Теория относительности Скачать
презентацию
<<  Теория относительности Эйнштейна Общая теория относительности  >>
Рождение теории
Рождение теории
Галилео Галилей
Галилео Галилей
Лоренц Г.А
Лоренц Г.А
Ряд следствий
Ряд следствий
Ряд следствий
Ряд следствий
Элементы релятивистской динамики
Элементы релятивистской динамики
Релятивистский импульс
Релятивистский импульс
Релятивистский импульс
Релятивистский импульс
Релятивистский импульс
Релятивистский импульс
Отклонение луча света в поле Солнца
Отклонение луча света в поле Солнца
Запаздывание сигнала в поле Солнца
Запаздывание сигнала в поле Солнца
Фото из презентации «Общая и специальная теории относительности» к уроку физики на тему «Теория относительности»

Автор: Root. Чтобы познакомиться с фотографией в полном размере, нажмите на её эскиз. Чтобы можно было использовать все фотографии на уроке физики, скачайте бесплатно презентацию «Общая и специальная теории относительности» со всеми фотографиями в zip-архиве размером 344 КБ.

Скачать презентацию

Общая и специальная теории относительности

содержание презентации «Общая и специальная теории относительности»
Сл Текст Эф Сл Текст Эф
1Теория относительности.1 20является на самом деле, может сильно различаться. Уже1
2Содержание. 1. Рождение теории 2. Принцип25 больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО.
относительности 3. Преобразования Галилея 4. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего
Преобразования Лоренца 5. Специальная теория изъяна в теории. О том, что теория верна математически,
относительности 6. Создание СТО 7. Релятивистская свидетельствует строгая математическая форма и чёткость
теория 8. Постулаты Эйнштейна 9. Сущность СТО 10. всех формулировок. О том, что СТО действительно
Следствия СТО 10.1. «Поезд Эйнштейна» 10.2. «Парадокс описывает наш мир, свидетельствует огромный
близнецов» 11. Элементы релятивистской динамики 12. экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории
Общая теория относительности 13. Основные принципы используются на практике. Очевидно, что все попытки
общей теории относительности 12.1. Необходимость опровергнуть СТО, обречены на провал, хотя бы потому,
релятивистской теории гравитации 12.2. Принцип что сама теория опирается на три постулата Галилея
равенства гравитационной и инертной масс 12.3. (которые несколько расширены), на основе которых
Пространство-время ОТО и сильный принцип построена механика Ньютона, а также на дополнительный
эквивалентности 14. Уравнения Эйнштейна 15. Основные постулат о постоянстве скорости света во всех системах
следствия ОТО 16. Проблемы ОТО 16.1. Проблема энергии отсчета. Все четыре не вызывают какого либо сомнения.
16.2. ОТО и квантовая физика 17. Опыты подтверждающие Более того, точность их проверки является настолько
общую теорию относительности. высокой, что постоянство скорости света положено в
3Рождение теории. Великий немецкий ученый-физик3 основание определения метра — единицы длины, в
Альберт Эйнштейн (1879-1955) до 1933 г. жил в Германии, результате чего скорость света становится константой
затем в США. Член многих академий наук, почетный член автоматически, если измерения вести в соответствии с
Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии 1921г. метрологическими требованиями.
