CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013)

Podobne dokumenty
CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA. Szczególna teoria względności. Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 2013) ZADANIA

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

Elementy fizyki relatywistycznej

Kinematyka, Dynamika, Elementy Szczególnej Teorii Względności

Podstawy fizyki. Wykład 3. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

Czym zajmuje się teoria względności

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Postulaty szczególnej teorii względności

V.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Dynamika relatywistyczna

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Zasada zachowania pędu

Podstawy fizyki wykład 9

Zasady zachowania. Fizyka I (Mechanika) Wykład VI:

Zadanie. Oczywiście masa sklejonych ciał jest sumą poszczególnych mas. Zasada zachowania pędu: pozwala obliczyć prędkość po zderzeniu

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

PODSTAWY FIZYKI - WYKŁAD 2 DYNAMIKA: MASA PED SIŁA MOMENT PEDU ENERGIA MECHANICZNA. Piotr Nieżurawski.

Zasady względności w fizyce

Podstawy fizyki sezon 1 XI. Mechanika relatywistyczna

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

Mechanika relatywistyczna Wykład 13

Czy można zobaczyć skrócenie Lorentza?

Zakład Dydaktyki Fizyki UMK

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Szczególna teoria względności

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

Dynamika relatywistyczna

Pęd ciała. ! F wyp. v) dt. = m a! = m d! v dt = d(m! = d! p dt. ! dt. Definicja:! p = m v! [kg m s ]

Plan wynikowy. z fizyki dla klasy pierwszej liceum profilowanego

Elementy dynamiki klasycznej - wprowadzenie. dr inż. Romuald Kędzierski

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

FUNKCJE ELEMENTARNE I ICH WŁASNOŚCI

XXXV. TEORIA WZGLĘDNOŚCI

mechanika analityczna 1 nierelatywistyczna L.D.Landau, E.M.Lifszyc Krótki kurs fizyki teoretycznej

TRANFORMACJA GALILEUSZA I LORENTZA

Fizyka. Kurs przygotowawczy. na studia inżynierskie. mgr Kamila Haule

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Wykład 2 Mechanika Newtona

Oddziaływania fundamentalne

SIŁA JAKO PRZYCZYNA ZMIAN RUCHU MODUŁ I: WSTĘP TEORETYCZNY

Zasady dynamiki Newtona. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

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

FALOWA I KWANTOWA HASŁO :. 1 F O T O N 2 Ś W I A T Ł O 3 E A I N S T E I N 4 D Ł U G O Ś C I 5 E N E R G I A 6 P L A N C K A 7 E L E K T R O N

Mechanika relatywistyczna Wykład 15

Wykład FIZYKA I. 5. Energia, praca, moc. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Przykłady: zderzenia ciał

Zasady dynamiki Newtona. dr inż. Romuald Kędzierski

Światło fala, czy strumień cząstek?

Mechanika kwantowa Schrödingera

Transformacja Lorentza Wykład 14

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

III Zasada Dynamiki Newtona. Wykład 5: Układy cząstek i bryła sztywna. Przykład. Jak odpowiesz na pytania?

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

MECHANIKA RELATYWISTYCZNA (SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI)

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

Karta punktowania egzaminu do kursu Fizyka 1 dla studentów Wydziału Inż. Śr., kier. Inż. Śr. oraz WPPT IB. Zagadnienie 1.

Zasada zachowania energii

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

Wstęp do Geofizyki. Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Ruch. Kinematyka zajmuje się opisem ruchu różnych ciał bez wnikania w przyczyny, które ruch ciał spowodował.

Prawa ruchu: dynamika

Podstawy fizyki sezon 1 V. Pęd, zasada zachowania pędu, zderzenia

KRYTERIA OCEN Z FIZYKI DLA KLASY I GIMNAZJUM

Fizyka I dla ZFBM-FMiNI+ Projektowanie Molek. i Bioinformatyka 2015/2016

ver teoria względności

Temat XXXIII. Szczególna Teoria Względności

Zasady oceniania karta pracy

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

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

Spis treści. Tom 1 Przedmowa do wydania polskiego 13. Przedmowa 15. Wstęp 19

Fizyka 1(mechanika) AF14. Wykład 3

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 09 PĘD Rozwiązanie zadań należy zapisać w wyznaczonych miejscach pod treścią zadania

Wyznaczenie współczynnika restytucji

Fizyka 1 (mechanika) AF14. Wykład 9

MECHANIKA RELATYWISTYCZNA. Rys. Transformacja Galileusza

I. DYNAMIKA PUNKTU MATERIALNEGO

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.1, Mechanika, szczególna teoria względności / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7.

