Презентация на тему: Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы

Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы
1/35
Средняя оценка: 4.5/5 (всего оценок: 68)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (1895 Кб)
1

Первый слайд презентации

Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы СТО 1. Измерения скорости света с = (2,997925 ± 0,000003) 10 8 м/с; 2. Скорость света в вакууме – предельная скорость передачи взаимодействия 3. скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Опыт Майкельсона и Морли (1887 г.) Поставлен с целью определить скорость света в ИСО при относительном движении.

Изображение слайда
2

Слайд 2

В результате многочисленных опытов был установлен факт независимости скорости света в вакууме от выбора ИСО (т.е. от скорости движения источника света и приемника) Постулаты СТО 1. скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО. 2. никакими физическими опытами, проведенными внутри инерциальной системы отсчета, невозможно установить: покоится данная система отсчета или движется прямолинейно и равномерно. Из первого постулата следует, что фронт световой волны в вакууме представляет собой сферу в любой ИСО. Преобразования Лоренца Будем искать преобразования координат и времени, оставляющие фронт световой волны сферическим в любой ИСО

Изображение слайда
3

Слайд 3

Запишем уравнение сферической поверхности в системе отсчета S и S ' Воспользуемся для начала преобразованиями Галилея и подставим их в уравнение сферы (2) Будем искать преобразование линейное относительно x и t, т.к. нужно получить уравнение сферической поверхности расширяющейся с постоянной скоростью. Для этого придется изменить преобразование времени, чтобы избавиться от ненужных слагаемых. Находим коэффициент 

Изображение слайда
4

Слайд 4

Подстановка этого преобразования дает: Теперь достаточно просто получить окончательные преобразования

Изображение слайда
5

Слайд 5

Следствия из преобразований Лоренца 1. Одновременность событий в различных И.С.О. 2. Сокращение размеров движущихся тел О поперечных к направлению движения размерах: Рассмотрим движение двух одинаковых колец. Пусть размеры движущегося предмета уменьшаются, тогда в системе К 1 кольцо К  1 пройдет внутри кольца К 1, а в системе К 1 кольцо К 1 пройдет внутри кольца К 1. Полученное противоречие доказывает, что поперечные размеры тел не изменяются

Изображение слайда
6

Слайд 6

Продольные размеры тел Измерение координат стержня в системе S производится в один и тот же момент времени по часам системы S.

Изображение слайда
7

Слайд 7

3. Эффект «замедления» времени В системе отсчета S  в одной точке пространства происходят два события, разделенные промежутком времени Δ t. Δ t=- собственное время

Изображение слайда
8

Слайд 8

В октябре 1971 года был проведен прямой эксперимент с атомными часами. Ожидаемое отставание часов в самолете – 184  23 нс. Наблюдаемое отставание составило 203  10 нс. 4. Релятивистский закон сложения скоростей

Изображение слайда
9

Слайд 9

5. Пространственно-временной интервал Покажем, что это величина инвариантная, учитывая, что dy = dz = 0 Времениподобный интервал (действительный) с 2 Δ t 2 > Δ l 2 Пространственноподобный интервал (мнимый) с 2 Δ t 2 < Δ l 2

Изображение слайда
10

Слайд 10

Элементы релятивистской динамики Релятивистский импульс Второй закон Ньютона при с В релятивистском законе динамики в общем случае направления векторов ускорения и силы не совпадают; нарушается и пропорциональность между величинами ускорения и силы

Изображение слайда
11

Слайд 11

Энергия частицы Умножим скалярно уравнение второго закона Ньютона справа на dr, а слева на  dt где d Е k – приращение кинетической энергии тела При  << с релятивистское выражение для кинетической энергии переходит в классическое

Изображение слайда
12

Слайд 12

Объединим выражения для релятивистского импульса и полной энергии - ультрарелятивистские частицы - инвариант СТО Инварианты СТО 1. скорость света - c =3 · 10 8 м/с 2. собственная длина тела - l o 3. собственное время -  4. пространственно – временной интервал S 12 5. масса покоя – m 6. энергия – импульс Е 2 – р 2 с 2