Выдающийся вклад Эйнштейна в науку - создание теории 21Элементы релятивистской динамики. Все уравнения,4
относительности. В 1905г. им была опубликована в почти описывающие законы природы, должны быть инвариантны
законченном виде специальная, или частичная, теория относительно преобразований Лоренца. К моменту создания
относительности. СТО теория, удовлетворяющая этому условию, уже
4Галилео Галилей.2 существовала – это электродинамика Максвелла. Однако
5Принцип относительности. Г. Галилеем было3 уравнения классической механики Ньютона оказались
установлено, что все механические явления в различных неинвариантными относительно преобразований Лоренца, и
инерциальных системах протекают одинаково, т.е. поэтому СТО потребовала пересмотра и уточнения законов
никакими механическими опытами, проводимыми «внутри» механики. В основу такого пересмотра Эйнштейн положил
данной инерциальной системы, невозможно установить, требования выполнимости закона сохранения импульса и
покоится данная система или движется прямолинейно и закона сохранения энергии в замкнутых системах. Для
равномерно. Это положение названо принципом того, чтобы закон сохранения импульса выполнялся во
относительности Галилея. Принцип относительности всех инерциальных системах отсчета, оказалось
Галилея является обобщением многочисленных опытов. По необходимым изменить определение импульса тела. Вместо
принципу Галилея, все системы отсчета, которые классического импульса в СТО релятивистский импульс
относительно инерциальной движутся равномерно и тела с массой m, движущегося со скоростью записывается
прямолинейно, также являются инерциальными. Систему, в виде.
движущуюся ускоренно относительно инерциальной, 22Релятивистский импульс тела можно рассматривать как7
называют неинерциальной. произведение релятивистской массы тела на скорость его
6Преобразования Галилея. . Для тех случаев, когда34 движения. Релятивистская масса m тела возрастает с
движение тела необходимо описать в другой системе увеличением скорости по закону где m— масса покоя тела,
отсчета, найдём формулы преобразования координат при V— скорость его движения. При выражение для импульса
переходе от одной инерциальной системы отсчета к переходит в то, которое используется в механике Ньютона
другой. Допустим, инерциальная система К? движется со , где под m понимается масса покоя (m=mo), ибо при
скоростью v вдоль оси ОХ относительно другой различие m и mo несущественно.
инерциальной системы К. Для простоты предположим, что 23Закон пропорциональности массы и энергии является6
оси координат систем К и К? в начальный момент времени одним из самых важных выводов СТО. Масса и энергия
t=t?=0 совпадали. Допустим, материальная точка Р являются различными свойствами материи. Масса тела
покоится относительно системы К. Её положение в системе характеризует его инертность, а также способность тела
К характеризуется радиусом-вектором r или координатами вступать в гравитационное взаимодействие с другими
x, y, z. Относительно системы К? эта точка движется и телами. Важнейшим свойством энергии является ее
её положение в системе К? характеризуется способность превращаться из одной формы в другую в
радиусом-вектором r? или координатами x?, y?, z?. Y. K. эквивалентных количествах при различных физических
Y? K? Время в обеих инерциальных системах отсчета К и процессах – в этом заключается содержание закона
К? течет одинаково, часы синхронизированы, т.е. t=t?. сохранения энергии. Пропорциональность массы и энергии
p. 0? 0. x. x,X? v, t. x? z. z? v. является выражением внутренней сущности материи.
7Связь между радиусами-векторами r? и r одной и той11 Формула Эйнштейна. E0 = mc2. выражает фундаментальный
же точки Р в системах К и К? имеет вид r? = r – vt. Это закон природы, который принято называть законом
соотношение можно записать для каждой из декартовых взаимосвязи массы и энергии. для покоящихся частиц (p =
координат. С учетом того, что t=t?, получим: x? = x – 0) E = E0 = mc2 Такие частицы называются безмассовыми.
vt, y? = y, z? = z, t?= t. Эти уравнения называют Для безмассовых частиц связь между энергией и импульсом
прямыми преобразованиями Галилея. Если материальная выражается простым соотношением E = pc.
точка Р неподвижна в системе К?, то уравнение её 24Общая теория относительности. Общая теория3
движения в системе К можно записать с помощью обратных относительности (ОТО) — физическая теория
преобразований Галилея: r = r? + vt, x = x? + vt, y = пространства-времени и тяготения, основана на
y?, z = z?. экспериментальном принципе эквивалентности
8Лоренц Г.А.2 гравитационной и инерционной масс и предположении о
9Преобразования Лоренца. Преобразования Галилея8 линейности связи между массой и вызываемыми ею
исходят из предположения, что синхронизация часов гравитационными эффектами. В 1907-1916 гг. создана
осуществляется с помощью мгновенно распространяющихся общая теория относительности, которая объединяет
сигналов. Однако таких сигналов в действительности не современное учение о пространстве и времени с теорией
существует. Существование верхней границы для скорости тяготения. По масштабу переворота, совершенного
распространения сигналов привело к другим формулам Эйнштейном в физике, его часто сравнивают с Ньютоном.
