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Esperimento di Michelson e Morley e Trasformazioni di Lorentz spiegazione per ragazzi

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Gaia Chierichetti

21/03/2023

Fisica

Relatività ristretta

Esperimento di Michelson e Morley e Trasformazioni di Lorentz spiegazione per ragazzi

L'esperimento di Michelson-Morley e la teoria della relatività rivoluzionarono la nostra comprensione dello spazio-tempo. Questo documento esplora i concetti fondamentali della relatività speciale di Einstein.

• L'Esperimento di Michelson e Morley del 1887 dimostrò l'inesistenza dell'etere e la costanza della velocità della luce
• La dilatazione dei tempi e la contrazione delle lunghezze sono conseguenze dirette della teoria della relatività
• Il paradosso dei gemelli illustra gli effetti relativistici sul tempo
• Le trasformazioni di Lorentz sostituiscono quelle di Galileo nella descrizione dei fenomeni ad alte velocità
• La famosa equazione E=mc² stabilisce l'equivalenza tra massa ed energia

...

21/03/2023

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Relatività
Fine del 1800 ci si rende conto dell'incompatibilità tra la fisica classica e l'elettromagnetismo
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Galileo/Newton = ogni

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La relatività della simultaneità e il tempo relativo

La teoria della relatività ristretta di Einstein introduce il concetto di relatività della simultaneità, dimostrando che eventi simultanei in un sistema di riferimento possono non esserlo in un altro.

L'esperimento mentale del treno di Einstein illustra questo principio:

Example: Un osservatore fermo a terra vede due fulmini colpire simultaneamente le estremità di un treno in movimento. Un passeggero al centro del treno, invece, vedrà prima il fulmine verso cui si sta muovendo.

Questo esperimento dimostra che la simultaneità degli eventi dipende dal sistema di riferimento dell'osservatore.

La relatività del tempo, o dilatazione dei tempi, è un altro concetto fondamentale introdotto da Einstein:

Definition: La dilatazione dei tempi è il fenomeno per cui il tempo scorre più lentamente per oggetti in movimento rispetto a quelli fermi.

L'esperimento dell'orologio a luce illustra questo concetto:

  1. Per un osservatore solidale all'orologio, il tempo di andata e ritorno del raggio luminoso è Δt = 2d/c.
  2. Per un osservatore esterno che vede l'orologio in movimento, il percorso della luce appare più lungo, risultando in un tempo Δt' maggiore.

La relazione tra questi tempi è data dalla formula:

Δt' = γΔt

Dove γ è il fattore relativistico, sempre maggiore o uguale a 1.

Highlight: Il tempo misurato in un sistema non solidale è sempre maggiore del tempo proprio misurato nel sistema in movimento.

Il famoso paradosso dei gemelli è un esperimento mentale che illustra le conseguenze della dilatazione dei tempi:

Example: Di due gemelli, uno parte per un viaggio spaziale a velocità prossime a quella della luce, mentre l'altro rimane sulla Terra. Al ritorno, il gemello viaggiatore sarà più giovane di quello rimasto sulla Terra.

Relatività
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Verifiche sperimentali della dilatazione dei tempi

La teoria della relatività di Einstein, per quanto controintuitiva, ha ricevuto numerose conferme sperimentali. Due esempi notevoli sono:

  1. L'esperimento di Hafele e Keating:

Example: Nel 1971, i due scienziati posizionarono orologi atomici al cesio su aerei che orbitarono intorno alla Terra per 3 giorni. Al ritorno, gli orologi sugli aerei erano in ritardo di circa 3 secondi rispetto a quelli rimasti a terra.

Questo risultato confermò la previsione della dilatazione dei tempi per oggetti in movimento.

  1. Lo studio dei muoni:

Vocabulary: I muoni sono particelle subatomiche instabili prodotte dall'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera terrestre.

I muoni a riposo hanno una vita media di 2,2 x 10^-6 secondi. Tuttavia:

Highlight: Quando i muoni vengono fatti circolare ad alta velocità in un acceleratore, la loro vita si allunga di 29,3 volte rispetto a quando sono in quiete.

