Thuyết tương đối (lê quang nguyên)

• Vận tốc của ánh sáng trong chân không là một hằng số c = 3.108 m/s, không phụ thuộc vào hệ quy chiếu và phương truyền.. Thời gian dãn ra– 4 • Khi hai biến cố xảy ra tại cùng một nơi tr

Trang 1

Thuyết tương đối

Biên soạn: Lê Quang Nguyên

www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen

nguyenquangle@zenbe.com

Nội dung

1 Hai tiên đề

2 Các hệ quả

a Thời gian dãn ra

b Chiều dài co ngắn lại

c Tính tương đối của

sự đồng thời

3 Phép biến đổi Lorentz

4 Các hệ quả khác

a Quan hệ nhân quả

b Sự bất biến của khoảng không-thời gian

c Phép cộng vận tốc mới

5 Động lượng và năng lượng

6 Ứng dụng

C

1 Hai tiên đề – 1

• Các hiện tượng vật lý diễn ra như nhau trong mọi

hệ quy chiếu quán tính

• Vận tốc của ánh sáng trong chân không là một hằng

số (c = 3.108 m/s), không phụ thuộc vào hệ quy

chiếu và phương truyền

C

A Einstein (1905)

1 Hai tiên đề – 2

• Nguyên lý tương đối Galilei: các hiện tượng cơ học diễn ra như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính

• Tiên đề 1 mở rộng nguyên lý tương đối cho mọi hiện tượng vật lý

• Thí nghiệm Michelson-Morley (1887): đo sự phụ thuộc của vận tốc ánh sáng vào trạng thái chuyển động của nguồn nhưng thất bại

• Do đó đã xác nhận tiên đề 2

C

2a Thời gian dãn ra– 1

• Xét một đồng hồ ánh sáng,

• Một “tích tắc” là một lần ánh

sáng đi từ dưới lên trên và phản

xạ trở về

• Trong hệ quy chiếu gắn liền với

đồng hồ,

• thời gian của một “tích tắc” là:

c

L

t0=2

∆

L

• Trong hqc nhìn thấy đồng hồ chuyển động với vận tốc V :

c∆t/2

V∆t/2

c∆t0/2

0 2 2

t c t V t

Trang 2

• Vậy đối với quan sát viên nhìn thấy đồng hồ

chuyển động, một tích tắc của đồng hồ là:

• V < c nên γ > 1, ∆t > ∆t0

• Theo quan sát viên nhìn thấy đồng hồ chuyển

động, đồng hồ có nhịp điệu dãn ra

• Mọi đồng hồ khác cũng vậy

C

2 2

0

t

−

∆

=

∆

0

t

t= ∆

(Theo tiên đề 1)

2 2

1

1 c V

−

=

γ

• Khi hai biến cố xảy ra tại cùng một nơi trong một

hệ quy chiếu quán tính,

• khoảng thời gian giữa chúng, đo trong hqc ấy, được gọi là thời gian riêng

• Khoảng thời gian giữa hai biến cố đó, đo trong mọi hqc quán tính khác, đều lớn hơn thời gian riêng

C

(∆t0)

2 2 0

t t

−

∆

=

Minh họa

• Chuyện Từ Thức thời hiện đại

• Từ Thức du hành đến một ngôi sao xa với vận tốc

V = 0,9996c Sau 3 năm thì trở về

• Theo người trên Trái Đất thì thời gian của

chuyến du hành là:

• Đã hơn 100 năm trôi qua trên Trái Đất!

C

(35,36)( )n =106, n

=

∆t

(0,9996) 35,36

1

=

γ

0

t

t= ∆

• Hạt muon đứng yên có thời gian sống là ∆t0 = 2,200 µs

• Khi chuyển động với vận tốc V = 0,9994c, thời gian sống của muon sẽ dài ra

• Điều này đã được thực nghiệm kiểm chứng

C

9994 , 0

=

=V c

β γ =1 1−β2=28,87

t

t=γ∆0= 28,87 2,200µ =63,51µ

∆

2b Chiều dài co ngắn lại – 1

• Chó Milou đang chạy chơi với vận tốc V thì thấy

một khúc xương,

• Milou đo thời gian ∆t0 giữa hai lần đi qua hai đầu

khúc xương

• Và suy ra chiều dài khúc xương là: L = V∆t0

V∆t0

và muốn đo chiều dài của nó

• Tuy nhiên, theo Tintin thì thời gian giữa hai biến

cố là: ∆t = γ∆t0 > ∆t0

• Do đó chiều dài thước là: L0= V∆t > L

• Suy ra:

• Chiều dài thanh thước chuyển động co ngắn lại

2 2

0 1 v c L

Trang 3

• Chiều dài của một vật đo trong hqc quán tính gắn

liền với vật được gọi là chiều dài riêng (L0)

• Chiều dài của cùng vật đó, đo trong mọi hqc quán

tính khác, đều nhỏ hơn chiều dài riêng

C

2 2

0 1 V c

L

2c Tính tương đối của sự đồng thời – 1

• Một xung sáng được phát ra từ giữa một toa tàu đang đi vào ga, và truyền về hai đầu toa

• Theo hành khách trên toa, hai tia sáng đạt tới hai đầu toa cùng một lúc

C

2c Tính tương đối của sự đồng thời – 2

• Theo người đứng dưới sân ga, tia sáng đi ngược

chiều chuyển động của tàu đạt tới vách trước

• Vì vận tốc ánh sáng là không đổi về cả hai phía,

và vì vách này tiến lại gặp tia sáng

• Hai biến cố xảy ra đồng thời trong một hqc, lại

không đồng thời trong một hqc khác

C

Bài tập áp dụng 1

Một hạt không bền đi vào một máy dò và để lại một vệt dài 1,05 mm trước khi phân rã Vận tốc hạt đối với máy dò là 0,992c

Thời gian sống riêng của hạt là bao nhiêu?

Hay nói cách khác, nếu hạt đứng yên đối với máy

dò thì hạt sẽ tồn tại được bao lâu trước khi phân rã?

C

Trả lời BT 1

• Thời gian sống của hạt đối với máy dò là:

• Thời gian sống riêng luôn luôn ngắn hơn và xác

định từ:

V

d

t =

γ

t

t =∆

∆0

ps s

m

10 3

992

,

0

10 05

,

1

8

3

=

×

=

∆

−

92 , 7 992 , 0 1

1

2 =

−

=

γ

ps s

92

,

7

53

,

3

∆

Trong một đời người, liệu có thể du hành đến một thiên hà ở cách xa Trái Đất 23.000 năm ánh sáng hay không?

Trang 4

Trả lời BT 2 – 1

• Gọi V = βc là vận tốc phi hành gia

• Ánh sáng mất 23.000 năm để bay đến thiên hà thì

phi hành gia phải mất 23.000/β năm, theo thời

gian trên Trái Đất

• Giả sử tuổi thọ trung bình của con người là 80

năm

• Phi hành gia muốn thực hiện chuyến bay trong 80

năm (thời gian riêng) Do đó:

C

n t

t ∆0=23.000 ×80

∆

γ

5 , 287 80

000

=

γβ

• Hay:

• Giải phương trình trên ta được β = 0,999993951

• Cũng có thể lập luận như sau

• Phi hành gia phải chuyển động sao cho đối với ông ta khoảng cách 23.000 nas (chiều dài riêng)

co lại còn 80×β nas:

C

5 , 287

1−β2 =

β

nas L

γ = 0 =23.000 80×

3 Phép biến đổi Lorentz – 1

• Hqc K’ chuyển động theo

trục x của hqc K với vận

tốc V

• Lúc K ≡ K’ thì t = t’ = 0

• Một biến cố xảy ra trong

K’ có tọa độ (x’, y’, z’, t’)

• đối với K sẽ có tọa độ:

C

Vt

x

x= ′+

y

y= ′

z

z= ′

t

t= ′

x’

Vt

(phép biến đổi Galilei)

3 Phép biến đổi Lorentz – 2

• Để phù hợp với các hiệu ứng tương đối, Lorentz đưa

ra các phép biến đổi mới:

• Khi V << c, Lorentz Galilei

C

(x Vt)

x=γ ′+ ′ y

y= ′ z

z= ′











c

V t

x’

Vt’

4a Quan hệ nhân quả – 1

• Xét hai biến cố xảy ra trong hqc K’, ở cách nhau

một khoảng ∆x’, chênh nhau một khoảng thời

gian ∆t’

• Từ phép biến đổi Lorentz ta có độ chênh lệch thời

gian giữa hai biến cố trong hqc K:

• Nếu ∆t’ > 0 và ∆x’ < 0, và

• Thứ tự của hai biến cố đã bị đảo ngược!











∆′+ ∆ ′

=

c

V

t

t x c

V2∆ ′>∆′ 0

2 <









∆′− ∆ ′

=

c

V

t

• Phải chăng trong một hqc chuyển động đối với Trái Đất người ta có thể thấy

• chú vịt cồ trẻ dần thành vịt con,

• rồi chui lại vào vỏ trứng !?