Изображение слайда
13

Слайд 13

Система отсчета. Скалярные и векторные физические величины (радиус - вектор, перемещение и путь материальной точки). Основные кинематические характеристики движения частиц (средняя и мгновенная скорости мат. точки). Ускорение частицы при криволинейном движении (тангенциальное, нормальное и полное ускорения). Угловая скорость и угловое ускорение (кинематические характеристики вращательного движения). Связь между угловыми и линейными скоростями и ускорениями в векторной форме. Первый закон Ньютона. Понятие инерциальной системы отсчета. Масса. Уравнение движения (второй закон Ньютона и импульс тела). Третий закон Ньютона. Закон сохранения импульса (для материальной точки и системы материальных точек). Центр инерции (центр масс). Закон движения центра инерции. Уравнение движения тела с переменной массой (на примере ракеты). Уравнение Мещерского. Момент силы, момент импульса относительно точки (полюса). Уравнение моментов. Момент импульса. Момент силы (относительно оси вращения). Момент инерции твердого тела относительно оси (теорема Штейнера). Уравнение движения твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси. Закон сохранения момента импульса (для вращающегося тела и системы тел). Работа, мощность (при поступательном и вращательном движениях). Кинетическая энергия (при поступательном и вращательном движениях). Консервативные и неконсервативные силы. Примеры. Потенциальная энергия (ее свойства и связь с консервативной силой). Закон сохранения энергии в механике. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Инварианты преобразования, закон сложения скоростей. Механический принцип относительности Галилея. Принцип относительности в релятивистской механике (экспериментальные основы СТО и постулаты СТО). Преобразования Лоренца для координат и времени и их следствия (одновременность событий в различных ИСО). Преобразования Лоренца для координат и времени и их следствия (сокращение размеров движущихся тел и эффект замедления времени). Релятивистский закон сложения скоростей в СТО. Релятивистские масса и импульс. Полная энергия частицы (взаимосвязь массы и энергии в СТО). Инварианты СТО (пространственно-временной интервал, энергия-импульс).

Изображение слайда
14

Слайд 14

Молекулярная физика и термодинамика 1. Макроскопическое тело (система) Все непосредственно наблюдаемые тела содержат громадное число частиц N (lnN>>1). Число Авогадро N A =6,02252 ·10 23 моль -1. Макроскопические тела обладают свойствами, которые невозможно объяснить только на основе законов механики. Эти свойства обусловлены движением его микроскопических частиц, которое обладает качественно новым свойством – беспорядочностью. Беспорядочное движение частиц, составляющих макроскопические тела, называется тепловым. Это движение определяет внутреннее состояние тела. Фундаментальным свойством теплового движения является его способность «заставлять» вещество макроскопических тел «забывать» свое начальное состояние.

Изображение слайда
15

Слайд 15

Изображение слайда
16

Слайд 16

Стационарное состояние –состояние, в которое переходит тело, будучи помещенным в неизменные условия. Это состояние не изменяется с течением времени, но в тоже время не исключается перенос через границы тела энергии, вещества, импульса, электрического заряда. Равновесное состояние (теплового или термодинамического равновесия)-тело помещено в неизменные условия и при этом исключены явления переноса (термодинамически изолированная система). Релаксация – процесс приближения к равновесному состоянию. Время релаксации, неравновесное состояние. 2. Макроскопические параметры Свойства равновесного состояния не зависят от деталей движения отдельных частиц и определяются поведением всего их коллектива. Это поведение характеризуется небольшим числом величин, называемых макроскопическими параметрами. Равновесное состояние проявляется в постоянстве во времени макроскопических параметров. Макропараметры характеризуют общие тенденции в поведении очень большого числа частиц т.е. имеют смысл средних значений физических величин, описывающих движение частиц тела.

