CZĘŚĆ 6C WSTĘP DO SZCZEGÓLNEJ TEORII WZGLĘDNOŚCI

background image

Wprowadzenie do fizyki

Mirosław Kozłowski

rok akad. 2002/2003

background image

Część 6c

Wstęp do

Szczególnej Teorii

Względności

background image

6.12 Wszechświat, świat fotonów.
6.13 Doświadczenie R. A. Millikana.
6.14 Transformacja Lorenza dla energii całkowitej pędu.
6.15 Ważenie fotonów. Efekt Comptona.

Wstęp do Szczególnej Teorii

Względności cz. c

Slajd podsumowania

Koniec

pokazu

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

3

6.15 Ważenie fotonów. Efekt Comptona.
6.16 Wnioski z doświadczenia H.Comptona.
6.17 Zjawisko Dopplera.
6.18 Prawo E. P.Hubble’a.
6.19 Nowe jednostki odległości.
6.20 Nowe jednostki odległości-czasu.
6.21 Promieniowanie reliktowe.

background image

Linki do stron WWW

Hyper Physics

4

Astronomy Picture of the Day

Space Photos and Images

background image

6.12 Wszechświat, Świat fotonów

Hipotetyczna cząstka foton:

masa = 0,
prędkość = c,

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

5

prędkość = c,
energia = E,
pęd = E/c.

background image

x

x’

t

t

foton,
m=0

Rozważmy dwa układy inercyjne:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

6

( )

[

]

( )

.

,

2





+

=

+

=

x

c

V

t

V

t

t

V

x

V

x

γ

γ

m=0

Transformacja Lorentza
(x,t)

(x’,t’):

background image

( )

( )

[

]

,

,

1

t

V

t

t

V

t

=

=

γ

γ

Foton „spoczywa” w x’= 0

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

7

.

1

2

1

2

2

t

c

V

t





=

background image

.

0

=

t

Dla fotonu V = c, stąd

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

8

Wniosek:

Fotony żyją wiecznie. Są ponadczasowe.
Nie odczuwaj
ą upływu czasu.

background image

6.13 Doświadczenie R. A. Millikana

(1916)

Równanie A. Einsteina
Dla fali e-m o energii E
i częstości

ν

spełniony jest wzór Plancka-

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

9

i częstości

ν

spełniony jest wzór Plancka-

Einsteina:

,

hv

E

=

gdzie h – stała Plancka.

background image

,

2

,

2

2

max

2

max

S

eV

mv

W

mv

h

=

+

=

ν

Prawo zachowania energii

gdzie V

S

= potencjał hamujący.

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

10

.

,

e

W

e

h

V

W

eV

hv

S

S

=

+

=

ν

background image

.

,

ν

d

dV

e

h

e

h

dV

dV

S

S

=

=

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

11

ν

d

Wynik naszych pomiarów:

h= 8.01·10

-27

erg·s.

Wartość dokładna:

h=6.6 ·10

-27

erg·s.

background image

6.14 Transformacja Lorentza dla

energii całkowitej i pędu

2

x

c

V

t

t

V

x

+

+

Transformacja Lorentza dla x i t

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

12

.

1

,

1

2

2

2

2

2

c

V

x

c

t

t

c

V

t

V

x

x

+

=

+

=

background image

( )

( )

stałe.

=

=

2

2

2

2

2

2

t

c

x

t

c

x

Niezmiennik transformacji Lorentza dla x i t:

p

r

Niezmiennik transformacji Lorentza dla E i :

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

13

(

)

( )

( )

.

,

,

2

2

2

2

2

ct

r

ct

r

, E

p

c

E

p

r

r

r

r

stałe,

stałe,

=

=

background image

,

x

r

p

r

r

( )

2

E

E

Z tabeli wynikają analogie:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

14

( )

.

,

2

2

2

2

c

E

t

c

E

t

c

background image

,

,

2

2

2

2

p

c

V

c

E

c

E

c

E

V

p

p

+

=

+

=

γ

γ

p

r

Stąd otrzymujemy wzory Lorentza dla E i .

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

15

,

1

1

,

2

2

2

2

2

c

V

p

c

c

c

=

+

=

γ

γ

background image

(

)

,

,

2

p

V

E

E

c

E

V

p

p

+

=

+

=

γ

γ

( )

,

4

2

0

2

c

m

pc

E

+

=

czyli

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

16

( )
( )

.

