Основы специальной теории относительности

Специальная теория относительности (СТО) основывается на двух постулатах:

1) Инвариантность скорости света – во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не меняется при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую.

2) Принцип относительности Эйнштейна – в инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково.

Пространство и время в СТО.

1) При переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую расстояние между точками тела и промежутки времени могут изменяться. Эти изменения заметны только при скоростях, близких к скорости света.

2) Скорость материального тела не может превышать скорость света в вакууме.

Полная энергия тела Е пропорциональна массе m тела:

E=mc².

Энергия Е₀ покоящегося тела называется собственной энергией или энергией покоя тела:

E₀=m₀c²,

где m₀ – масса покоя тела.

Кинетическая энергия свободного тела в СТО равна:

E_кин=E ­– E₀.

При скоростях близких к скорости света в вакууме закон сложения скоростей имеет вид:

В движущихся системах отсчета:

1. Масса тела увеличивается:

2. Линейные размеры тела уменьшаются:      

3. Продолжительность промежутков времени увеличивается:

Квантовая физика

Тепловое излучение – электромагнитное излучение, вызванное тепловым движением атомов или молекул вещества.

Гипотеза Планка.

При тепловом излучении энергия электромагнитных волн излучается и поглощается отдельными порциями – квантами или фотонами (частицами света).

Энергия фотона (квант энергии) определяется по формуле Планка:

E_ф = h n = h c / l, 

где n - частота электромагнитной световой волны; h = 6,63×10^-34 Дж×с — постоянная Планка; l — длина волны излучения. 

Скорость фотонов равна скорости света c.

Импульс фотона:   p_ф = h / l = h×n / с

Масса фотона:      m = h×n / с² = h / (l×c).

Внешний фотоэффект — явление испускания электронов с поверхности вещества под действием света. Эти электроны называются фотоэлектронами.

Работа выхода — минимальная энергия, которую нужно передать электрону, чтобы вырвать его из вещества.

Законы фотоэффекта (законы Столетова).

1) Максимальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и свойств поверхности вещества и не зависит от силы света.

2) Число вылетевших из вещества фотоэлектронов пропорционально силе света.

3) Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта-минимальная частота n_min (максимальная длина волны l_max), при которой фотоэффект еще возможен. Если n < n_min (l_max > l), то фотоэффект невозможен.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Падающий на поверхность вещества фотон передает свою энергию электрону. Эта энергия затрачивается на работу выхода А электрона из вещества и на сообщение электрону кинетической энергии:

E_ф = А_вых + Е_к.

Задерживающее напряжение (потенциал).

Выбитые электроны возможно вернуть в вещество электрическим полем. При этом                                      E_к = e×U,

где e - заряд электрона, U - задерживающее напряжение.

Условие существования фотоэффекта: Е_ф ³ А_вых — фотоэффект существует,         Е_ф < А_вых — фотоэффект невозможен.