Изображение слайда
17

Слайд 17

Давление Р – характеризует силы, действующие внутри жидкостей и газов. Закон Паскаля – в состоянии теплового равновесия сила давления, приложенная к любому элементу поверхности, находящейся в контакте с веществом газа или жидкости, пропорциональна площади элемента и ориентирована к нему по нормали. Важное свойство – в жидкости или газе, не находящихся во внешнем поле, давление всегда одинаково во всех участках среды, если только ее вещество достигло равновесного состояния. Температура – параметр, характеризующий степень нагретости тела. В случае классического характера движения частиц тела средняя кинетическая энергия поступательного движения одной частицы тела пропорциональна температуре Т: Дж/К Свойством равновесного состояния является равенство температуры различных частей тела Любой параметр описывает внутреннее состояние тела с точностью до флуктуаций.

Изображение слайда
18

Слайд 18

3. Уравнение состояния. Различные макроскопические параметры не являются независимыми. Закон, выражающий зависимость между параметрами, называется уравнением состояния тела. Свойства однородных газообразных и жидких тел в равновесном состоянии описываются объемом V, давлением Р и температурой Т. Установление вида этой функции на основа представлений об атомарном строении вещества является чрезвычайно сложной задачей, точно разрешенной только для идеального газа. Вывод уравнения для давления идеального газа  ’ – время столкновения  - время свободного пробега При этом длина свободного пробега должна быть много меньше размеров сосуда

Изображение слайда
19

Слайд 19

Уравнение Клапейрона - Менделеева

Изображение слайда
20

Слайд 20

Самостоятельно прочитать – изопроцессы в идеальном газе, их уравнения и графики: 1. изотермический 2. изобарный 3. изохорный Закон Дальтона – «давление механической смеси газов равно сумме парциальных давлений газов, входящих в смесь». Внутренняя энергия Характеристика внутреннего состояния макроскопического тела и определяется как среднее значение полной энергии всех частиц тела (обычно отсчитывается от суммарной энергии покоя всех частиц). Если тело состоит из N классических материальных точек, то

Изображение слайда
21

Слайд 21

Свойства внутренней энергии: 1. В состоянии теплового равновесия частицы макроскопического тела движутся так, что их полная энергия все время и с высокой точностью равна внутренней энергии тела: E = <E> = U. (обусловлено малостью статистических флуктуаций, для 0,01 моля газа  Е 10 -11 ). 2. Внутренняя энергия тела является функцией его макроскопического состояния, т.е. зависит от макроскопических параметров тела. Например для однородных жидкостей и газов это температура Т и объем V. 3. Внутренняя энергия обладает свойством аддитивности, т.е. внутренняя энергия системы тел равна сумме внутренних энергий каждого тела. Внутренняя энергия идеального газа в равновесном состоянии Число степеней свободы – Минимальное число параметров, задание которых полностью определяет положение физической системы (тела) в пространстве, называется числом ее степеней свободы. Частицы газа помимо поступательных степеней свободы обладают еще и внутренними степенями свободы: электронное движение внутри атомов, вращения молекул и колебания атомов в молекулах.

Изображение слайда
22

Слайд 22

Отличительной чертой квантовых движений является скачкообразный характер изменения энергии. Поэтому для возбуждения квантового движения необходимо сообщить частице некоторую минимальную порцию энергии Δ Е. Это возможно при столкновениях частиц, когда энергия поступательного движения может быть частично или полностью израсходована на возбуждение квантового движения. Энергия поступательного движения  kT, поэтому порции энергии Δ Е соответствует характеристическая температура Общая закономерность – с ростом температуры внутреннее движение быстро приобретает классический характер Для электронных движений в атомах Для колебательных движений молекул Для вращательных движений молекул

Изображение слайда
23

Слайд 23

Закон равнораспределения энергии по классическим степеням свободы В состоянии теплового равновесия на каждую поступательную и вращательную степень свободы приходится в среднем энергия равная кТ/2, а на каждую вращательную – кТ. Атомарный газ – атом обладает 3 мя поступательными степенями свободы Молекулярный газ – 2 х атомная молекула имеет 3 поступательные и 2 вращательные степени свободы; 3 х и более –атомная молекула имеет 3 поступательные и 3 вращательные степени свободы

