Những hạn chế của cơ học newton và thuyết tương đối hẹp einstein

Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay TRƯỜNG ĐẠI Lê HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NHỮNG HẠN CHẾ CỦA CƠ HỌC NEWTON VÀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TH.S LÊ VĂN NHẠN LƯ THỊ BÉ BAY MSSV:1100196 Lớp: Sư Phạm Vật Lý - K36 Cần Thơ, Tháng 08/2013 [Type text] Page Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Lời cảm ơn!!! Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm môn, giảng viên khoa sư phạm, môn vật lý thuộc trường ĐH Cần Thơ Đã giúp đỡ em năm học môn vật lý tạo điều kiện cho em làm luận văn Đặt biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giảng viên hướng dẫn ThS Lê Văn Nhạn – người hết lòng giúp đỡ bảo tận tình cho em để em có ý tưởng đề tài hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn, thư viện khoa sư phạm thư viện trường đóng góp cho em nhiều ý kiến, tài liệu bổ ích để luận văn em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn ủng hộ, động viên để em hoàn thành luận văn Tuy nhiên, lần thực đề tài nghiên cứu nên cố gắng luận văn khơng tránh sai sót Bởi em mong đóng góp ý kiến thầy bạn sinh viên để luận văn hoàn thiện Chân thành cảm ơn Cần Thơ, Tháng Năm Sinh viên làm luận văn Lư Thị Bé Bay [Type text] Page Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay A MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Mọi tượng vật lý diễn không gian thời gian Do đó, khái niệm khơng gian thời gian khái niện Trước thuyết tương đối Einstein đời, khái niệm không gian thời gian xây dựng đầy đủ học Newton Đó khái niệm khơng gian tuyệt đối thời gian tuyệt đối Vật lý học cổ điển dựa tản không gian tuyệt đối thời gian tuyệt đối phù hợp tốt đẹp với thực nghiệm dẫn đến ứng dụng quan trọng Cuối kỷ XIX đầu kỷ XX, nghiên cứu tượng liên quan đến ánh sáng vận tốc lớn so sánh với vận tốc ánh sáng, người ta nhận thấy khái niệm củ khơng phù hợp Từ người ta đặt vấn đề xem xét lại khái niệm không gian thời gian Trong tình hình đó, thuyết tương đối Einstein đời xây dựng lại khái niệm không gian thời gian khác hẵn khái niệm củ Newton Và từ đó, đánh dấu đời vật lý học đại Với lý nên trình tìm kiếm đề tài luận văn tốt nghiệp, định chọn đề tài “Những Hạn Chế Của Cơ Học Newton Và Thuyết Tương Đối Hẹp Einstein “ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Thơng qua việc nghiên cứu đề tài giúp tơi có kiến thức vững vàng lý thuyết liên quan đến Cơ Học Newton Thuyết tương đối Nắm hạn chế chủ yếu Cơ Học Newton điểm quan trọng thuyết tương đối Einstein So Sánh lý thuyết tìm điểm hạn chế, hệ rút ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Lý thuyết học Newtơn [Type text] Page Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Thuyết tương đối hẹp Eisntein Các sách, tài liệu nói lý thuyết học Newtơn, thuyết tương đối hẹp Eisntein CÁC GIẢ THUYẾT ĐỀ TÀI Các vấn đề học newton Sự đời thuyết tương đối hẹp Eisntein Thuyết tương đối hẹp hệ CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết, tài liệu liên quan Bước 2: Tìm hiểu vấn đề học Newton Bước 3: Tìm hiểu tổng quan Thuyết tương đối Nghiên cứu sâu thuyết tương đối hẹp Bước 4: So sánh vấn đề tìm điểm hạn chế Bước 5: Hoàn thành đề tài ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu liên quan đến học cổ điển, thuyết tương đối hệ chúng Đọc sưu tầm nghiên cứu tài liệu viết liên quan GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Nghiên cứu khái niệm Các vấn đề học Newton Thuyết tương đối hẹp Những hệ chúng CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG [Type text] Page Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay B NỘI DUNG CHƯƠNG SƠ LƯỢC CƠ HỌC NEWTON 1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA CƠ HỌC NEWTON Như ta biết, Galile người sáng lập phương pháp thực nghiệm, ơng làm thí nghiệm cách có hệ thống, dựa vào kết thí nghiệm quan sát để mô tả tượng cách xác, đến định luật định