• Thật ra, không thể đảo ngược thứ tự của các biến

cố trên đây,

• vì chúng có quan hệ nhân quả với nhau

Trang 5

• Phải có thông tin được truyền đi từ nguyên nhân

đến kết quả,

• Do đó:

• Không thể đảo ngược thứ tự của hai biến cố có

quan hệ nhân quả

C

t v

x′= ∆ ′

∆

0

1 2>









 −

′

∆

=

∆

c

Vv

t













′

∆

′

∆

−

′

∆

=

∆

t

x c

V

t

2

c

Vv <

v: tốc độ truyền thông tin

4b Sự bất biến của khoảng không-thời gian

• Khoảng cách không-thời gian ∆s giữa hai biến cố được định nghĩa bởi:

• Từ phép biến đổi Lorentz, ta có thể chứng minh là khoảng ∆s không thay đổi khi chuyển hệ quy chiếu:

• Khoảng cách không gian cũng không đổi khi quay

hệ quy chiếu Phải chăng phép biến đổi Lorentz là phép quay trong không-thời gian?

C

2 2 2

z y x t c

∆

2 2

s

s =∆ ′

∆

4c Công thức cộng vận tốc mới

• Xét một chất điểm chuyển động trong hqc K’ với

vận tốc:

• Từ phép biến đổi Lorentz, ta tìm được vận tốc của

chất điểm đối với hqc K:

C

t d

z d v t d

y d v

t

d

x

d

′

=

′

=

′

=

′

2

V v dt

dx

v

x

+

′

=

2

v dt

dy

v

x

y

′

=

tương tự cho vz

Một nhà thực nghiệm thực hiện một mạch điện giúp ông ta bật cùng một lúc hai bóng đèn, bóng màu đỏ ở gốc hệ quy chiếu và bóng màu vàng ở khoảng cách x = 30 km

Đối với quan sát viên chuyển động theo trục x dương với vận tốc 0,250c:

a) Khoảng thời gian giữa hai biến cố là bao nhiêu? b) Bóng nào được bật sáng trước?

C

chuyển động với vận tốc

V = 0,250c theo chiều

âm của trục x,

• Biến đổi Lorentz cho ta:

• Thời gian giữa hai biến

cố là:

V

∆x











=

′

c

V

t

c

V

K

K’











 −

=

c

V

t

• Hay:

• Ta có:

• Do đó:

• Theo K’ thì đèn vàng bật sáng trước một khoảng thời gian là 25,8 µs

x c

−

=

′

β2

1 1

s t

t

10 58 ,

−

=

′

−

′

=

′

∆

km x

x

x= vang− do=30

∆

250 , 0

=

β

Trang 6

Hai thiên hà A và B đang đi ra xa khỏi chúng ta ở

hai phía đối diện với cùng vận tốc 0,55c

Tìm vận tốc của thiên hà B đối với thiên hà A

C

• Đối với thiên hà A chúng ta có vận tốc –V, do đó thiên hà B có vận tốc cho bởi:

• Vận tốc của thiên hà B đối với chúng ta: vx= –V

C

V

K

A V

B

2

V v v

x

−

=

′

K’

• Suy ra:

• Khác với kết quả theo cơ học cổ điển (1,10c)

• Công thức cộng vận tốc của thuyết tương đối đảm

bảo rằng vận tốc tổng hợp luôn nhỏ hơn c

C

c c

c

V

55 , 0 1

55 , 0 2

+

×

−

= +

−

=

′

5a Khối lượng tương đối tính

• Khối lượng của một chất điểm:

• đo trong hệ quy chiếu gắn liền với chất điểm đó,

là khối lượng riêng m0của nó

• đo trong bất kỳ một hệ quy chiếu khác, trong đó chất điểm chuyển động với vận tốc v, đều lớn hơn khối lượng riêng:

C

0

m

1

1 c v

−

=

γ

5b Động lượng tương đối tính

• Động lượng của một chất điểm trong thuyết tương

đối là:

• Phương trình động lực học:

v m

v

m

pr= r=γ 0r

F dt

v

m

d

dt

r

=

5c Năng lượng tương đối tính – 1

• Năng lượng của một chất điểm:

• Năng lượng nghỉ:

• Động năng:

• Hệ thức giữa động lượng và năng lượng:

2

mc

E =

2

0c m

E =

0 c m m

0 2 2

c m pc

Trang 7

5c Năng lượng tương đối tính – 2

• Hình vẽ sau đây giúp nhớ hệ thức giữa động

lượng và năng lượng:

C

β

θ = sin

γ

θ 1 cos =

C

Định dạng
Số trang	7
Dung lượng	435,04 KB