Перейти к содержанию

Специальная теория относительности: пространство-время, энергия и импульс

Физика 12 класс Сложность 4/5

Начало урока

Относительность как теория пространства-времени

Специальная теория относительности описывает измерения в инерциальных системах отсчёта, где свободное тело движется с постоянной скоростью. В её основе два постулата: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах, а скорость света в вакууме c одинакова для каждого инерциального наблюдателя и не зависит от движения источника. Поэтому пространство и время преобразуются совместно как пространство-время.

Фактор Лоренца
γ = 1/√(1 − v²/c²), всегда не меньше 1.
Замедление времени
Δt = γΔτ, где Δτ — собственное время одних часов в одном месте.
Сокращение длины
L = L₀/γ только вдоль движения.

Собственная длина L₀ измеряется в системе покоя объекта. Собственное время Δτ измеряется между событиями, происходящими в одном месте системы покоя часов. В другой системе нужны преобразования Лоренца. События, одновременные в одной системе, могут быть неодновременными в другой, поскольку синхронизация удалённых часов зависит от системы отсчёта.

система часовпуть движущихся часов

Диагональный путь света длиннее, но каждый инерциальный наблюдатель измеряет одну и ту же c. Значит, интервал между тиками больше в системе, где часы движутся. Это не оптическая задержка и не неисправность часов, а геометрическое свойство пространства-времени.

Релятивистские энергия и импульс

Для частицы с инвариантной массой покоя m: p = γmv и E = γmc². Кинетическая энергия K = E − mc² = (γ − 1)mc². Выполняется связь E² = (pc)² + (mc²)². Для фотона m = 0, поэтому E = pc. При v ≪ c фактор γ близок к 1, и формулы переходят в p ≈ mv и K ≈ ½mv².

Инвариантная основа: наблюдатели могут получать разные значения времени, расстояния, энергии и импульса, но законы и инвариантные связи остаются согласованными.

Продолжите этот урок на YourAIZone

В полном уроке — объяснение целиком, разобранные примеры, частые ошибки, тесты с мгновенной проверкой и ИИ-репетитор. Начните сразу как гость или создайте аккаунт, чтобы сохранять прогресс.

В полном уроке

  • Объяснение целиком
  • Разобранные примеры
  • Частые ошибки и как их избежать
  • Тестовые вопросы: 15
  • ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы по теме
  • Отслеживание прогресса для ученика, родителей и учителя