lượng Nhưng ông định luật mang tính chất cục bộ, chưa nêu lên quy luật tổng quát Đêcác dùng phương pháp diễn dịch, xuất phát từ tiên đề tổng quát để đến kết luận phận, nhằm giải thích nguyên nhân tượng Nhưng ông đề cao vai trò lý trí, suy luận, coi nhẹ thực nghiệm, nên nhiều nêu tiên đề có tính tùy tiện đến kết sai lầm Trái với Đêcác, Newton ( 1613-1727) cho thực nghiệm, kinh nghiệm nguồn gốc tri thức Trong Đêcác đề cao suy luận việc xây dựng nguyên lý làm sở cho suy luận, Newton đặt biệt trọng đến thực nghiệm quan tâm đến xây dựng lý thuyết Vì thế, Newton nhiều dừng lại bước mô tả tượng, không tiến lên bước giải thích tượng Newton rút kinh nghiệm người trước để xây dựng phương pháp Ơng xuất phát từ thực nghiệm, coi trọng vai trò cảu thực nghiệm, đến định luật tổng qt Ơng khơng nhằm mục đích giải thích chất tượng, khơng đưa ranhuwgx cách giải thích gò bó, thiếu cứ, khơng phản đối việc giải thích có điều kiện làm Phương pháp Newton có tiến lớn đề cao thực nghiệm, đề cao quy luật có tính chất địh lượng, làm cho vật lý thực trở thành [Type text] Page Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay khoa học xác Phương pháp có ảnh hưởng sâu sắc đến nhà vật lý kỷ XVIII XIX Cơ học Newton trình bày đầy đủ có hệ thống lần > (1687) Trong sách tác giả trình bày loạt định nghĩa khái niệm học, quy luật bản, nyhuwngx ứng dụng cụ thể quy luật 1.1.1 Khái niệm khối lượng Trong >, Newton dành định nghĩa nói khối lượng: “ Lượng vật chất số đo vật chất, phát sinh từ mật độ thể tích vật chất” Và Newton nói thêm : phần sau này, tơi gọi lượng “vật “ “khối lượng” Ngoài ra, Newton dùng nhiều từ khác để “lượng vật chất” như: vật chất, trữ lượng vật chất, độ lớn (của vật), lực quán tính… Việt dùng nhiều từ dể “ lượng vật chất” đủ để chứng tỏ khái niệm khó định nghĩa, khó quan niệm Đối với vạt loại hình dug được” lượng vật chất” tỉ lệ với thể tích vật, thí dụ thùng nước chứa nhiều vật chất cốc nước Nhưng vật khác loại nhau, thí dụ miếng gỗ miếng đồng thể tích nhau, vật chứa nhiều vật chất hơn? Theo quan niệm Newton vật chất có tính gián đoạn, gồm hạt nhau, “ nguyên tử” phân chia Vậy lượng vật chất số lượng nguyên tử chứa vật Miếng đồng chứa nhiều “ nguyên tử” miếng gỗ, mật độ lớn hơn, “ lượng vật chất“ nhiều Newton nói thêm: “ khối lượng xác định theo trọng lượng vật, khối lượng tỉ lệ với trọng lượng” Người ta dùng cân để đo trọng lượng [Type text] Page Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay đồng thời đo khối lượng vật Chính trước người ta dùng đơn vị để đo khối lượng lượng ( thí dụ kilơgam khối kilơgram lực), nhiều có lẫn lộn khối lượng trọng lượng Ta biết khối lượng vật định không đổi ( nói xác hơn, cho phù hợp với tương đối luận Anhstanh: khối lượng tĩnh không đổi), trọng lượng thay đổi tùy theo vị trí trái đất, tàu vũ trụ, vật trọng lượng “ trạng thái khoobg trọng lượng” Vì lấy trọng lượng làm biểu cụ thể cho khối lượng chưa đầy đủ chưa xác, nên bên cạnh định nghĩa khối lượng lượng vật chất, Newton đưa định nghĩa khối lượng số đo quán tính, định nghĩa nói lên ý nghĩa khối lượng 1.1.2 Khái niệm quán tính Newton định nghĩa: “ Lực bẩm sinh vật chất khả trở kháng sẵn có nó, khả đó, chừng vật riêng lẻ để yên tự , để n trạng thái đứng yên chuyển động thẵng đều” Newton nói thêm “ Lực bẩm sinh tỉ lệ với khối lượng Nếu phân biệt khác với qn tính khối lượng, chẵng qua quan niệm ta mà thơi” Như vậy, theo Newton, “ lực bẩm sinh chính” khối lượng, số đo quán tính vật Newton dùng thuật ngữ “ lực bẫm sinh” để nói đặt tính nội vật, gắn liền với vật,khác với “ lực” khác từ bên tác dụng lên vật Newton quan niệm nêu tác dụng khác từ bên ngồi tác dụng lên vật, vật đứng n chuyển động thẳng Khả trở kháng sẵn có chống lại thay đổi đưng yên chuyển động thẳng đều, có tác dụng từ bên ngồi lên vật, phải khó khăn làm cho vật thay đổi trạng thái Tác dụng tù ngồi gọi gì, điều newton khơng trả lời cách rõ rang, sau này, muốn giải thích chuyển động hành