 0 0 4 0 m m m m p E p E,