Елементи теорії відносності

Спеціальна теорія відносності (СТО) - це нове вчення про простір і час, що прийшло на зміну класичним уявленням.

РЕЛЯТИВІСТСЬКІ ПРОЦЕСИ - процеси, зокрема руху, що характеризуються швидкостями, близькими до швидкості світла у вакуумі.

Область застосування законів класичної механіки обмежена швидкістю руху матеріального об'єкта: якщо швидкість тіла порівнянна зі швидкістю світла, то необхідно використовувати релятивістські формули.

Принципи (постулати) теорії відносності ейнштейна

I постулат (Принцип відносності Ейнштейна): всі закони природи мають однакову форму у всіх інерціальних системах відліку. Цей постулат явився узагальненням принципу відносності Ньютона не тільки на закони механіки, але і на всі закони фізики.

II постулат (Сталість швидкості світла): швидкість світла у вакуумі однакова у всіх інерціальних системах відліку - вона не залежить ні від швидкості джерела, ні від швидкості приймача світлового сигналу.

СЛІДСТВА З ПОСТУЛАТІВ СТО

1. Відносність одночасності: події, одночасні в одній інерціальній системі відліку, можуть не бути одночасними в іншій системі відліку, тобто одночасність подій відносна.

2. Відносність проміжків часу. В ІСО, які рухаються відносно власної системи відліку, інтервал часу між подіями збільшується, час уповільнюється.

3. Відносність відстаней. Довжина рухомого предмета скорочується в напрямку руху.

4. Релятивістський закон додавання швидкостей: швидкість руху тіла відносно нерухомої системи відліку дорівнює відношенню векторної суми швидкості цього тіла відносно рухомої системи відліку υ₁ і швидкості самої рухомої системи відліку υ₂ відносно нерухомої системи до суми одиниці і добутку цих швидкостей віднесеному до квадрату швидкості світла.

ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК МАСИ І ЕНЕРГІЇ - будь-яке тіло має енергію вже тільки завдяки факту свого існування, і ця енергія, називається власною енергією тіла Е₀, дорівнює добутку маси тіла (m) на квадрат швидкості світла у вакуумі (с²). Власну енергію тіла інакше називають енергією спокою. У неї не входять ні кінетична енергія тіла, ні його потенційна енергія в зовнішньому полі.

Із закону взаємозв'язку маси і енергії випливає: якщо нерухомому тілу повідомити деяку енергію, то його маса зміниться. Однак у звичайних макроскопічних процесах, з якими ми маємо справу в житті і техніці, зміни маси, зумовлені зміною енергії тіл, надзвичайно малі. Так, при нагріванні одного літра води від 0 до 100 ° С маса води збільшується всього лише на 5 · 10^-9 грам. Але, наприклад, маса Сонця через втрати енергії на випромінювання щомиті зменшується більш ніж на 4 мільйони тонн.

КВАНТОВА ФІЗИКА

Квант світла (фотон) - порція енергії електромагнітного випромінювання, елементарна частинка, що є порцією електромагнітного випромінювання, переносник електромагнітного взаємодії.

Гіпотеза Планка - гіпотеза, висунута 14 грудня 1900 Максом Планком і полягає в тому, що при тепловому випромінюванні енергія випускається і поглинається не безперервно, а окремими квантами (порціями). Кожна така порція – квант має енергію Е, пропорційну частоті ν випромінювання.

Стала Планка (h) - фундаментальна фізична стала, коефіцієнт, що зв'язує величину енергії електромагнітного випромінювання з його частотою. Має розмірність добутку енергії на час. Фізичний зміст постійної Планка полягає в тому, що величини з розмірністю дії (енергія · час) зустрічаються в природі тільки як цілі, кратні постійної Планка.

Фотоефект - явище виривання електронів з речовини під дією світла. Якщо вирвані електрони вилітають за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім. Якщо під дією світла збільшується електропровідність напівпровідника за рахунок електронів, вирваних з молекул або атомів, фотоефект називається внутрішнім.

Закони фотоефекту:

1 закон: сила фотоструму насичення прямо пропорційна світловому потоку, що падає на катод;

2 закон: максимальна початкова швидкість (кінетична енергія) фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою;

3 закон: для кожної речовини існує мінімальна частота (максимальна довжина хвилі світла, нижче якої фотоефект неможливий. Її називають червоної межею фотоефекту.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту - це рівняння, що виражає зв'язок між енергією фотона (Е), який бере участь у фотоефекті, максимальною кінетичної енергією (Е_к.mах), з якою вилетів електрон із речовини, і характеристикою метала, на якому спостерігається фотоефект, - роботою виходу для металу (Ав).

Застосування фотоефекту в техніці

Прилади, принцип дії яких заснований на явищі фотоефекту, називають фотоелементами. Фотоелементи застосовують у різних схемах автоматики для керування електричними ланцюгами з допомогою світлових пучків, в управлінні виробничими процесами, у фотометрії для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості ... Фотоелементи застосовуються для сортування виробів за розмірами і забарвленням, приладах нічного бачення. Напівпровідникові фотоелементи, що працюють на принципі перетворення світлової енергії сонячного випромінювання безпосередньо в електрику називають сонячними батареями. Їх використовують для отримання електричної енергії в електронних годинниках, калькуляторах, радіоприймачах і магнітофонах, садових ліхтарях, для виробництва електрики …

Тиск світла - тиск, який чинить світлове (і взагалі електромагнітне) випромінювання, що падає на поверхню тіла. Квантова теорія світла пояснює тиск світла як результат передачі фотонами свого імпульсу атомам або молекулам речовини. Тиск світла показує, що потік випромінювання має не тільки енергію, а й імпульс, а отже, і масу.

 Дослід Лебедєва - вперше виміряв тиск світла на тверді тіла та гази. Прилад Лебедєва складався з дуже легкого стрижня на тонкій скляній нитці, по краях якого були приклеєні легкі крильця: з одного боку білі, з іншого - чорні. Весь прилад знаходився у посудині, звідки було викачане повітря. Світло падало на крильця, розташовані по одну сторону від стрижня. Про значення тиску судили по куту закручування нитки. Тиск світла залежить від коефіцієнта відбиття поверхні: при відбитті від дзеркальної поверхні крильце отримує імпульс 2р. Поверхня чорного крильця поглинає світло імпульсом р.