DYNAMIKA SIŁA I JEJ CECHY

18. Siły bezwładności Siła bezwładności w ruchu postępowych Siła odśrodkowa bezwładności Siła Coriolisa

NIE FAŁSZOWAĆ FIZYKI!

Zasada zachowania energii

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Nara -Japonia. Yokohama, Japan, September 2014

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Theory Polish (Poland)

Zasada zachowania energii

Podstawy fizyki sezon 1 IV. Pęd, zasada zachowania pędu

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Szczególna teoria względności

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

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Wielcy rewolucjoniści nauki

Ruch jednostajnie zmienny prostoliniowy

Transkrypt:

CZAS I PRZESTRZEŃ EINSTEINA Szczególna teoria względności Spotkanie II ( marzec/kwiecień, 013)

u Masa w szczególnej teorii względności u Określenie relatywistycznego pędu u Wyprowadzenie wzoru Einsteina E m u Czy masa zależy od prędkości

Jak definiuje się masę? 1) Newton: masa jest miernikiem ilości materii. ) Masa to parametr, który określa ciężar ciała. 3) Masa jest miernikiem bezwładności ciała: m F. a Dla uogólnienia masy na przypadek relatywistyczny najlepsza definicja to: 4) Masa to parametr, przez który trzeba pomnożyć prędkość ciała aby otrzymać zachowany pęd. m 1 u 1 + m u m 1 v 1 + m v

Prawo zachowania pędy jeżeli zachodzi w jednym układzie to jest spełnione w każdym innym układzie inercjalnym: m 1 ( u 1 v) + m ( u v) m 1 ( v 1 v) + m ( v v) Bo spełniona jest trywialna relacja: (m 1 + m ) v (m 1 + m ) v Pęd jest zachowany także dla zderzeń niesprężystych, ale pod jednym warunkiem: m 1 u 1 + m u m 3 u 3 m 1 ( u 1 v) + m ( u v) m 3 ( u 3 v) (m 1 + m ) v m 3 v (m1 + m ) m 3 Pęd będzie zachowany w każdym układzie inercjalnym jeżeli masa jest zachowana.

Aby wyprowadzić relacje E m, przejdziemy do układu środka masy: m 1 u 1 + m u 0 m 1 v 1 + m v Mamy wtedy relacje: m 1 u 1 m u m 1 v 1 m v u u 1 m 1 m v v 1 W układzie środka masy obowiązuje prawo zachowania pędu nawet gdy długości pędów zmieniają się o ile zmiana jest identyczna dla jednej i drugiej cząstki: v 1 u 1 v u Zderzenia sprężyste 1 1 Zderzenia niesprężyste

Tylko dla zderzeń sprężystych (λ 1) zachowana jest energia kinetyczna: E k m u Mamy bowiem: 1 E u k1 m 1 u 1 m v 1 1 v E k1 E u k m u m v v E k I wtedy zachodzi: E u + E u E v k1 k k + E v k

Dla każdej innej definicji energii kinetycznej np. E k m u 3 dla zderzeń sprężystych energia będzie zachowana w układzie środka masy, ale nie będzie zachowana w dowolnym innym układzie inercjalnym. Tradycyjnie zdefiniowana energia kinetyczna, ta z kwadratem prędkości ma jeszcze jedną zaletę, jeżeli jest zachowana w jednym układzie to będzie zachowana w każdym innym: E k m u v m u m u v + m v E u+v k1 + E u+v k E u k1 + E u k (m 1 u 1 + m u ) v + (m + m ) v 1 E v+v k1 + E v+v k E v v k1 + E k (m 1 v 1 + m v ) v + (m 1 + m ) v E u+v k1 + E u+v k E v+v v+v k1 + E k

Jeżeli więc pęd i masa są zachowane to tak zdefiniowana energia kinetyczna, jeżeli jest zachowana w jednym układzie, jest zachowana w każdym układzie inercjalnym: E u+v + E u+v E v+v + E v+v k1 k k1 k Tak więc w przypadku nierelatywistycznym mamy: Dla zderzeń sprężystych i niesprężystych: z Bezwzględne prawo zachowania masy. Masa nie zależy od układu odniesienia i jest zachowana w każdym układzie inercjalnym z Pęd jest zachowany, jest zachowany w każdym układzie inercjalnym bo masa jest zachowana