tinh, Newton phải nêu “ hích ban đầu” Thượng đế để trao cho hành tinh vận tốc ban đầu thích hợp Quan niệm Newton qn tính đơn giản hóa mức độ [Type text] Page Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay vận động vật chất Chuyển động học dạng riêng biệt của vật động vật chất( theo nghĩa rông) chuyển động quán tính( thẳng đều) lại chuyển động riêng chuyển động học Vì khơng thể nói đặt tính nội vật chất chuyển động thẳng thơi Awngghen gọi qn tính “ biểu mặt trái không biến chuyển động” Vận động thuộc tính vật chất, vận động bị hủy diệt quán tính biểu hieenjcuar bảo tồn vật chất Vật lý học đại khơng dùng khái niêm “ lượng vật chất” nữa, khối lượng khơng rõ ràng khơng phải ánh thuộc tính cụ thể vật chất Ngày nay, dùng định nghĩa “ khối lượng số đo quán tính vật” Sau này, thành lập định luật vạn vật hấp dẫn, Newton dùng khái niệm khối lượng định nghĩa (khối lượng quán tính) để đặt trưng cho hấp dẫn vật.Quán tính hấp dẫn hai biểu hoàn toàn khác biệt độc lập với nhau, sau chúng lại đặc trưng loại khối lượng? Đúng ra, phải gọi khối lượng nằm trng công thức định luạt van vật hấp dẫn khối lượng hấp dẫn, khác với khối lượng quán tính Nhưng thực nghiệm chứng tỏ với mức xác cao hai khối lượng hồn tồn Cơ học Newton khơng giải thích được, khơng đặt vấn đề giải thích vấn đề đó, coi trùng hợp ngẫu nhiên hai đại lượng vật lý Mãi sau này, thuyết tương đối rộng, Anhstanh chưng minh qn tính hấp dẫn hai tượng có therethay lẫn nhau, bù trừ được, nêu “nguyên lý tương đương”: Khối lượng quán tính khối lượng hấp dẫn đồng Do muốn phát biểu cách đầy đủ hơn, ta phải định nghĩa “ khối lượng số đo quán tính tính hấp dẫn vật” Tuy nhiên, ngày có số người mốn bảo vệ khối lượng lượng vật chất cho khái niệm có nội dung vật lý định Khi ta nói “ tơi mua kilôgram thịt” mua lượng thịt, lượng vật [Type text] Page Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay chất định, khơng phải mua kilogram qn tính hay mọt kilogram hấp dẫn miếng thịt Cách lập luận chưa đầy đủ Vật chất có đặc tính chung tồn khách quan, ngồi ý muốn ta Nhưng lại đa dạng dang vật chất khác lượng mà chất Prôtôn khác electron chất, thịt khác với gỗ chất, nói kilogram thịt kilogram gỗ chứa lượng chất khơng có ý nghĩa vật lý Cách nói ‘ mua kilogram” thịt chũn giống cách nói “ mua mét vải” Chúng ta khơng mua qn tính, khơng mua độ dài, mua lượng thịt có qn tính kilogram , lượng vải có độ dài mét Quán tính độ dài đặt trưng dùng để so sánh lượng vật chất loại Vì ta so sánh kilogram thịt với hai kilogram thịt( loại thịt), mét vải với hai mét vải( loại vải), đặt vấn đề so sánh kilogram thịt với hai kilogram gỗ, mét vải với hai mét dây thép 1.1.3 Khái niệm động lượng Newton định nghĩa: “ Động lượng số đo chuyển động, xác định tỉ lệ với vận tốc khối lượng” Khái niệm động lượng sau sử dụng định luật II Newton Ngayd thường sử dụng “ xung lượng” để lượng ( ) Vào kỷ XVII, yêu cầu kỹ thuật, nhà vật lý phải nghiên cứu va chạm vật Khi hai vật va chạm nhau, va chạm tuân theo định luật bảo toàn chuyển động: vật chuyển động vật thu chuyển động Nhưng số đo chuyển động, lượng bảo toàn suwjva chạm hai vật? Khoảng cuối kỷ XVII, đầu kỷ XVIII, nổ luận chiến sôi hai phái Đêcác Lepnich Phái Đêcác cho số đo chuyển động động lượng, tức tích “m.v”, động lượng bảo toàn va chạm Phái Lepnich cho số đo chuyển động hoạt lực, tức tích [Type text] * mà ngày ta gọi động Page Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay năng, hoạt lực bảo toàn va chạm Ngày nay, biết va chạm tuyệt đối đàn hồi động xung lượng bảo toàn truyền từ vật sang vật kia; neeuas va chạm tuyệ đối không đàn hồi động biến hồn tồn thành dạng lượng khác Vào thể kỷ XVIII, khái niệm va chạm tuyệ đối đàn hồi va chạm tuyệ đối khơng đàn hồi chưa hình thành học Các va chạm thực thực nghiệm gần đàn hồi không đàn hồi, nên bảo toàn đại lượng nghiệm cách gần Đó lý làm nảy sinh tranh luận hai phái Đềcác Lepnich Nhưng thời , Ăngghen nêu rõ cách sâu sắc chuyển