Questo fenomeno è una diretta conseguenza della dilatazione dei tempi prevista dalla relatività ristretta.

Questi esperimenti, insieme a molti altri, forniscono solide prove empiriche a sostegno della teoria di Einstein, dimostrando che il tempo effettivamente scorre più lentamente per i corpi in movimento rapido.

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La contrazione delle lunghezze nella relatività ristretta

La teoria della relatività ristretta di Einstein non solo modifica la nostra comprensione del tempo, ma anche quella dello spazio. Uno dei fenomeni più sorprendenti è la contrazione delle lunghezze:

Definition: La contrazione delle lunghezze è il fenomeno per cui un oggetto in movimento appare più corto nella direzione del moto rispetto alla sua lunghezza a riposo.

Questo effetto è complementare alla dilatazione dei tempi e si manifesta solo per oggetti in movimento relativo all'osservatore.

Highlight: La contrazione delle lunghezze avviene solo nella direzione del moto, mentre le dimensioni perpendicolari al moto rimangono invariate.

La formula che descrive questo fenomeno è:

L = L₀ / γ

Dove:

  • L è la lunghezza misurata dell'oggetto in movimento
  • L₀ è la lunghezza propria dell'oggetto misuratanelsuosistemadiriferimentoariposomisurata nel suo sistema di riferimento a riposo
  • γ è il fattore relativistico lostessousatoperladilatazionedeitempilo stesso usato per la dilatazione dei tempi

Example: Un'astronave lunga 100 metri a riposo, viaggiando a una velocità pari all'80% della velocità della luce, apparirebbe lunga solo 60 metri a un osservatore esterno.

È importante notare che:

  1. La contrazione delle lunghezze è un effetto reale, non un'illusione ottica.
  2. L'effetto diventa significativo solo a velocità molto elevate, prossime a quella della luce.
  3. Gli oggetti non "sentono" la propria contrazione; nel loro sistema di riferimento, mantengono le dimensioni originali.

Questo fenomeno, insieme alla dilatazione dei tempi, sottolinea come la relatività ristretta abbia profondamente modificato la nostra comprensione della natura dello spazio e del tempo, unificandoli in un unico concetto di spazio-tempo quadridimensionale.

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Intervallo Invariante

Nella relatività, gli eventi sono descritti da quattro coordinate trespazialieunatemporaletre spaziali e una temporale.

Definition: Un evento è qualcosa che accade in un punto specifico dello spazio-tempo.

Vocabulary: L'intervallo invariante può essere di tipo tempo, spazio o luce.

Highlight: L'intervallo invariante rimane costante in tutti i sistemi di riferimento.

Non c'è niente di adatto? Esplorare altre aree tematiche.

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Adoro questa applicazione [...] consiglio Knowunity a tutti!!! Sono passato da un 5 a una 8 con questa app

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L'applicazione è molto semplice e ben progettata. Finora ho sempre trovato quello che stavo cercando

Susanna, utente iOS

Adoro questa app ❤️, la uso praticamente sempre quando studio.

 

Fisica

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21 mar 2023

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@gaiachierichetti

L'esperimento di Michelson-Morley e la teoria della relatività rivoluzionarono la nostra comprensione dello spazio-tempo. Questo documento esplora i concetti fondamentali della relatività speciale di Einstein.

• L'Esperimento di Michelson e Morleydel 1887 dimostrò l'inesistenza dell'etere e la costanza... Mostra di più

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La relatività della simultaneità e il tempo relativo

La teoria della relatività ristretta di Einstein introduce il concetto di relatività della simultaneità, dimostrando che eventi simultanei in un sistema di riferimento possono non esserlo in un altro.

L'esperimento mentale del treno di Einstein illustra questo principio:

Example: Un osservatore fermo a terra vede due fulmini colpire simultaneamente le estremità di un treno in movimento. Un passeggero al centro del treno, invece, vedrà prima il fulmine verso cui si sta muovendo.

Questo esperimento dimostra che la simultaneità degli eventi dipende dal sistema di riferimento dell'osservatore.

