ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 25
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 25. Постулаты специальной теории относительности

Как постоянная скорость света меняет измерения времени и длины?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как постоянная скорость света меняет измерения времени и длины?

Наблюдаем и объясняем

Световые часы и движущаяся линейка

Меняй долю скорости света и собственный интервал. Сравни длину пути света и показания.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

0.6
4 с

Световой путь показан для половины цикла поперечных часов; линии нормированы по высоте. Собственная длина линейки 100 м, L = L₀/γ. Это схема измерений, не вид через камеру.

01

Два постулата

Первый постулат: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Он распространяет принцип относительности с механики на все физические процессы. Никакой внутренний физический опыт не выделяет одну инерциальную систему как абсолютно покоящуюся.

Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных наблюдателей и не зависит от движения источника. Обозначение c относится к вакууму; распространение в веществе требует учёта свойств среды.

Относительность законов

Инерциальные системы равноправны

Инвариантность c

Одна вакуумная скорость света

Два постулата требуют согласованного преобразования пространства и времени.

Противоречит ли принцип относительности тому, что наблюдатели измеряют разные времена?

Нет. Одинаковы законы связи измерений, а не обязательно численные значения каждой величины.

02

Световые часы и собственное время

Световые часы мысленно состоят из двух зеркал и импульса между ними. В системе часов импульс проходит вертикальный путь. Для наблюдателя, относительно которого часы движутся поперёк этого пути, траектория между теми же отражениями наклонна и длиннее.

Поскольку скорость света одна и та же, между этими событиями в системе наблюдателя проходит больше времени. Δt = γΔτ, где γ = 1/√(1 − v²/c²). Собственное время Δτ измеряют часы, находящиеся в одном месте в своей системе между рассматриваемыми событиями.

Безразмерная скорость

β = v/c

Коэффициент

γ = 1/√(1 − β²)

Интервал времени

Δt = γΔτ

Собственное время относится к двум событиям на одних часах; в другой системе интервал для этих событий больше.

При v = 0,6c чему равна γ?

γ = 1/√(1 − 0,36) = 1/0,8 = 1,25. Для Δτ = 4 с другой интервал равен 5 с.

Международная космическая станция над Землёй

Для движения космических аппаратов важны система отсчёта и точность измерений. В точных часах учитывают движение и гравитационные поправки.

NASA · Общественное достояние · Источник фотографии.

Маятниковые часы

Маятник задаёт повторяющийся ритм механизма. Реальные часы восполняют потери энергии, поэтому их движение не является бесконечным свободным колебанием.

Christoph Braun · CC0 · Источник. Без изменений.

03

Длина и одновременность

Собственная длина L₀ измеряется в системе покоя предмета. Длину движущегося предмета вдоль движения определяют по координатам его концов, измеренным одновременно в системе наблюдателя. Тогда L = L₀/γ. Поперечные размеры в СТО так не сокращаются.

Одновременность удалённых событий зависит от системы отсчёта. Поэтому взаимное описание движущихся линеек и часов не создаёт логического противоречия: разные наблюдатели используют разные наборы одновременных событий. Нельзя смешивать измерения из разных систем.

Длина и одновременность: сравнение
ВеличинаСобственнаяВ другой системе
Временной интервалΔτ на одних часахΔt = γΔτ
Продольная длинаL₀ в покое предметаL = L₀/γ
Скорость света в вакуумеcc

Сокращение длины требует одновременного измерения концов в системе наблюдателя.

Почему обычная фотография не является прямым измерением сокращённой длины?

Свет от разных точек приходит с разными задержками. Видимый снимок и одновременные координаты концов — разные способы описания.

04

Модель и границы вывода

Модель показывает световой ход, отношение времён и длину линейки при выбранном β. При β = 0 все коэффициенты равны единице. По мере приближения к c коэффициент γ растёт; значение β = 1 для массивных часов не допускается.

При β = 0,8 получаем γ ≈ 1,667. Собственный интервал 3 с соответствует 5 с в системе, где часы движутся, а собственная длина 100 м — длине 60 м. Это не повреждение часов и не сжатие материала приложенной силой, а связь измерений.

Назвать систему покоя

Определить Δτ и L₀

Вычислить γ

Скорость делить на c

Применить связь

Время умножить, длину разделить

Релятивистские эффекты относятся к способу сравнения событий и измерений в разных системах.

Что происходит при v намного меньше c?

γ близок к единице, поэтому различия времени и длины становятся малы и получается классическое приближение.

Соберём главное

Шесть выводов

01Два постулата требуют согласованного преобразования пространства и времени.
02Собственное время относится к двум событиям на одних часах; в другой системе интервал для этих событий больше.
03Сокращение длины требует одновременного измерения концов в системе наблюдателя.
04Релятивистские эффекты относятся к способу сравнения событий и измерений в разных системах.
05Слово «собственный» всегда указывает на определённую систему и способ измерения.
06Специальная теория относительности описывает инерциальные системы без необходимости вводить гравитацию.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Первый постулат СТО утверждает…
2. Второй постулат относится к…
3. Коэффициент γ равен…
4. При β = 0,6 γ…
5. Собственный интервал 4 с, γ = 1,25. Другой интервал…
6. Собственная длина 100 м, γ = 1,25. Длина вдоль движения…
7. Как измеряют длину движущегося тела?
8. Собственное время измеряется…
9. Одновременность удалённых событий…
10. При β → 0 коэффициент γ…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 25. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 25. Постулаты специальной теории относительности.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…