Лекция 3 Макромир Соболев А Н Структурные

Лекция 3. Макромир Соболев А. Н.

Структурные уровни материи Мегамир Концепции современного естествознания Макромир Микромир 2

Макромир v Макромир – обычный мир, в котором живет и действует человек v Временной масштаб: § Секунды § Часы § Дни v Пространственный масштаб: § Миллиметры § Метры § Километры Концепции современного естествознания 3

Законы макромира v Три закона Ньютона v Закон всемирного тяготения v Фундаментальные законы сохранения Концепции современного естествознания 4

Пространство и время v Аристотель (350 г. до н. э. ) v Птолемей (Альмагест, 150 г. н. э. ) v Пространство состоит из мест, занимаемых телами § Конечное, ограничено небесной сферой v Время – мера движения небесной сферы § Равномерное, бесконечное, абсолютное Концепции современного естествознания 5

Пространство и время v Н. Коперник (1543) v И. Ньютон (1687) v Пространство абсолютно, бесконечно и трехмерно. Работает Евклидова геометрия v Время – «река времени» , течет безотносительно изменений § В силе преобразования Галилея Концепции современного естествознания 6

Преобразования Галилея 1, 000 м/с-1 1, 000 м/с v Чему равна скорость, с которой звездолет А приближается к звездолету В? § 2 000 м/с – классическая физика § Концепции современного естествознания 7

Относительность движения v Принцип относительности Галилея § Законы механики одинаковы во всех системах отсчета, покоящихся или движущихся с постоянной скоростью • «…в каюте корабля, движущегося равномерно и без качки, вы не обнаружите ни по одному из окружающих явлений движется ли корабль или стоит неподвижно» § Надо лишь рассматривать движение относительно начала координат системы! Концепции современного естествознания 8

Электромагнетизм по Максвеллу v Четыре уравнения, связывающие явления электричества и магнетизма v Выведены из предположения о том, что свет – это волна, распространяющаяся по законам классической физики § Волны – возмущения среды, в которой они распространяются • В какой среде распространяется свет? Концепции современного естествознания 9

Среда распространения света v Светоносный эфир - гипотетическая всепроникающая среда, колебания которой обнаруживают себя как электромагнитные волны. v Электродинамика – механика эфира v Свойства: § Прозрачность § Нулевая плотность § Наличие всюду Концепции современного естествознания 10

Опыт Майкельсона-Морли v А. Майкельсон, Э. Морли (1887) § Нобелевская премия по физике, 1907 § Попытка ответа на вопрос: «Чему равна скорость увлечения эфира Землей при ее движении по орбите? » § «Самый известный отрицательный результат в истории физики» Концепции современного естествознания 11

Интерферометр Майкельсона Концепции современного естествознания 12

Предмет поиска с v v+с v с (v 2+с2)1/2 По «ветру» с v v-с Против «ветра» Концепции современного естествознания Перпендикулярно «ветру» При повороте интерферометра вокруг оси должно наблюдаться движение интерференционной картины 13

Результат опыта v Положение интерферометра никак не влияет на сдвиг интерференционной картины ØСледовательно, движения эфира нет! ØСледовательно, уравнения Максвелла противоречат принципу относительности Галилея ØЧто делать? Концепции современного естествознания 14

Anno mirabilis 1905 v А. Эйнштейном опубликовано 4 работы в Annalen der Physik: § Фотоэлектрический эффект (март) • Нобелевская премия по физике, 1921 § Броуновское движение (апрель) § Специальная теория относительности (июнь) § Принцип эквивалентности массы и энергии (сентябрь) v Три работы находятся в числе оказавших наибольшее влияние на науку Концепции современного естествознания 15

Теория относительности v Специальная теория относительности § А. Эйнштейн, 1905 § Связывала электродинамику Максвелла с механикой Галилея и Ньютона, показала одинаковость законов природы в инерциальных системах отсчета v Общая теория относительности § А. Эйнштейн, 1919 § Показала, что неинерциальные СО отличаются от ИСО лишь наличием гравитации Концепции современного естествознания 16

Постулаты СТО v Принцип относительности § Не существует выделенных инерциальных систем отсчета, законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета v Принцип постоянности скорости света § Скорость света в вакууме одинакова и равна 300 000 км/с во всех ИСО, независимо от скорости наблюдателя Концепции современного естествознания 17