преобразования, позволяющим по координатам и времени 25Основные принципы общей теории относительности.4
произвольного события, найденным в определенной ?Необходимость релятивистской теории гравитации. Теория
инерциальной системе К, найти координаты того же самого гравитации Ньютона основана на понятии силы тяготения,
события в любой другой инерциальной системе К?, которая является дальнодействующей силой — она
движущейся относительно К в направлении оси х действует мгновенно на любом расстоянии. Этот
прямолинейно и равномерно со скоростью v: мгновенный характер действия несовместим с полевой
10Из преобразований Лоренца вытекает целый ряд4 парадигмой современной физики, и, в частности, со
следствий. В частности, из них следует релятивистский специальной теорией относительности, выведенной
эффект замедления времени и лоренцево сокращение длины. Эйнштейном, Пуанкаре и Лоренцем в 1905 году.
Пусть, например, в некоторой точке x' системы K' Действительно, в этой теории никакая информация не
происходит процесс длительностью ?0 = t'2 – t'1 может распространиться быстрее скорости света в
(собственное время), где t'1 и t‘2 – показания часов в вакууме. С принципом инвариантности законов природы,
K' в начале и конце процесса. Длительность ? этого универсальный характер которого был предположен
процесса в системе K будет равна. Можно показать, что Эйнштейном, учёные предприняли «поход за святым
из преобразований Лоренца вытекает релятивистское Граалем» — теорией гравитации, которая бы была
сокращение длины. совместима с ним. Результатом этого поиска явилась
11При v<<с преобразования Лоренца переходят в2 общая теория относительности, основанная на принципе
преобразования Галилея. Теория относительности не тождественности гравитационной и инертной массы.
отвергает преобразования Галилея, а включает их как 26?Принцип равенства гравитационной и инертной масс.3
частный случай, справедливый при малых V. Из Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс
преобразований Лоренца следует, что скорость V не может называют слабым принципом эквивалентности. Альберт
быть равна или больше скорости света C, так как Эйнштейн положил его в основу общей теории
подкоренное выражение при V=C обращается в нуль, а при относительности. В классической механике Ньютона
V>C отрицательно и преобразования Лоренца теряют существует два понятия массы: первое относится ко
физический смысл. второму закону Ньютона, а второе — к закону всемирного
12Специальная теория относительности. Специальная2 тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) —
теория относительности (СТО), частная теория есть отношение негравитационной силы, действующей на
относительности — теория, заменившая механику Ньютона тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная
при описании движения тел со скоростями, близкими к (или, как её иногда называют, тяжёлая) — определяет
скорости света. При малых скоростях различия между силу притяжения тела другими телами и его собственную
результатами СТО и ньютоновской механикой становятся силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы
незначительными. измеряются, как видно из описания, в различных
13Создание СТО. Специальная теория относительности2 экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть
была разработана в начале XX века усилиями Г. А. пропорциональными друг другу. Их строгая
Лоренца, А. Пуанкаре и А. Эйнштейна. Вопрос приоритета пропорциональность позволяет говорить о единой массе
в создании СТО имеет дискуссионный характер: основные тела как в негравитационных, так и в гравитационных
положения и полный математический аппарат теории, взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно
включая групповые свойства преобразований Лоренца, в сделать эти массы равными друг другу.