Ponadto dla zderzeń sprężystych z zachowana jest energia kinetyczna zdefiniowana w znany sposób. Zachowana jest w każdym układzie inercjalnym bo a) zachowana jest masa oraz, b) zachowany jest pęd. Taka spójność praw zachowania i możliwość ich spełnienia w każdym układzie inercjalnym jest możliwa tylko dlatego, że prawo transformacji prędkości ma postać: u u v W przypadku relatywistycznym ta reguła dodawania prędkości zmienia się, mamy bowiem (w przypadku gdy wektory u i v są równoległe ) : u u // v v u u v 1

Nie powinno nas to dziwić. Przecież zegary nie chodzą tak samo i długości prętów też ulegają zmianie. u u v u u v u v 1 Tak jak klasycznie, w nowym układzie ciało porusza się wolniej i przebędzie mniejszą drogą Czas w układzie ruchomym płynie wolniej, cząstka potrzebuje mniej czasu aby pokonać zadaną odległość, a więc porucza się szybciej.

Ten mianownik był źródłem problemów. Spróbujmy zdefiniować więc jeden czas określany zawsze w ten sam sposób, a mianowicie czas biegnący w układzie spoczynkowym poruszającej się cząstki. Z poprzedniego wykładu wiemy, że obserwując ruchomy zegar, widzę, że na nim czas płynie wolniej. Czas biegnący w układzie spoczynkowym poruszającej się cząstki Czas biegnący w naszym układzie, w którym cząstka porusza się z szybkością u t T t T t t t 1 1 u 1

Prędkość cząstki mierzymy w naszym układzie, a więc drogę dzielimy przez Δt: u x t Określamy większą prędkość gdzie czas biegnie w układzie poruszającej się cząstki: w x x t t t t u (u) u 1 u w u Jak teraz zmienia się prędkość w gdy obserwujemy ruch cząstki z układu poruszającego się względem nas z prędkością v?

W nowym układzie określamy prędkość podobnie jak poprzednio (prędkości u u ). w u (u ) u c 1 ( u - v) u v u 1 u u v ( u - v) u v gdzie: u u - v u v (Przypominamy, wektory u i v są równoległe) 1 u v u v + u v - c 4 u c - v c + u v 1 u v 1+ u v c 4 - u - v

w u 1 1+ u u - v u v - c 4 u - v u v u - v 1 1 u v 1+ u - v u u v c 4-1 v u - v Otrzymaliśmy więc relację: w u - v u 1 v

Zgodnie z naszą sugestią, zdefiniujmy pęd w sposób: Wtedy w nowym układzie odniesienia: p m w m( u - v) u 1 v p m w 1 1 v m u u 1 m u u m v u 1 1 v p - p 0 v ( ) ( v) p - p 0 v ( ) p 0 m u ( u) m

Pęd w nowym układzie odniesienia jest prosto związany z pędem w pierwotnym układzie odniesienia: Ale pojawiła się tu nowa wielkość p 0, co to jest? Jeżeli prędkość p ( v) p - p 0 v ( ) u p 0 ( u) m jest mała w porównaniu z prędkością światła, to p 0 m i mamy: p ( v) p - m v ( ) p ( v) p - m v ( ) To prawo transformacji, oprócz czynnika ( v), jest takie samo jak w przypadku klasycznym. Ten czynnik γ jest identyczny dla każdej zderzającej się cząstki, zależy tylko od względnej prędkości pomiędzy układami, a nie zależy od prędkości cząstek.

Tak więc jeżeli mamy prawo zachowania pędu w układzie K to pęd będzie zachowany w dowolnym innym układzie K, byleby tylko masa była zachowana. Sytuacja się komplikuje gdy prędkości cząstek są porównywalne z prędkościami światła, p 0 nie jest w przybliżeniu masą. Aby więc teraz pęd: p ( v) ( p - p 0 v ) był zachowany w każdym układzie odniesienia, prawo zachowania masy musimy zastąpić prawem zachowania wielkości p 0. m 1 + m const ( u 1 )m 1 + ( u )m const

I podobnie prawo zachowania pędu określone w znany sposób sposób: m 1 u1 + m u const musimy zastąpić prawem zachowania relatywistycznego pędu: m 1 ( u 1 ) u 1 + m ( u ) u const Czy jednak wielość p 0 jest zachowana w każdym układzie odniesienia, musimy to sprawdzić: p 0 m u u u - v u v