động học có hai số đo: chuyển động học truyền cho giữ nguyên chuyển động học, lượng truyền từ vật sang vật khác, biến mất, khơng chyển động học nữa, mà chuyển hóa thành ,nhiệt ,điện…hoặc chung thành dạng chuyển động khác lượng dạng chuyển động tỷ lệ với vật chuyển động ban đầu “ Tóm lại, chuyển động học đo than chuyển động học, chuyển động học đo khả chuyển hóa thành lượng định dạng chuyển động khác” Như Ăngghen nêu lên cách sâu sắc mối quan hệ mật thiết trình học với q trình khơng phải học Nhưng tư tưởng Ăngghen khơng nhà vật lý học đương thời tiếp thu, người ta cho dạng chuyển động quy chuyển động học Khoa học ngày có đủ sở để chứng minh nững lý thiết Ăngghen Theo quan niệm triếc họa vật biện chứng khoa học đại, chuyển động đặt tính bản, đặt tính nội vật chất Chuyển động theo nghĩa tổngg quát ( thường gọi vận động) bao gồm q trình vật lý, hóa học, sinh lý….và sống tư Chuyển động học( dời chỏ không gian thời gian) dạng đơn giản chuyện động nói chung [Type text] Page 10 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Vậy ta kết luận vận tốc ánh sáng môi trường tuân theo công thức cộng vận tốc Lorentz 6.4 Hệ Chúng ta dùng công thức biến đổi Lorentz để kiểm lại biến đổi thời gian, độ dài đồng hồ không đồng 6.4.1 Sự trễ thời gian Một đồng hồ vị trí x’ hệ S’ thời gian riêng đo dt’ thời gian dt nhận với người quan sát hệ S theo 1.3d : dt  udx ' c2 1  dt ' đồng hồ đặt cố định x’ S’ dx’ = công thức viết lại: dt  dt ' 1  Ðây công thức trễ thời gian trình hai hệ qui chiếu quán tính khác 6.4.2 Sự co lại khoảng cách Giả sử dặt que dài dọc theo trục OX’của hệ S’ Vị trí hai đầu que là: x1’ x2’ hệ S’ khoảng cách x2’ – x1’ độ dài riêng Tương ứng hệ S vị trí que x1 x2, khoảng cách x2 – x1 độ dài riêng que hệ S Ta có: [Type text] Page 58 Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn x '2  x '1  x2  ut 1   x1  ut 1   SVTHV: Lư Thị Bé Bay x2  x1 Thay L  x2  x1 L '  x '2  x '1 ta có L '  1  L 1  Hay L  L '   6.4.3 Công thức không đồng Chúng ta đặt hai dồng hồ đồng hệ S’ hai điểm cách đoạn dx’=L’ phương trình 1.31d ta viết khoảng thời gian hệ S dt bằng: dt  udx ' uL ' dt ' 2 c  c 1  1  dt ' Khi khoảng thời gian dt hệ S co (có nghiã có hai đồng hồ chạy đồng hệ S) từ dt =0 ta suy ra: uL ' c2   dt '  uL ' c2 1  dt ' Cơng thức cho ta biết hai đồng hồ đồng hệ quy chiếu đứng yên đặt hai vị trí khác hệ quy chiếu quán tính chuyển động gần vận tốc ánh sáng hai đồng hồ khơng đồng với độ trễ thời gian hai đồng hồ khơng đồng tính theo cơng thức: | dt ' | uL ' c2 1.41 CHƯƠNG SỰ RÚT NGẮN CỦA CHIỀU DÀI TRONG HỆ CHUYỂN ĐỘNG ( PHÉP CO LORENZT) [Type text] Page 59 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay “Phích ta biết trò đấu kiếm, Có lần khinh rủi ro, Chàng phóng nhanh đường chớp, Lưỡi kiếm nhọn dẹt thành kiếm dĩa, Ôi thần kỳ phép co Lorenzt.” Chúng ta thấy dường vật chuyển động bị thu ngắn lại lần theo phương chuyển động Kết hệ đơn giản phép biến đổi Lorenzt, điều thấy rõ từ công thức: Nói riêng, ban đầu hai người quan sát có thước mét đồng sau người quan sát B bắt đầu chuyển động với vận tốc v so với người quan sát A, theo phép đo người quan sát A độ dài thước mét người quan sát B mét ( hình 7.1) Từ nguyên lý tương đối suy rằng, nói ngược lại phải đúng: người quan sát B cảm thấy thước mét người quan sát A ngắn lại chừng lần Phép co Lorenzt hai đồng chuyển động so với với vận tốc v=0,6c a/ Theo quan điểm người quan sát A; b/ theo quan điểm người quan sát B Thí dụ: Giả sử thước mét chuyển động ngang qua với vận tốc v=0,6c Theo phép đo độ dài Như biết phép co Lorenxơ khơng đủ để giải thích kết thí nghiệm giao thoa kế với cánh tay đòn có độ dài khác Có thể khắc phục khó khăn xét lại không quan niệm không gian mà thời gian [Type text] Page 60 Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay CHƯƠNG 8: TÍNH ÐỒNG BỘ Theo học Newton tất đồng hồ cho đồng chuyển động tương đối hệ Ðiều nầy chứng minh từ phép biến đổi Galileo Ðồng gì: Ví dụ có hai đồng hồ chạy hoàn toàn Ta đặt trái đất, lại đặt tàu vũ trụ quay quanh mặt trăng Vào thời điểm hai điều chỉnh gía trị nhau, sau nhiều tháng, hai đồng hồ giá trị vào thời điểm quan sát ta nói hai đồng hồ đồng 8.1 Sự chậm lại thời gian Theo giả thuyết Einstein người ta kết luận rằng: đồng hồ đồng hệ qui chiếu qn tính khơng đồng đặt hai hệ qui chiếu quán tính khác ( Một hệ qui chiếu đứng yên hệ qui chiếu chuyển động tương đối so với hệ đứng yên) Ta quay lại thí nghiệm hai hệ qui chiếu quán tính S S S xa S theo chiều dương OX với vận tốc u Trong hệ qui chiếu S ta có đặt nguồn sáng mà bóng đèn phát sáng vào thời điểm ban đầu t =0 lúc S trùng với S Ta đặt trục OY gương phẳng M cách S đoạn L (ta nói sau hệ qui chiếu S khoảng cách nầy L) Với người quan sát đứng S, xung sáng phát theo trục OY đến gương bị phản xạ trở lại khoảng thời gian: [Type text] Page 61 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH Từ 1.17 ta có t '  GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay 2L ' phương trình 1.18 viết lại: c t  t ' 1  1.19 Mẫu số vế phải 1.19 ln nhỏ nên ta có t  t ' Như đứng hệ S tượng ánh sáng truyền đến gương phản xạ trở lại trãi qua thời gian tượng xảy hệ S’ Nói tóm lại có hai đồng hồ chạy đồng bộ, đồng hồ đặt S lại đặt S’ đồng hồ hệ chuyển động chạy trễ Vậy tượng ánh sáng đến gương phản hồi lại hai hệ quy chiếu khác thời gian thực khác Thời gian riêng: Khoảng thời gian t ' đo trực tiếp xác đồng hồ đặt hệ gắn lên đồng hồ (hệ S’) gọi thời gian riêng [Type text] Page 62 Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Trong hệ S ta đo thời gian t trực tiếp mà phải chờ tín hiệu phản hồi từ S’ so sánh đồng hai đồng hồ Thời gian riêng tính theo 1.19 sau: t '  t   1.20 Vì c lớn u khơng đáng kể độ chênh lệch t t ' khơng có ý nghĩa Ví dụ với vận tốc âm u= 340 m/s tahy vào công thức 1.20 dùng cơng thức gần ta tính được: t  (1  6.4.1013 )t ' Một đồng hồ đặt hệ dịch chuyển với vận tốc âm sai lệch giây 50.000 năm so với đồng hồ đặt hệ đứng yên Một vận dụng chậm lại thời gian hệ quy chiếu chuyển động việc xét hạt thí nghiệm đại tia vũ trụ Bởi hạt chưyển độngvới vận tốc gần vận tốc ánh sáng so với trái đất Công thức trễ thời gian giúp ta xác định thời gian sống hạt phòng thí nghiệm (được xem hệ đứng yên so với hệ gắn lên hạt chuyển động) trước hạt bị phân rã Ví dụ với tia chùm hạt Pion dương (   ), với chu kì phân rã 1,8.10-8 giây, nửa chùm hạt Pion mức trung bình bị phân rã Giả thuyết tia Pion tạo gia tốc hạt phòng thí nghiệm, người ta đo tia có vận tốc 0.99 lần vận tốc ánh sáng c Xét đến hệ quy chiếu phòng thí nghiệm chu kì bán rã dài có trị số: t  [Type text] 1,8.108  (0,99)  12,8.108 (s) 1.21 Page 63 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Nếu khơng có trễ thời gian, phân nửa hạt Pion phân rã sau tia đoạn: (0,99).(3.108m/s).(1,8.10-8s) = 5,3 m Trong thực tế hệ phòng thí nghiệm đoạn là: (0,99).(3.108m/s).(12,8.10-8s) = 38 m Sự trể thời gian thí nghiệm hạt sơ cấp dể quan sát hạt chuyển động với vận tốc lớn gần vận tốc ánh sáng, đồng thời có thời gian sống ngắn Tuy nhiên giới vĩ mơ trễ thời gian khó đo lường Một đo đạc xác thực trạm quan sát Nava Mỹ để chứng tỏ đắn lý thuyết tương đối hẹp 8.2 Sự không đồng thời gian Sự chậm lại thời gian đồng hồ hệ qui chiếu quán tính chuyển động với vận tốc gần vận tốc ánh sáng so với đồng hồ hệ qui chiếu quán tính đứng yên minh chứng không đồng thời gian hệ qui chiếu quán tính đứng yên chuyển động Sự không đồng thời gian phép biến đổi Galileo chấp nhận đồng thời gian hai hệ qui chiếu quán tính chuyển động với (t =t) Chỉ vận tốc chuyển động tương đối nhỏ ta vận dụng phép biến đổi Galileo CHƯƠNG 9: CÁC VẤN ĐỀ VÀ HỆ QUẢ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI 9.1 Vấn đề 1: giải thích trực quan thuyết tương đối thí ghiệm lý thuyết Einstein [Type text] Page 64 Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Như biết : Độ dài thời gian khái niệm tương đối