абстрактной форме были впервые сформулированы А. 27?Пространство-время ОТО и сильный принцип3
Пуанкаре в работе «О динамике электрона» на основе эквивалентности. Часто неправильно считают, что в
предшествующих результатов Г. А. Лоренца, а явный основе общей теории относительности лежит принцип
абстрактный вывод базиса теории — преобразований эквивалентности гравитационного и инерционного поля,
Лоренца, из минимума исходных постулатов был дан А. который обычно формулируют так: «Достаточно малая по
Эйнштейном в практически одновременной работе «К размерам физическая система, находящаяся в
электродинамике движущихся сред». По этому поводу в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой
англоязычной Википедии есть отдельная статья. же системы, находящейся в ускоренной (относительно
14Релятивистская теория. В 1905 г. Эйнштейн4 инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта,
опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел», погружённой в плоское пространство-время специальной
в которой сформулировал основные положения своей теории относительности». Иногда тот же принцип
релятивистской теории - специальной теории постулируют как «локальную справедливость специальной
относительности. Эта теория, считая, что все теории относительности» или называют «сильным принципом
инерциальные системы координат совершенно равноправны и эквивалентности».
в отношении механических, и электромагнитных явлений, а 28Исторически этот принцип действительно сыграл2
скорость света инвариантна во всех инерциальных большую роль в становлении общей теории относительности
системах отсчета, разрешала противоречия классической и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в
физики тем, что содержала новый взгляд на пространство самой окончательной форме теории он на самом деле не
и время. Эйнштейн в основу специальной теории содержится, так как пространство-время как в
относительности заложил два постулата: 1. Принцип ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в
относительности Эйнштейна. Уравнения, выражающие законы специальной теории относительности является
природы инвариантны (неизменны) по отношению к неискривленным — плоским, а в общей теории
преобразованию координат и времени от одной относительности оно искривляется любым телом и именно
инерциальной системы отсчета к другой. 2. Принцип его искривление вызывает гравитационное притяжение тел.
постоянства скорости света. Скорость света в пустоте Аналогичным образом не совсем корректным является и
одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не название «общая теория относительности». Она является
зависит от движения источника или приемника света. лишь одной из множества теорий гравитации,
Скорость света в вакууме всегда постоянна и равна рассматриваемых физиками сейчас, в то время как
300000 км/с, она является предельной скоростью специальная теория относительности является практически
распространения любого сигнала. общепринятой научным сообществом и составляет
15Постулаты Эйнштейна. В основе СТО лежат два3 краеугольный камень базиса современной физики.
постулата, являющиеся обобщением экспериментально 29Если СТО связывает воедино пространство и время, то0
установленных закономерностей. В любых инерциальных ОТО устанавливает триединую связь:
системах отсчета все физические явления протекают пространство-время-материя. Суть этой связи была
одинаково (принцип относительности Эйнштейна). Принцип пояснена самим Эйнштейном: «Раньше полагали, что если
относительности Эйнштейна является обобщением принципа бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и
относительности Галилея, который утверждает время сохранились бы; теория относительности
одинаковость механических явлений во всех инерциальных утверждает, что вместе с материей исчезли бы и
системах отсчета. 2. Скорость света не зависит от пространство, и время». Теория относительности
скорости движения источника во всех инерциальных полностью отказывается от существующих в классической
системах отсчёта. Формулировка второго постулата может физике представлений о пространстве, времени и материи.
быть шире: «Скорость света постоянна во всех Относительны не только все измерения в пространстве и
инерциальных системах отсчёта». Экспериментальная времени (так как они зависят от движения наблюдателя),
проверка постулатов СТО в известной степени затруднена но и сама структура пространства-времени, которая
проблемами философского плана: возможностью записи определяется распределением вещества во Вселенной. А
уравнений любой теории в инвариантной форме так как вещество распределено во Вселенной
безотносительно к её физическому содержанию, и неравномерно, то пространство искривлено и время в
сложности интерпретации понятий «длина», «время» и разных частях Вселенной течет с разной скоростью.
«инерциальная система отсчёта» в условиях Значение ОТО для современной физической картины мира.