Podobnie jak poprzednio: p 0 ( u ) m u 1 u v m u 1 v u v m u 1 v 1 1 v m u u v m u ( v) p 0 ( u) - p v

Otrzymaliśmy więc dla wielkości p 0 prawo transformacji pomiędzy różnymi inercjalnymi układami odniesienia: p 0 ( u ) ( v) p 0 ( u) p( u) v - I dodajmy do tego prawo transformacji dla pędu: p ( u ) ( v) p( u) - p 0 ( u) v ( ) Mamy więc nową definicję pędu p i jakąś wielkość p 0, które zachowane w jednym układzie będą zachowane w każdym innym układzie odniesienia. Co wynika z faktu, że zachowanie nierelatywistycznej masy całkowitej zastąpiliśmy prawem zachowania wielkości p 0?

Dla bardzo małych prędkości cząstki p 0 m. Zobaczmy jak wygląda p 0 dla trochę większych szybkości. W tym celu obliczmy: u Stąd: (p 0 ) - p c m 1 p (p 0 ) m (p 0 + m)(p 0 m) p 0 m u m u u 1 p (p 0 + m) 1 m 1 p m c m u u 1 m E k p 0 m

To pozwala nam zinterpretować wielkość p 0 (dokładniej p 0 ): p 0 m + E k Aby zachowany był pęd układu, zachowana musi być wielkość: Gdzie: P 0 M + E k c M m 1 + m +... E k c E k1 + E k +... Całkowita masa układu Całkowita energia kinetyczna układu

u Masa jest zawsze zachowana. u Energia kinetyczna zachowana w zderzeniach sprężystych. Nadal energia kinetyczna jest zachowana w zderzeniach sprężystych, ale P 0 musi być zawsze zachowane, niezależnie czy zderzenia były czy nie były sprężyste. u W zderzeniach sprężystych M i E k c są zachowane niezależnie. E k c u W zderzeniach niesprężystych zmiana energii kinetycznej o musi być rekompensowane zmianą masy całkowitej. M E k c

Otrzymujemy więc pełne prawo zachowania pędu i zachowania energii, spełnione w każdym układzie odniesienia, gdy wielkości te są określone w sposób: E( u) m u ( u) m u m P( u) u ( u) m u p // v Po przejściu do innego układu inercjalnego ( ): E E - P v v 1 - ( v) ( E - P v ) P P - E v 1 - v ( v) P - E v

Bardzo często wzory poprzednie pisze się niepoprawnie: E( u) m( u) P( u) m( u) u Przed zderzeniem cząstek o takiej samej masie, cząstki mają pędy i energie kinetyczne gdzie: m( u) ( u) m Po zderzeniu cząstki się zlepiły i spoczywają, pęd jest zachowany ale energia kinetyczna nie zachowuje się. Ma być zachowane P 0, stąd początkowa energia kinetyczna zamienia się w dodatkową masę zlepionych cząstek

m E Masa stała się częścią energii

A co będzie dla cząstek o masie m 0? Z poniższego wzoru wynika, że E 0, no chyba że u c. Wtedy otrzymujemy nieoznaczony symbol 0/0, tak więc wzór w ramce jest nieprzydatny w tym przypadku. E( u) m u Obliczmy natomiast wyrażenie: m u p + m c 4 u 1 - + m m u 1 - ( u) m u m u 1 - u + - u + ( ) m c 4 1 - u E

oraz pęd cząstki: P m u u 1 - m u u 1 - E u Otrzymaliśmy więc nowe wzory łączące masę, pęd i energie E P + m c 4 P E u które można stosować także dla cząstek o masie m 0 Z równania pierwszego: E P E Pc Równanie drugie jest spełnione automatycznie gdy u c P P

Nierelatywistyczne Relatywistyczne Masa M m 1 + m M m 1 + m Zachowana? zawsze tylko w zderzeniach sprężystych Transformacja Pęd Zachowany? zawsze zawsze Transformacja Energia Zachowana? Transformacja M M M M P m 1 u 1 + m u P P - M v E 1 m 1 u 1 1 + m tylko przy zderzeniach sprężystych E E - P v + M v P ( u 1 )m 1 u1 + ( u )m u zawsze P ( v) P - E v u E ( u 1 ) m 1 + ( u ) m E ( v) ( E - P v ) Porównanie własności masy, pędu i energii