Изображение слайда
24

Слайд 24

Статистические распределения Вероятность – это наиболее правдоподобная оценка доли случайных событий с данным исходом при большом числе их повторений в одних и тех же условиях и является величиной безразмерной. Основные теоремы теории вероятностей : 1. вероятность нескольких взаимоисключающих событий равна сумме вероятностей каждого из них. 2. вероятность одновременного осуществления нескольких независимых событий равна произведению вероятностей каждого из них Условие нормировки: сумма вероятностей всех возможных событий равна 1. Основные положения классической статистики Максвелла – Больцмана: 1. все частицы различимы; 2. все физические величины, характеризующие состояние частицы, изменяются непрерывно; 3. количество частиц, находящихся в тождественных состояниях, не ограничено.

Изображение слайда
25

Слайд 25

Изображение слайда
26

Слайд 26

Распределение Больцмана Характеризует распределение частиц в пространстве (по координатам) Рассмотрим вероятность обнаружить частицу в области dV=dxdydz вблизи точки с радиус-вектором r {x,y,z}. В равновесном состоянии вероятность с течением времени не меняется и будет определяться только положением интервала и его величиной - плотность вероятности или функция распределения значений радиус-вектора r Условие нормировки функции распределения

Изображение слайда
27

Слайд 27

Найдем функцию распределения для идеального газа классических частиц. Пусть газ занимает объем V и находится в равновесном состоянии при температуре Т. В отсутствии внешних силовых полей все положения частиц равновероятны, поэтому f( r )=f=const. В отсутствии внешнего поля вероятность обнаружить частицу в объеме dV не зависит от места расположения его При наличии внешнего поля происходит пространственное перераспределение частиц и f( r ) const. Плотность и давление газа оказываются в различных местах разными. Пусть силы внешнего поля являются потенциальными и действуют вдоль оси Z. При равновесии сумма всех сил, действующих на частицы газа в объеме dV, должна быть равна нулю. Разность сил давления, действующих на верхнее и нижнее основания, должна компенсировать действие сил внешнего поля, приложенных к частицам, находящимся в объеме dV.

Изображение слайда
28

Слайд 28

- сила внешнего поля, действующая на частицы в объеме dV - разность сил давления на верхнее и нижнее основания В равновесном состоянии температура газа везде одинакова и поэтому, согласно уравнению состояния, можно записать Интегрируя последнее выражение получим закон изменения концентрации частиц газа во внешнем силовом поле - формула Больцмана

Изображение слайда
29

Слайд 29

Функция распределения - распределение Больцмана Барометрическая формула Для идеальных газов давление отличается от концентрации постоянным множителем кТ ( T = const) и для поля тяжести Земли: z=h,  p =mgh.

Изображение слайда
30

Слайд 30

Изображение слайда
31

Слайд 31

Распределение Максвелла Характеризует распределение частиц классической системы по значениям модуля скорости. dN  - количество частиц, величина скорости которых попадает в интервал скоростей от  до  + d ; N – общее количество частиц; d - величина интервала. Функция Максвелла - распределение Максвелла Доля частиц, скорости которых лежат в интервале от  1 до  2

Изображение слайда
32

Слайд 32

Наиболее вероятная скорость

Изображение слайда
33

Слайд 33

График функции Максвелла Распределение молекул азота Зная распределение Максвелла можно найти среднее значение любой функции величины скорости Условие нормировки функции Максвелла

Изображение слайда
34

Слайд 34

Изображение слайда
35

Последний слайд презентации: Элементы специальной теории относительности (СТО) Экспериментальные основы

Опытная проверка закона распределения скоростей Максвелла Опыт Штерна Опыты Элдриджа и Ламмерта (1926-29 г.г.)

Изображение слайда