Transcript 알아보기 특수 상대성 이론

<학습 목표>
• 시간과 공간의 상대성 원리에 대해 안다.
• 시간 팽창, 길이 수축, 질량∙에너지 동등성을 예를
들어 설명할 수 있다.
들어가기
어떤 불빛이 더 빠를까?
<생각해 보기>
-
20 m/s의 속력으로 달리는 자동차에서 자동차
가 달리는 방향으로 10 m/s의 속력으로 공을
던지면 공의속력은 몇 m/s인가?
☞ 30 m/s
-
자동차 전조등 불빛의 속력은 정지한 자동차와
달리는 자동차 중 어느 것이 더 빠른가?
☞ 불빛의 속력은 같다.
▲ 정지한 자동차의 전조등 불빛
▲ 달리는 자동차의 전조등 불빛
특수 상대성 이론
살펴보기
매질 없이 빛이 진행할 수 있는지 알아보자.
<미니탐구> 에테르 흐름 알아보기
그림 (가)는 흐르는 강물 위에서 배의 운동을 나타낸 것이고, (나)는 에테르
흐름 속에서 지구의 운동을 가상하여 나타낸 것이다.
(가)흐르는 강물 위에서 배의 운동
(나)에테르 흐름 속에서 지구의 운동
특수 상대성 이론
살펴보기
매질 없이 빛이 진행할 수 있는지 알아보자.
<미니탐구> 에테르 흐름 알아보기
◈흐르는 강물 위에서 배가 이동할 때 강물을 따라 내려가는 경우
와 거슬러 올라가는 경우, 각각 배의 속도는 어떻게 다를까?
☞ 배가 강물을 따라 내려갈 때에는 속도가 증가하고, 거슬러 올라갈 때
에는 속도가 느려진다.
◈에테르 흐름 속에서 지구가 이동할 때 흐름을 타고 운동하는 경우
와 거슬러 운동하는 경우, 각각 빛의 속도는 어떻게 다를까?
☞ 에테르가 존재한다면 에테르 흐름 속에서 지구가 이동할 때 빛의 속
도가 다르게 될 것으로 기대되는데, 실제 관측 결과는 그렇지 않았다.
특수 상대성 이론
살펴보기
특수 상대성 이론
1. 마이컬슨·몰리 실험
(1) 1887년 마이컬슨과 몰리는 에테르의 존재를 증명하기 위해 실험을 고안
하여 에테르 속에서 지구의 운동에 따른 빛의 속도 차이를 측정하였는데,
빛의 속도에 차이가 없는 것으로 측정되었다.
(2) 이는 에테르가 존재하지 않으며, 광속이 일정하다는 것을 의미한다.
◀ 마이컬슨 · 몰리 실험 장치
특수 상대성 이론
알아보기
특수 상대성 이론
1. 특수 상대성 이론
물체가 등속도 운동을 하고 있는 기준계에서의 물리 법칙은 정지해 있는 기
준계에서의 물리 법칙과 동일하다는 상대성 원리와 빛의 속도는 언제나 일
정하다는 광속 불변의 원리를 토대로 특수 상대성 이론이 만들어졌다.
[가정 1] 모든 관성 좌표계에서 물리 법칙은 동일하게 성립한다. (상대성
원리)
[가정 2] 모든 관성 좌표계에서 보았을 때, 진공 중에서 진행하는 빛의
속도는 관찰자나 광원의 속도에 관계없이 일정하다. (광속 불변
원리)
특수 상대성 이론
알아보기
특수 상대성 이론
2. 측정
(1) 어떤 물리적 현상이 일어날 때 사건이 발생한다고 표현한다.
(2) 사건이 발생할 때 다음과 같이 장치하고, 가장 가까운 격자점의 위치와
그 시계를 읽으면 사건이 발생한 시각과 위치를 알 수 있다.
▲ 관성 좌표계의 측정
특수 상대성 이론
알아보기
특수 상대성 이론
3. 두 사건의 동시성
한 기준계에서 동시에 일어난 두 사건은 다른 기준계에서 볼 때 동시에 일
어난 것이 아닐 수 있다. 동시성은 절대적인 개념이 아니며, 관찰자의 운동
상태에 의존한다.
▲우주선에서 빛의 관찰
▲행성에서 빛의 관찰
특수 상대성 이론
알아보기
특수 상대성 이론
4. 시간 팽창
정지한 관찰자가 운동하는 관찰자를 보면 상대편의 시간이 느리게 가는 것
으로 관찰된다. 즉, 움직이는 시계는 느리게 간다.
▲ 우주선 내부에서 보는 빛시계
▲ 행성에서 보는 빛시계
특수 상대성 이론
알아보기
특수 상대성 이론
5. 길이 수축
움직이는 관찰자가 측정하는 두 물체 사이의 거리는 정지한 관찰자가 측정
하는 거리보다 짧다. 즉, 움직이는 물체의 길이는 줄어든다.
L
vt


L고유

특수 상대성 이론
알아보기
특수 상대성 이론
6. 질량·에너지 동등성
(1) 정지했을 때 질량 m0인 물체가 가진 에너지 E
m0
E  mc 2 , m 
(단,c 는 광속,v 는 물체의 속도)
1 v2 / c2
(2) 광속에 가까운 속도로 날아가는 물체의 질량은 커진다.
(3) 물체가 빛의 속도에 가까워지면 질량이 커지므로 아무리 에너지를 가해
도 물체는 광속을 넘어설 수 없다.
(4) 에너지는 질량으로 변하고, 결국 에너지는 질량과 같다.
특수 상대성 이론
개념 넓히기 특수 상대성 이론에 의한 현상
<미니탐구>
뮤온이 어떻게 지표면에 도달하는지 알아보기
1. 뮤온과 함께 움직이는 좌표계에서 볼 때 뮤온이 이동할 수 있는 거리를
계산한다.
2. 지표면의 정지 좌표계에서 볼 때 뮤온이 이동할 수
있는 거리를 계산한다.
▲ 뮤온과 함께 움직이는
좌표계에서 볼 때
▲ 지표면의 정지 좌표계에서
볼때
특수 상대성 이론
개념 넓히기 특수 상대성 이론에 의한 현상
<미니탐구>
뮤온이 어떻게 지표면에 도달하는지 알아보기
◈두 좌표계에서 볼 때 뮤온이 지표면에 도달하는 것을 설명하는
방법은 어떻게 다른가?
☞ 에베레스트 산 정상 부근에서 발생한 뮤온의 운동을 뮤온과 함께 움
직이는 좌표계에서 볼 때는 뮤온과 지표면 사이의 거리가 수축되기 때
문에 지표면에 도달한다고 설명하고, 지표면의 정지 좌표계에서 볼 때
는 뮤온의 수명이 늘어나기 때문에 지표면에 도달한다고 설명한다.
특수 상대성 이론
가 하
평
기
개념
1. 정지한 관찰자가 보았을 때 빠르게 움직이는 물체는
시간이 느리게 가는 현상을 무엇이라 하는가?
☞ 시간 팽창
2. 정지한 관찰자가 보았을 때 빠르게 움직이는 물체의
길이가 줄어드는 현상을 무엇이라 하는가?
☞ 길이 수축
창의
3. 여러분이 광속에 가까운 속력으로 안드로메다 은하로
여행을 다녀온다고 가정하고, 여행 중 겪을 수 있는
일을 글로 써 보자.
☞ 시간 팽창과 길이 수축 등의 특수 상대성 이론의 결과
를 이용하여 창의적으로 서술한다.
특수 상대성 이론