Chúng khơng có ý nghĩa ngồi liên hệ đối tượng người quan sát.Việc đo độ dài thời gian phải tuỳ thuộc vào chuyển động tương đối đối tượng người quan trắc Một quan sát viên đất thấy hai tiếng sét đánh xuống lúc (ảnh trên) Nhưng người soát vé tàu thấy chúng không diễn đồng thời thế, ảnh hưởng tàu chuyển động (ảnh dưới) khái niệm đồng thời không cho hệ thống quy chiếu Ta thử hình dung, ơng nói, người quan trắc M đứng gần đường sắt Tại khoảng cách theo hướng chuyển động có điểm B Cùng khoảng cách ngược hướng chuyển động điểm A Giả sử đồng thời hai điểm A B loé lên tia chớp Người quan sát cho kiện đồng thời, nhìn thấy hai tia chớp vào thời điểm Bởi đứng chúng ánh sáng truyền bá với vận tốc không đổi nên ông kết luận tia chớp loé lên đồng thời hai điểm Bây ta giả thiết tia chớp léo lên dọc đường sắt theo hướng từ A sang B Một tàu chuyển động với vận tốc lớn Vào thời điểm xuất hai tia chớp người quan sát bên tàu ta gọi M' đứng gần đường Bởi M' chuyển động theo hướng tia chớp xa tia khác, nhìn thấy tia chớp B trước thấy A Biết trạng thái chuyển động bắt gặp điểm cuối vận tốc ánh sáng rút kết luận tia chớp loé lên đồng thời Nhưng theo hai tiên đề thuyết tương đối hẹp (được khẳng định hai thí nghiệm Maikenxơn - Moocly) có quyền giả thiết tàu đứng yên trái đất chạy nhanh phía sau theo với bánh xe lăn [Type text] Page 65 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay tàu Từ điểm ngắm M người quan sát tàu đến kết luận tia chớp loé điểm B thực tế xảy sớm điểm A điểm tiếp nối quan sát Anh ta biết loé chớp bắt gặp xảy trước loé chớp bắt gặp lần sau M, người quan sát trái đất tương hợp, thực ra, nhìn loé chớp đồng thời với nhau, xem chuyển động, tính đến vận tốc ánh sáng kiện chuyển động ngược với loé chớp A cách loé chớp B, đến kết luận loé chớp B xảy trước Như vậy, buộc phải kết luận vấn đề loé chớp có xảy đồng thời khơng khơng thể trả lời cách tuyệt đối Câu trả lời phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ thống tính tốn (đọc số) Tất nhiên hai kiện xảy đồng thời điểm, tin tưởng tuyệt đối mà nói đồng thời Khi hai máy bay đụng khơng, khơng có hệ thống tính tồn mà theo máy bay tránh không đồng thời Nhưng khoảng cách kiện lớn khó giải vấn đề tính đồng thời chúng Vấn đề chỗ đơn giản không dám thừa nhận thực chất vấn đề Khơng có thời gian tuyệt đối vũ trụ để đo trạng thái đồng thời tuyệt đối Tính đồng thời tuyệt đối kiện xảy khơng gian khác khái niệm khơng có ý nghĩa Bổ sung thay đổi độ dài thời gian có thay đổi tương đối khối lượng Khối lượng, nói đại khái, số đo số lượng vật chất thể Quả cầu chì cầu gỗ có kích thước nhau, cầu chì nặng Do vật chất tập trung cao Có hai phương pháp đo khối lượng vật thể, đem cân lên, theo cách thức xem lực lớn để truyền cho vật thể gia tốc định Phương pháp đầu không tốt lắm, kết thu phụ thuộc vào trọng lực điểm biết [Type text] Page 66 Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Quả cầu chì mang lên đỉnh núi cao có trọng lượng nhỏ cân chân núi, khối lượng Trên mặt trăng, trọng lượng nhỏ nhiều so với Trái Đất Còn Sao Mộc trọng lượng dường lớn Phương pháp thứ hai đo khối lượng cho kết tương tự độc lập với điều chúng tiến hành Trái Đất, Mặt Trăng Sao Mộc Song sử dụng phương pháp này, xuất vấn đề lạ Muốn dùng phương pháp để xác định khối lượng vật thể chuyển động, cần đo lực truyền cho gia tốc định, rõ ràng để lăn đạn pháo cần sức đẩy mạnh lăn cầu gỗ Khối lượng đo phương pháp gọi khối lượng qn tính (g) khác với khối lượng trọng trường trọng lượng Những đo đạc tương tự thực không đo thời gian khoảng cách Khối lượng quán tính đạn pháo chẳng hạn biểu thị thông qua đại lượng lực cần thiết để làm tăng vận tốc (khoảng cách đơn vị thời gian) đơn vị thời gian Như thấy trước đây, việc đo thời gian khoảng cách thay đổi với thay đổi vận tốc tương đối vật thể người quan sát, mà thay đổi kết đo khối lượng quán tính Đối với người quan sát đứng yên so với đối tượng, chẳng hạn nhà du hành vũ trụ chở