Система отсчета v Система отсчета включает в себя начало координат, оси координат и часы Концепции современного естествознания 18

Инерциальная система отсчета v Инерциальная система отсчета (ИСО) – система отсчета, в которой тело, на которое не действует никакая сила, покоится или движется с постоянной скоростью v Все ИСО покоятся или движутся с постоянной скоростью относительно друга Концепции современного естествознания 19

Примеры Платформа стоит на месте, дерево движется Наблюдатель видит, как траектория мяча искривляется, хотя на него не действует внешняя сила Неинерциальная СО Концепции современного естествознания Дерево стоит на месте, платформа движется Траектория мяча - прямая Инерциальная СО 20

Выводы из постулатов СТО v Относительность одновременности v Замедление времени v Сокращение длины v Увеличение массы v Связь массы и энергии v Связь времени и пространства Концепции современного естествознания 21

Относительность одновременности Относительно людей в вагоне вспышка достигает обеих сторон одновременно Относительно людей на платформе вспышка достигает сначала задней стороны вагона Концепции современного естествознания 22

Относительность одновременности v Понятие одновременности в эйнштейновской физике относительно § Следовательно, само время зависит от того, как мы на него смотрим! Концепции современного естествознания 23

Замедление времени Движущиеся в ИСО часы идут медленнее покоящихся в той же ИСО Концепции современного естествознания 24

Замедление времени v На сколько замедляется время? § Δt – интервал времени между событиями с точки зрения движущегося наблюдателя § Δt 0 – интервал времени между событиями с точки зрения наблюдателя в покое § Справедливо, когда Δt 0 относится к событиям, произошедшим в одном месте Концепции современного естествознания 25

На сколько замедляется время? Продолжительность минуты на определенных скоростях Концепции современного естествознания 26

Эксперименты v Атомные часы (Хафеле и Китинг, 1971) § В течение 45 часов летели на реактивном самолете, затем показания сравнивались с часами, оставшимися на земле v Распад мюона § Нахождение мюонов на поверхности Земли § Смотри следующий слайд… Концепции современного естествознания 27

Мюоны v Мюон - неустойчивая элементарная частица, свойствами напоминающая электрон v На Земле регистрируются в космических лучах, они создаются в атмосфере (~3000 м) солнечной радиацией. v Время жизни – 2, 2 мкс. Скорость – 0, 99 с. v Вопрос: долетят ли мюоны до Земли? Концепции современного естествознания 28

Ответ Да, долетят! Концепции современного естествознания 29

Парадокс близнецов Концепции современного естествознания 30

Парадокс близнецов Концепции современного естествознания 31

Парадокс близнецов Концепции современного естествознания 32

Парадокс близнецов Концепции современного естествознания 33

Парадокс близнецов Концепции современного естествознания 34

Парадокс близнецов v Если один из близнецов полетел к Веге (s = 25 сг) со скоростью 0, 96 с, то для оставшегося на Земле путешествие длилось 52 года v Для путешественника Δt оказывается равным всего 7 годам! (можете проверить) Концепции современного естествознания 35

В чем же парадокс? v Первый постулат СТО утверждает, что все ИСО равноправны § Если рассмотреть ИСО, связанную с ракетой, получится, что улетал второй близнец… • Соответственно, он и должен был оказаться моложе v Если ракета вернулась на Землю, она по пути должна была замедляться и ускоряться § Такая СО не является ИСО! Концепции современного естествознания 36

Сокращение длины v Вследствие замедления времени сокращается длина: § Длина – расстояние между двумя поставленными отметками на дороге при движении Концепции современного естествознания 37

Сокращение длины В покое В движении Концепции современного естествознания 38

Увеличение массы v Вследствие необходимости соблюдать закон сохранения импульса масса при движении увеличивается: § Процесс наблюдался для элементарных частиц Концепции современного естествознания 39

Увеличение массы в 10 кг Концепции современного естествознания 40

Связь массы и энергии v Если мы разгоним частицу практически до с, она будет настолько тяжелой, что ей невозможно будет придать добавочную скорость § Вся энергия будет уходить в массу! § В состоянии покоя v = 0, таким образом получим Концепции современного естествознания 41