релятивистских эффектов. 30Основные следствия ОТО. Первыми предсказанными и3
16Сущность СТО. Следствием постулатов СТО являются3 проверенными экспериментальными следствиями общей
преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования теории относительности стали три классических эффекта,
Галилея для нерелятивистского, «классического» перечисленных ниже в хронологическом порядке их первой
движения. Эти преобразования связывают между собой проверки: Дополнительный сдвиг перигелия орбиты
координаты и времена одних и тех же событий, Меркурия по сравнению с предсказаниями по механике
наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта. Ньютона. Отклонение светового луча в гравитационном
Специальная теория относительности получила поле Солнца. Гравитационное красное смещение или, что
многочисленные подтверждения на опыте и является то же самое, замедление времени в гравитационном поле.
безусловно верной теорией в своей области применимости. 31Проблемы ОТО. ?Проблема энергии. ?ОТО и квантовая6
Специальная теория относительности перестает работать в физика. Так как энергия, с точки зрения математической
масштабах всей Вселенной, а также в случаях сильных физики, представляет собой величину, сохраняющуюся
полей тяготения, где её заменяет более общая теория — из-за однородности времени, а в общей теории
общая теория относительности. Специальная теория относительности, в отличие от специальной, вообще
относительности применима и в микромире, её синтезом с говоря, время неоднородно, то закон сохранения энергии
квантовой механикой является квантовая теория поля. может быть выражен в ОТО только локально, то есть в ОТО
17Следствия СТО. К концу XIX в. развитие физики6 не существует такой величины, эквивалентной энергии в
привело к осознанию противоречий и несовместимости трех СТО, чтобы интеграл от неё по пространству сохранялся
принципиальных положений классической механики: при движении по времени. Главной проблемой ОТО с
скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, современной точки зрения является невозможность
независимо от движения источника или приемника света; в построения для неё квантово-полевой модели каноническим
двух системах координат, движущихся прямолинейно и образом. Сложности в реализации такой программы для ОТО
равномерно друг относительно друга, все законы природы троякие: во-первых, переход от классического
строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить гамильтониана к квантовому неоднозначен, так как
абсолютное прямолинейное и равномерное движение операторы динамических переменных не коммутируют между
(принцип относительности); координаты и скорости собой; во-вторых, гравитационное поле относится к типу
преобразовываются из одной инерциальной системы в полей со связями, для которых структура уже
другую согласно классическим преобразованиям Галилея. классического фазового пространства достаточно сложна,
Альберт Эйнштейн возникшие противоречия иллюстрировал а квантование их наиболее прямым методом невозможно;
мысленным экспериментом, который получил название в-третьих, в ОТО нет выраженного направления времени,
«Поезд Эйнштейна»: что составляет трудность при его необходимом выделении
18Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и1 и порождает проблему интерпретации полученного решения.
измеряющего скорость света, испускаемого в направлении 32Опыты, подтверждающие общую теорию относительности.3
движения поезда фонарями на обочине дороги, т.е. ?Проверка принципа эквивалентности. Поскольку в основе
движущегося со скоростью с в системе отсчета - теории тяготения Эйнштейна лежит принцип
железнодорожное полотно, относительно которого поезд эквивалентности, его проверка с максимально возможной
двигается со скоростью v. Какова же скорость света точностью является важнейшей экспериментальной задачей.
относительно движущегося вагона? Она равна w = c-v. Л. Этвиш (L. Eotvos) с помощью крутильных весов доказал
Т.е. выходит, что скорость света разная по отношению к справедливость принципа эквивалентности с точностью до
различным инерциальным системам отсчета, в роли которых 10 -8 , Р. Дикке (R. Dicke) с сотрудниками довел
в данном случае выступают железнодорожное полотно и точность до 10 -10 , а В.Б. Брагинский с сотрудниками
движущийся вагон. А это, с одной стороны, противоречит -- до 10 -12 .