voi tàu vũ trụ, khối lượng quán tính đối tượng độc lập với vận tốc tàu Khối lượng voi đo người quan sát nhau, gọi khối lượng riêng khối lượng đứng yên Khối lượng quán tính thân voi đo người quan sát chuyển voi (chẳng hạn, người quan trắc trái đất), gọi khối lượng tương đối voi Khối lượng đứng yên vật thể khơng thay đổi, khối lượng tương đối thay đổi Cả hai số đo số đo khối lượng quán tính 9.2 Vấn đề 2: Chuyển động phải tương đối? [Type text] Page 67 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Sau phút suy nghĩ, hẳn bạn nghiêng câu trả lời: "Vâng, tất nhiên" Bạn hình dung tàu hoả chuyển động lên phía bắc với vận tốc 60 km/giờ Một người tàu ngược lên phía nam với vận tốc 3km/giờ Anh ta chuyển động theo hướng vận tốc Hồn tồn rõ ràng khơng thể trả lời câu hỏi mà khơng hệ thống tính toán So với tàu chuyển động phía nam với vận tốc km/giờ So với trái đất, chuyển động phía bắc với vận tốc 60 trừ 3, tức 57km/giờ Có thể nói vận tốc người so với trái đất (57 km/giờ) vận tốc thực tuyệt đối không? Không, có hệ thống khác có tỉ lệ lớn Bản thân trái đất chuyển động Nó quay xung quanh trục nó, đồng thời chuyển động xung quanh mặt trời Mặt trời hành tinh khác chuyển động bên thiên hà Thiên hà quay chuyển động so với thiên hà khác Các thiên hà lại tạo thành đoạn thiên hà chuyển động nhau, chuỗi chuyển động thực tế tiếp tục đến bao xa, khơng có cách thức rõ ràng xác định chuyển động đối tượng đó; nói khác khơng có hệ thống đọc số cố định theo đo chuyển động Chuyển động đứng yên, giống lớn nhỏ, nhanh chậm, dưới, trái phải, người biết, hồn tồn tương đối Khơng có cách đo chuyển động bất kì, ngồi việc so sánh chuyển động với chuyển động đối tượng khác Thật không đơn giản chút nào! Nguyên rắc rối sau: có hai phương pháp đơn giản phát chuyển động tuyệt đối Một phương pháp sử dụng chất ánh sáng, phương pháp khác tượng khác quán tính xuất thay đổi đối tượng chuyển động đường đạn vận tốc Thuyết Tương đối hẹp Anhxtanh có liên quan đến phương pháp đầu tiên, thuyết Tương đối tổng qt liên quan đến phương pháp thứ [Type text] Page 68 Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay hai.Trong phần ta đề cập đến phương pháp đầu,làm chìa khố để hiểu chuyển động tuyệt đối, tức phương pháp vận dụng chất ánh sáng Chúng ta hình dung hai tàu vũ trụ A B Giả sử vũ trụ khơng có ngồi hai tàu Chúng chuyển động ngược chiều với vận tốc không đổi Có phương pháp để nhà du hành tàu giải xem trường hợp ba trường hợp sau "thực" "tuyệt đối"? Con tàu A trạng thái nằm yên, tàu B chuyển động Con tàu B trạng thái nằm yên, tàu A chuyển động Cả hai tàu chuyển động Anhxtanh trả lời sau : Không, phương pháp Nhà du hành tàu có thể, muốn, chọn tàu A làm hệ thống đọc số cố định Khơng có thí nghiệm kể thí nghiệm với ánh sáng với tượng điện từ khác chứng minh lựa chọn không Cũng vậy, chọn tàu B làm hệ thống đọc số cố định Nếu xem hai tàu chuyển động, lựa chọn giàn hệ thống đọc số bất định bên hai tàu này, lựa chọn điểm mà điều đó, hai tàu trạng thái chuyển động Không cần đặt câu hỏi lựa chọn khơng Nói chuyển động tuyệt đối tàu có nghĩa nói khơng có ý nghĩa thực có một: chuyển động tương đối mà kết tàu tiến gần với vận tốc khơng đổi Thuyết tương đối hẹp diễn đạt ngắn gọn sau: Không thể đo chuyển động phương pháp tuyệt đối Phương pháp thứ hai: sử dụng tượng quán tính chìa khố chuyển động tuyệt đối Khi tàu vũ trụ tăng tốc, nhà du hành bên tàu bị ép mạnh vào lưng ghế Hiện tượng quán tính thường gọi gây gia tốc tên lửa Phải tượng chứng tỏ tên lửa chuyển động? Để [Type text] Page 69 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay chứng minh tính chất tương đối chuyển động bao gồm chuyển động có gia tốc, cần phải cho lấy tên lửa làm hệ thống đọc số cố định Trong trường hợp trái đất tồn khoảng khơng vũ trụ dường chuyển động phía sau ngược với tên lửa Nhưng sau xem xét tình hình tạo từ điểm ngắm đó, giải thích lực tác động vào nhà du hành vũ trụ không? Lực ép vào lưng ghế