La relatività del tempo, o dilatazione dei tempi, è un altro concetto fondamentale introdotto da Einstein:

Definition: La dilatazione dei tempi è il fenomeno per cui il tempo scorre più lentamente per oggetti in movimento rispetto a quelli fermi.

L'esperimento dell'orologio a luce illustra questo concetto:

  1. Per un osservatore solidale all'orologio, il tempo di andata e ritorno del raggio luminoso è Δt = 2d/c.
  2. Per un osservatore esterno che vede l'orologio in movimento, il percorso della luce appare più lungo, risultando in un tempo Δt' maggiore.

La relazione tra questi tempi è data dalla formula:

Δt' = γΔt

Dove γ è il fattore relativistico, sempre maggiore o uguale a 1.

Highlight: Il tempo misurato in un sistema non solidale è sempre maggiore del tempo proprio misurato nel sistema in movimento.

Il famoso paradosso dei gemelli è un esperimento mentale che illustra le conseguenze della dilatazione dei tempi:

Example: Di due gemelli, uno parte per un viaggio spaziale a velocità prossime a quella della luce, mentre l'altro rimane sulla Terra. Al ritorno, il gemello viaggiatore sarà più giovane di quello rimasto sulla Terra.

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Verifiche sperimentali della dilatazione dei tempi

La teoria della relatività di Einstein, per quanto controintuitiva, ha ricevuto numerose conferme sperimentali. Due esempi notevoli sono:

  1. L'esperimento di Hafele e Keating:

Example: Nel 1971, i due scienziati posizionarono orologi atomici al cesio su aerei che orbitarono intorno alla Terra per 3 giorni. Al ritorno, gli orologi sugli aerei erano in ritardo di circa 3 secondi rispetto a quelli rimasti a terra.

Questo risultato confermò la previsione della dilatazione dei tempi per oggetti in movimento.

  1. Lo studio dei muoni:

Vocabulary: I muoni sono particelle subatomiche instabili prodotte dall'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera terrestre.

I muoni a riposo hanno una vita media di 2,2 x 10^-6 secondi. Tuttavia:

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Questo fenomeno è una diretta conseguenza della dilatazione dei tempi prevista dalla relatività ristretta.

Questi esperimenti, insieme a molti altri, forniscono solide prove empiriche a sostegno della teoria di Einstein, dimostrando che il tempo effettivamente scorre più lentamente per i corpi in movimento rapido.

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La contrazione delle lunghezze nella relatività ristretta

La teoria della relatività ristretta di Einstein non solo modifica la nostra comprensione del tempo, ma anche quella dello spazio. Uno dei fenomeni più sorprendenti è la contrazione delle lunghezze:

Definition: La contrazione delle lunghezze è il fenomeno per cui un oggetto in movimento appare più corto nella direzione del moto rispetto alla sua lunghezza a riposo.

Questo effetto è complementare alla dilatazione dei tempi e si manifesta solo per oggetti in movimento relativo all'osservatore.

Highlight: La contrazione delle lunghezze avviene solo nella direzione del moto, mentre le dimensioni perpendicolari al moto rimangono invariate.

La formula che descrive questo fenomeno è:

L = L₀ / γ

Dove:

  • L è la lunghezza misurata dell'oggetto in movimento
  • L₀ è la lunghezza propria dell'oggetto misuratanelsuosistemadiriferimentoariposomisurata nel suo sistema di riferimento a riposo
  • γ è il fattore relativistico lostessousatoperladilatazionedeitempilo stesso usato per la dilatazione dei tempi

Example: Un'astronave lunga 100 metri a riposo, viaggiando a una velocità pari all'80% della velocità della luce, apparirebbe lunga solo 60 metri a un osservatore esterno.

È importante notare che:

  1. La contrazione delle lunghezze è un effetto reale, non un'illusione ottica.
  2. L'effetto diventa significativo solo a velocità molto elevate, prossime a quella della luce.
  3. Gli oggetti non "sentono" la propria contrazione; nel loro sistema di riferimento, mantengono le dimensioni originali.