,

,

,

0

0

2

2

0

2

0

v

m

p

v

m

p

c

m

c

p

E

c

m

pc

E

=

=

+

=

+

=

r

r

γ

γ

background image

6.15 Ważenie fotonów,

Efekt Comptona

Własności hipotetycznej cząstki:

m

0

=0, E=pc, p=E/c.

Zderzenia fotonów z elektronami

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

17

foton

elektron

f

p

r

0

=

e

p

r

f

p

r

e

p

r

background image

Po zderzeniu:

0

m

0

c

2

Elektron

E/c

E

Foton

Pęd

Energia

Cząstka

Przed zderzeniem:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

18

Po zderzeniu:

Elektron

E’/c

E

Foton

Pęd

Energia

Cząstka

(

)

( )

[

]

2

1

2

2

2

0

pc

c

m

+

p

r

background image

( )

( )

.

2

2

2

0

2

0

pc

c

m

E

c

m

E

+

+

=

+

y

Prawo zachowania energii:

Prawo zachowania pędu:

.

p

p

p

r

r

r

+

=

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

19

x

f

p

r

p

r

f

p

r

θ

.

p

p

p

f

f

r

r

r

+

=

background image

(

)

.

cos

1

1

1

1

2

0

θ

=

c

m

E

E

Stosujemy wzór Einsteina-Plancka:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

20

.

,

,

,

ν

λ

ν

λ

ν

ν

=

=

=

=

c

c

h

E

h

E

background image

(

)

.

cos

1

0

θ

λ

λ

=

c

m

h

h

=

λ

Wzór Comptona

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

21

.

0

c

m

h

c

=

λ

Długość fali Comptona dla cząstki o masie m

0

background image

2.42·10

-12

m

Elektron

Długość fali

Comptona

Cząstka

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

22

1.2 ·10

-15

m

Proton

background image

6.16 Wnioski z doświadczenia

H. Comptona

a.

Zmiana długości fali fotonu obliczona
teoretycznie doskonale zgadza się z
doświadczeniem. Oznacza to, że m

f

= 0.

b.

λ

λ

λ

<<

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

23

b.

c.

rentgen

e

c

λ

λ

<

sw

p

c

e

c

λ

λ

λ

<<

,

background image

24

background image

6.17 Zjawisko Dopplera

t

x

x

t’

V

foton

fotony

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

25

Gwiazda

Ziemia

Foton obserwowany
na Ziemi (h

ν

, h

ν

/c).

Foton w układzie
związanym z
gwiazdą
(h

ν

’, h

ν

’/c).

background image

( )

[

]

( )

( )

,

1

,

,

=





=

+

=

V

V

V

c

h

h

V

h

V

p

E

V

E

γ

ν

ν

ν

ν

γ

ν

γ

Transformacja Lorentza dla energii fotonu:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

26

( )

.

1

1

,

1

2

2

=





=

c

V

c

V

c

V

ν

ν

γ

ν

ν

background image

.

1

1

2

1

=

c

V

ν

ν

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

27

.

1

2

1

+

=

c

V

ν

background image

Wnioski

a.

ν

<

ν

’,

λ

>

λ

Oznacza to „poczerwienienie” tzn. przesunięcie
ku czerwieni linii w widmach optycznych
Galaktyk.

b.

Miarą „poczerwienienia” jest współczynnik:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

28

.

1

1

1

1

+

=

=

=

c

V

c

V

z

ν

ν

λ

λ

λ

background image

c.

W przypadku, gdy V/c<<1:

.

c

V

z

=

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

29

d.

Pomiar „z” pozwala wyznaczyć prędkość
„ucieczki” Galaktyki.

c

background image

6.18 Prawo E. P. Hubble’a

,

d

H

V

=

Prędkości ucieczki Galaktyki są wprost
proporcjonalne do ich odległości od Ziemi:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

30

,

0

d

H

V

=

V = prędkość ucieczki Galaktyki,
d = odległość Galaktyki od Ziemi,
H

0

= stała Hubble’a.

background image

Wnioski

.

1

0

=

=

=

H

T

d

H

V

d

T

V

a.

Prawo Hubble’a pozwala wyznaczyć wiek
Wszechświata, T. Od początku Wszechświata
upłynęło T [s], a więc

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

31

0

0

=

d

H

V

.

1

0

=

H

T

b. Wiek Wszechświata

background image

(

)

s.

s

km

s

km

1

-

17

1

0

18

19

0

10

29

.

4

,

10

33

.

2

10

09

.

3

72

~

=

=

=

H

T

H

c.