cho thấy không nghi ngờ tên lửa chuyển động khơng phải vũ trụ 9.3 Vấn đề 3: Nghịch lý anh em sinh đôi Trước lúc nghiên cứu Vũ Trụ người ta biết rõ nhà du hành Vũ Trụ không già nhanh người anh em họ Trái Đất Quả thật, nhà du hành Vũ Trụ chuyển động với vận tốc ánh sáng nói chung không già Kết luận chậm lại thời gian nhà du hành Vũ Trụ hệ trực tiếp biểu thức Đối với người quan sát Trái Đất, đồng hồ tất trình vật lý tàu vũ Trụ bay tới vận tốc v, kể sống phải chậm lại lần THÍ DỤ: Xét hai anh em sinh đôi lúc 20 tuổi Một người (B) du hành Vũ Trụ tới Acturơ tàu bay với vận tốc v=0,99c Đối với người sống Trái Đất, khoảng cách tới Acturơ 40 năm ánh sáng Hai chành sinh đôi A B tuổi B kết thúc chuyến du hành quay Trái Đất Theo quan điểm A du hành lâu thời gian để ánh sáng tới trở về( 80 năm) 1%, nghĩa B trở lại 20+80,8 hay 100,8 tuổi Còn theo quan điểm B đồng hồ tàu Vũ Trụ chạy chậm lại [Type text] Page 70 Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Điều có nghĩa lúc du hành tàu trôi 80,8*0,141=11,4 năm Như tới lúc kết thúc du hành, B tuổi 20+11,4=31,4 tuổi Do anh trẻ người an hem sinh đôi lại Trái Đất 69,4 tuổi Nhà du hành Vũ Trụ không cảm thấy thời gian chậm Trong thí dụ cho người anh em sinh đôi B cảm thấy khoảng cách tới Acturơ đước rút ngắn lại nhờ phép co Lorenxơ Theo phép đo khoảng cách từ Trái Đất tới Acturơ ( ) năm ánh sáng hay 5,64 năm ánh sáng Như vậy, theo tính tốn ậu bé sinh đơi bay tàu Vũ Trụ, để tới Acturơ trở trái đất phải 11,4 năm Kết phù hợp với phép tính tốn cậu bé sinh đôi A lại Trái Đất Tuy nhiên xuất nghịch lý biểu kiến, cụ thể nhà du hành nhìn Trái Đất, thấy đồng hồ Trái Đất chạy chậm đồng hồ Hình cậu bé sinh đôi A cuối du hành lại trẻ B, điều trái với lý lẽ Thật vậy, vận tốc tương đối thức nói chung đến kết bất đối xứng nào? Lẽ từ tính đối xứng lại khơng suy hai an hem phải tuổi nhau? Thoạt nhìn tưởng lý thuyết Anhstanh đưa tới mâu thuẫn nghịch lý bị phủ nhận ý chất tính bất đối xứng Người sinh đôi Trái Đất luôn hệ quy chiếu quán tính, người anh em – nhà du hành – lại chuyển từ hệ quy chiếu sang hệ quy chiếu khác Áp dụng phương trình Anhstanh đưa tới kết luận với quan điểm nhà du hành, người anh em lại trái Đất cuối du hành già Cuộc tranh luận quanh nghịch lý đứa trẻ sinh đôi ( gọi nghịch lý đồng hồ) có lịch sử lâu dài Hiện tất nhà vật lý thừa nhận cách giải thích mà chúng tơi nói Tuy nhiên số nhà triếc học chí mọt số nhà tốn học xác nhận cơng khai tuổi vật lý số trẻ sinh đôi thực tế giống E Măcmilan chứng minh [Type text] Page 71 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Luận văn tốt nghiệp ĐH GVHD: ThS-GVC Lê Văn Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay người ta thực tế sử dụng chạy chậm thời gian du hành Vũ Trụ Các hiệu ứng nhỏ không đáng kể trừ vận tốc tàu gần đạt đến vận tốc ánh sáng Ở chương sau thấy để đạt vận tốc lớn đòi hỏi động phải so sánh với lượng nghỉ tàu Vũ Trụ Thậm chí lượng phân hạch hạt nhân giải phóng sửu dụng với hiệu suất 100%, dù nhỏ lượng đòi hỏi tới 1000 lần 9.4 Vấn đề 4: Phép cộng tốc độ tương đối tính Phép co Lorenxơ chậm lại thời gian hệ trực tiếp phép biến đổi Lorenxơ Từ phương trình biến đổi thu cơng thức biến đổi vận tốc Thí dụ giả sử hệ quy chiếu đó, vật chuyển động với vận tốc u [Type text] Page 72 ... Những Hạn Chế Của Cơ Học Newton Và Thuyết Tương Đối Hẹp Einstein “ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Thơng qua việc nghiên cứu đề tài giúp tơi có kiến thức vững vàng lý thuyết liên quan đến Cơ Học Newton Thuyết. .. Học Newton Thuyết tương đối Nắm hạn chế chủ yếu Cơ Học Newton điểm quan trọng thuyết tương đối Einstein So Sánh lý thuyết tìm điểm hạn chế, hệ rút ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Lý thuyết học Newtơn [Type... Nhạn SVTHV: Lư Thị Bé Bay Thuyết tương đối hẹp Eisntein Các sách, tài liệu nói lý thuyết học Newtơn, thuyết tương đối hẹp Eisntein CÁC GIẢ THUYẾT ĐỀ TÀI Các vấn đề học newton Sự đời thuyết tương