Questo fenomeno, insieme alla dilatazione dei tempi, sottolinea come la relatività ristretta abbia profondamente modificato la nostra comprensione della natura dello spazio e del tempo, unificandoli in un unico concetto di spazio-tempo quadridimensionale.

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L'esperimento di Michelson-Morley e la nascita della relatività ristretta

Alla fine del XIX secolo, emerse un'incompatibilità tra la fisica classica e l'elettromagnetismo. Mentre la fisica galileiana e newtoniana considerava ogni moto relativo al sistema di riferimento, le equazioni di Maxwell descrivevano la luce come un'onda elettromagnetica con velocità costante indipendente dal riferimento.

L'esperimento di Michelson e Morley del 1887 fu cruciale per evidenziare questa contraddizione:

Highlight: L'interferometro utilizzato nell'esperimento divideva un raggio di luce in due percorsi perpendicolari, per poi ricombinarli e osservare le frange d'interferenza.

Secondo la fisica classica, il "vento d'etere" avrebbe dovuto rallentare uno dei raggi, causando uno sfasamento nell'interferenza. Tuttavia:

Definition: L'etere era una sostanza ipotetica, invisibile e immobile, teorizzata per giustificare la propagazione delle onde elettromagnetiche.

L'esperimento non rilevò alcuna differenza, dimostrando che l'etere non esisteva e che la velocità della luce era effettivamente costante in ogni direzione.

Per risolvere questa contraddizione, Albert Einstein pubblicò nel 1905 la teoria della relatività ristretta, basata su due postulati fondamentali:

  1. Il principio della relatività ristretta: le leggi fisiche sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
  2. Il principio di invarianza della velocità della luce: la velocità della luce nel vuoto è costante in tutti i sistemi inerziali.

Vocabulary: Un sistema di riferimento inerziale è un sistema che si muove a velocità costante rispetto ad altri sistemi.

Questi principi rivoluzionarono la comprensione dello spazio e del tempo, introducendo concetti come la relatività della simultaneità.

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Recensioni dei nostri utenti. Ci adorano - e anche tu, vedrai .

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L'applicazione è molto facile da usare e ben progettata. Finora ho trovato tutto quello che cercavo e ho potuto imparare molto dalle presentazioni! Utilizzerò sicuramente l'app per i compiti in classe! È molto utile anche come fonte di ispirazione.

Stefano S

utente iOS

Questa applicazione è davvero grande! Ci sono tantissimi appunti e aiuti con lo studio [...]. La mia materia problematica, per esempio, è il francese e l'app ha così tante opzioni per aiutarmi. Grazie a questa app ho migliorato il mio francese. La consiglio a tutti.

Samantha Klich

utente Android

Wow, sono davvero stupita. Ho appena provato l'app perché l'ho vista pubblicizzata molte volte e sono rimasta assolutamente sbalordita. Questa app è L'AIUTO che cercate per la scuola e soprattutto offre tantissime cose, come allenamenti e schede, che a me personalmente sono state MOLTO utili.

Anna

utente iOS

È bellissima questa app, la adoro. È utilissima per lo studio e mi aiuta molto, anzi moltissimo, ma soprattutto mi aiutano molto i quiz, per memorizzare anche quello che non sapevo

Anastasia

utente Android

Fantastica per qualsiasi materia avere gli appunti anche di altre persone è molto utile perchè posso confrontarmi e vedere come migliorarmi. con i quiz riesco ad apprendere al meglio.

Francesca

utente Android

moooolto utile,gli appunti sono belli e funzionanti,schoolGPT da dei consigli formidabili!!

Marianna

utente Android

L'applicazione è semplicemente fantastica! Tutto ciò che devo fare è inserire l'argomento nella barra di ricerca e ottengo la risposta molto velocemente. Non devo guardare 10 video di YouTube per capire qualcosa, quindi risparmio tempo. Consigliatissima!

Sudenaz Ocak

utente Android

A scuola andavo malissimo in matematica, ma grazie a questa applicazione ora vado meglio. Vi sono molto grato per aver creato questa app.