H

0

wyznaczone z pomiarów przesunięcia

linii w Galaktyce:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

32

s.

0

10

29

.

4

=

=

H

T

s.

10

3.15

s

rok

7

=

=

60

60

24

365

1

d.

background image

lat.

10

3.15

s

7

10

17

10

36

.

1

10

29

.

4

=

=

=

T

e.

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

33

lat.

10

10

=

T

Wiek Wszechświata:

background image

10

-42

s - Początek czasoprzestrzeni

10

-4

s - Powstają nukleony i antynukleony.

Anihilacja nukleonów i antynukleonów
wywołuje emisję fotonów.

Historia Wszechświata

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

34

wywołuje emisję fotonów.
Czasoprzestrzeń wypełnia materia i
ś

wiatło.

60 s -

Powstają jądra helu.

background image

300 000 lat -

Powstają atomy. Fotony „wyswobadzają się” -
oddzielają się od materii. Czasoprzestrzeń
staje się przeźroczysta dla światła. To światło
– Obecnie fotony pochodzące z Wielkiego
Wybuchu mają energię ~10

-4

eV. Po raz

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

35

Wybuchu mają energię ~10

-4

eV. Po raz

pierwszy zostały one zaobserwowane przez
Arno Penziasa i Roberta Wilsona w 1965 r.

(Astr. Phys. J. 142 (1965) 419)

background image

h

tt

p

:/

/w

w

w

.s

p

ac

e.

co

m

/s

ci

en

ce

as

tr

o

n

o

m

y

/a

st

r

o

n

o

m

y

/c

o

sm

ic

_

li

g

h

t_

0

1

0

8

0

8

.h

tm

l

36

h

tt

p

:/

/w

w

w

.s

p

ac

e.

co

m

/s

ci

en

ce

as

tr

o

n

o

m

y

/a

st

r

o

n

o

m

y

/c

o

sm

ic

_

li

g

h

t_

0

1

0

8

0

8

.h

tm

l

background image

h

tt

p

:/

/o

p

o

si

te

.s

ts

ci

.e

d

u

/p

u

b

in

fo

/g

if

/H

D

F

W

F

3

.g

if

37

h

tt

p

:/

/o

p

o

si

te

.s

ts

ci

.e

d

u

/p

u

b

in

fo

/g

if

/H

D

F

W

F

3

.g

if

background image

h

tt

p

:/

/o

p

o

si

te

.s

ts

ci

.e

d

u

/p

u

b

in

fo

/g

if

/M

D

S

g

al

ax

.g

if

38

h

tt

p

:/

/o

p

o

si

te

.s

ts

ci

.e

d

u

/p

u

b

in

fo

/g

if

/M

D

S

g

al

ax

.g

if

background image

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

39

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap010128.html

background image

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

40

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap971229.html

background image

N

a

sz

e

st

a

łe

f

iz

yc

zn

e

-27

2,086 10

-27

kg

m

m

1,67 10

-27

kg

938 MeV/c

2

2,086 10

-27

kg

m

P

9,1 10

-31

kg

0,511 MeV/c

2

11,36 10

-31

kg

m

e

1,6 10

-19

C

2 10

-19

C

e

„Prawdziwa

wartość

Nasze pomiary

Stała

fizyczna

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

41

N

a

sz

e

st

a

łe

f

iz

yc

zn

e

6,6 10

-27

erg s

3,8 10

-27

erg s

stała

Plancka

2,97 10

10

cm/s

2,87 10

10

cm/s

c =

prędkość

ś

wiatła

1,67 10

-27

kg

938 MeV/c

2

2,086 10

-27

kg

m

H

m

P

h

background image

Nasze stałe fizyczne cd.

1,6 10

-33

cm

Elementarna jednostka
długości =długość Plancka

0,592 10

-10

m

Promień atomu

„Prawdziwa wartość”

Nasze
pomiary

Stała fizyczna

2

2

0

e

m

a

e

h

=

(

)

L

G c

p

=

h

3

1

2

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

42

2,2 10

-5

G

Elementarna jednostka masy =
masa Plancka

5,3 10

-44

s

Elementarna jednostka czasu =
czas Plancka

długości =długość Plancka

(

)

T

G c

p

=

h

5

1

2

(

)

M

c G

p

=

h

1

2

background image

6.19 Nowe jednostki odległości

s

km

10

3

s

ly

5

7

10

15

.

3

1

=

=

1 rok świetlny = 1 ly =
odległość jaką światło przebywa w ciągu 1 roku.

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

43

km.

s

12

10

45

.