принципу относительности, согласно которому физические 33?Отклонение луча света в поле Солнца. Одним из7
процессы происходят одинаково во всех инерциальных косвенных экспериментальных подтверждений ОТО является
системах отсчета; с другой стороны, - положению о отклонение луча света в поле Солнца. Из эксперимента
постоянной скорости света, т.к. уже надежно было было получено, что электромагнитное поле
доказано, что скорость света не зависит от скорости взаимодействует с гравитационным полем. Мы измеряем
движения источника света и одинакова во всех время, когда мы перестаем видеть эту звезду (эти
инерциальных системах отсчета. Она конечна и является эксперименты проводятся во время полных солнечных
предельной скоростью распространения любого сигнала.'. затмений), и извлекаем угол отклонения луча света от
19«Парадокс Близнецов» Из специальной теории3 прямой. Из теории угол отклонения для Солнца равен: Где
относительности следует не только относительность гравитационный радиус Солнца прицельный параметр (в
одновременности двух событий, происшедших в разных данной постановке эксперимента он примерно равен
точках пространства, но также и относительность радиусу Солнца).
измерений длин и интервалов времени, произведенных в 34?Запаздывание сигнала в поле Солнца. Еще один3
разных системах отсчета, движущихся относительно друг косвенный эксперимент, подтверждающий ОТО --
друга. То есть, расстояние между двумя материальными запаздывание сигнала в поле Солнца.Сигнал посылается на
точками (длина тела) и длительность происходящих в теле Венеру и регистрируется время прихода сигнала обратно.
процессов являются не абсолютными, а относительными Значение времени прохождения сигнала туда и обратно в
величинами. При движении, приближающемся к скорости поле Солнца (гравитационный объект искажает
света, замедляется время, замедляются все процессы, пространство-время) отличается от значения если бы
происходящие в системе, в том числе в живых организмах, Солнца не было (свободное пространство -- нет
изменяются - сокращаются продольные (вдоль движения) искажений).
размеры тел. В этом отношении показателен пример, 35На протяжении более 80 лет теория Эйнштейна1
называемый «парадокс близнецов». Из двух близнецов, демонстрирует свою необычайную стройность, экономность
космонавт, вернувшийся на Землю, окажется моложе своего построения и красоту. На данный момент существует
брата, оставшегося на Земле, т.к. на космическом множество экспериментов и наблюдений, подтверждающих
корабле, двигающемся с огромной скоростью, темп времени правильность общей теории относительности Эйнштейна и
замедляется и все процессы проходят медленнее, чем на не наблюдается физических явлений, противоречащих ей.
Земле. Парадокс близнецов был подтвержден Следовательно, ОТО скорее верна чем нет. Работа над
экспериментально. Однако, эффекты замедления времени этой теорией была нелегкой. Эйнштейн писал: «В свете
очень малы (v0 / с<<1), и мы пока не умеем их уже достигнутых знаний то или иное удачное достижение
практически использовать. кажется почти само собой разумеющимся, и его суть без
20Так же, как и в случае квантовой механики, многие1 особого труда способен ухватить любой мало-мальски
предсказания теории относительности противоречат грамотный студент. Но годы изнурительных поисков во
интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, мгле, наполненные страстным стремлением к истине,
однако, не означает, что теория относительности сменой уверенности и разочарования, и, наконец, выход
неверна. В действительности, то, как мы видим (либо работы в свет – это способен понять лишь тот, кто
хотим видеть) окружающий нас мир и то, каким он пережил все это сам».
35 «Общая и специальная теории относительности» | Общая и специальная теории относительности 175
http://900igr.net/fotografii/fizika/Obschaja-i-spetsialnaja-teorii-otnositelnosti/Obschaja-i-spetsialnaja-teorii-otnositelnosti.html
cсылка на страницу
Урок

Физика

133 темы
Фото
Презентация: Общая и специальная теории относительности | Тема: Теория относительности | Урок: Физика | Вид: Фото
900igr.net > Презентации по физике > Теория относительности > Общая и специальная теории относительности