Greenlight Bonnie

utente Android

Knowunity è un applicazione fantastica,considerando che ha degli schemi veramente molto carini e sfiziosi e che ci sono dei quiz,oltre al fatto che questa cosa dell intelligenza artificiale "school gpt" è almeno per me molto utile, perché a differenza di Chatgpt ti da le spiegazioni, ti spiega ciò che non è chiaro! Posso studiare più velocemente tramite gli schemi e che posso pubblicare io stessa gli schemi è una funzione utilissima per gli altri studenti. Knowunity è PERFETTA

Aurora

utente Android

L’app funziona benissimo e puoi trovare qualsiasi tipo di informazione. Non ho l’abbonamento ma la parte gratuita è sufficiente per uno studio approfondito.

Martina

utente iOS

in questi ultimi mesi di scuola dove il tempo è ormai poco, mi sta aiutando molto perché piuttosto che farmi io gli schemi su quello che leggo sul libro guardo questi già fatti e li uso come ripasso piuttosto che rileggermi tutto il libro

Chiara

utente IOS

Questa app è una delle migliori, nient’altro da dire.

Andrea

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L'applicazione è molto facile da usare e ben progettata. Finora ho trovato tutto quello che cercavo e ho potuto imparare molto dalle presentazioni! Utilizzerò sicuramente l'app per i compiti in classe! È molto utile anche come fonte di ispirazione.

Stefano S

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Questa applicazione è davvero grande! Ci sono tantissimi appunti e aiuti con lo studio [...]. La mia materia problematica, per esempio, è il francese e l'app ha così tante opzioni per aiutarmi. Grazie a questa app ho migliorato il mio francese. La consiglio a tutti.

Samantha Klich

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Wow, sono davvero stupita. Ho appena provato l'app perché l'ho vista pubblicizzata molte volte e sono rimasta assolutamente sbalordita. Questa app è L'AIUTO che cercate per la scuola e soprattutto offre tantissime cose, come allenamenti e schede, che a me personalmente sono state MOLTO utili.

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È bellissima questa app, la adoro. È utilissima per lo studio e mi aiuta molto, anzi moltissimo, ma soprattutto mi aiutano molto i quiz, per memorizzare anche quello che non sapevo

Anastasia

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Fantastica per qualsiasi materia avere gli appunti anche di altre persone è molto utile perchè posso confrontarmi e vedere come migliorarmi. con i quiz riesco ad apprendere al meglio.

Francesca

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moooolto utile,gli appunti sono belli e funzionanti,schoolGPT da dei consigli formidabili!!

Marianna

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L'applicazione è semplicemente fantastica! Tutto ciò che devo fare è inserire l'argomento nella barra di ricerca e ottengo la risposta molto velocemente. Non devo guardare 10 video di YouTube per capire qualcosa, quindi risparmio tempo. Consigliatissima!

Sudenaz Ocak

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A scuola andavo malissimo in matematica, ma grazie a questa applicazione ora vado meglio. Vi sono molto grato per aver creato questa app.

Greenlight Bonnie

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Knowunity è un applicazione fantastica,considerando che ha degli schemi veramente molto carini e sfiziosi e che ci sono dei quiz,oltre al fatto che questa cosa dell intelligenza artificiale "school gpt" è almeno per me molto utile, perché a differenza di Chatgpt ti da le spiegazioni, ti spiega ciò che non è chiaro! Posso studiare più velocemente tramite gli schemi e che posso pubblicare io stessa gli schemi è una funzione utilissima per gli altri studenti. Knowunity è PERFETTA

Aurora

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L’app funziona benissimo e puoi trovare qualsiasi tipo di informazione. Non ho l’abbonamento ma la parte gratuita è sufficiente per uno studio approfondito.

Martina

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in questi ultimi mesi di scuola dove il tempo è ormai poco, mi sta aiutando molto perché piuttosto che farmi io gli schemi su quello che leggo sul libro guardo questi già fatti e li uso come ripasso piuttosto che rileggermi tutto il libro

Chiara

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Questa app è una delle migliori, nient’altro da dire.

Andrea

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