9

=

1 rok świetlny = 9.45 ·10

12

km.

background image

min.

8.33

s

s

km

10

3

km

5

=

=

=

=

500

10

150

6

c

L

t

Odległość Słońce

Ziemia światło przebywa

w czasie:

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

44

min.

8.33

s

s

km

10

3

5

=

=

=

=

500

c

t

background image

45

background image

6.20 Nowe jednostki odległości -

czasu

1 AU

1 jednostka astronomiczna = średnia
odległość Ziemi od Słońca.

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

46

odległość Ziemi od Słońca.

Wartość liczbowa 1 AU=1.49 ·10

11

m.

background image

1 ly

1 rok świetlny = odległość jaką przebywa światło
(z prędkością c)
w ciągu 1 roku kalendarzowego.

Wartość liczbowa 1 ly

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

47

1ly = 365

·

24

·

3600 ·3·10

8

m/s =

= 3.15

·

10

7

s ·3 ·10

8

m/s =

= 9.46x10

15

m = 6.32x10

4

AU.

liczba sekund w 1 roku

background image

wartość w
metrach

jednostka

1 pc=1 parsec=3.08·10

16

m=3.26 ly

1 Mpc = 10

6

parsec=3.08

·

10

22

m = 3.26

·

10

6

ly

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

48

3.08 ·10

22

m

1 Mpc

3.08 ·10

16

m

1 pc

9.46 ·10

15

m

1 ly

1.49 ·10

11

m

1 AU

metrach

background image

6.21 Promieniowanie reliktowe

Cały Wszechświat jest wypełniony
jednorodnym promieniowaniem
elektromagnetycznym. Maksimum

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

49

elektromagnetycznym. Maksimum
natężenia tego promieniowania przypada
dla długości fali

1.3 mm

(promieniowanie mikrofalowe).

background image

h

tt

p

:/

/a

et

h

er

.l

b

l.

g

o

v

/w

w

w

/s

ci

en

ce

/c

m

b

.h

tm

l

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

50

A map of the sky at microwave frequencies, showing that the CMB is
almost completely the same in all directions.

Promieniowanie reliktowe

h

tt

p

:/

/a

et

h

er

.l

b

l.

g

o

v

/w

w

w

/s

ci

en

ce

/c

m

b

.h

tm

l

background image

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

51

http://aether.lbl.gov/www/projects/cobe/

Promieniowanie reliktowe

background image

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

52

http://aether.lbl.gov/www/projects/cobe/

Promieniowanie reliktowe

background image

.

2

2

P

PR

E

c

h

c

h

ch

c

h

h

π

ν

π

ν

ν

λ

=

=

=

=

=

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

53

.

197

2

fmMeV

c

h

=

=

h

h

π

background image

Maksimum natężenia promieniowania
reliktowego przypada dla energii
E

PR

=10

-4

eV. Odpowiada to promieniowaniu

ciała doskonale czarnego o temperaturze T

3 K.

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

54

W 1 m

3

znajduje się około 10

8

fotonów

promieniowania reliktowego.

background image

To jest ostatni slajd trzeciej części rozdziału „Wstęp
do Szczególnej Teorii Względności”.
Możesz:
•przejść do „Spisu treści” i wybrać inny rozdział,
•wrócić do materiału tego rozdziału,
•zakończyć pokaz.

Wstęp do Szczególnej Teorii Względności, cz.c

55

Spis treści

Koniec

pokazu


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
CZĘŚĆ 6C WSTĘP DO SZCZEGÓLNEJ TEORII WZGLĘDNOŚCI
CZĘŚĆ 6A WSTĘP DO SZCZEGÓLNEJ TEORII WZGLĘDNOŚCI
CZĘŚĆ 6A WSTĘP DO SZCZEGÓLNEJ TEORII WZGLĘDNOŚCI
CZESC 6B WSTEP DO SZCZEGOLNEJ T Nieznany
11 elementy szczególnej teorii względności
Wyklad11 11 Elementy szczególnej teorii względności, BUDOWNICTWO PG, II SEMESTR, FIZYKA, wykłady
wstep do logiki i teorii mnogosci
Wykład 11 Elementy szczególnej teorii względności ppt
Wykł 02 Elementy szczególnej teorii względności
Wyklad 29 Podstawy szczególnej teorii względności
Podstawy Szczególnej Teorii Względności
Elementy szczególnej teorii względności
Fisiak Jacek Wstęp do współczesnych teorii lingwistycznych 1z3

więcej podobnych podstron