第十四章相对论

物理学第五版本章目录14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观14-2迈克耳孙-莫雷实验14-3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式14-4狭义相对论的时空观物理学第五版14-6相对论性动量和能量第十四章相对论14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观物理学第五版2x'xy'yvo'oz'z'ss*)',','(),,(zyxzyxPx'xtvz'z'yy系相对于系以匀速沿轴运动，两参照系中同一事件的时空关系:SSXttzzyyvtxx第十四章相对论14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观物理学第五版3vxxuuyyuuzzuu速度变换zzaayyaaxxaa加速度变换aaamFamF在两相互作匀速直线运动的惯性系中,牛顿运动定律具有相同的形式------力学的相对性原理第十四章相对论14-1伽利略变换式牛顿的绝对时空观物理学第五版4二经典力学时空观绝对空间:空间与运动无关,空间绝对静止.空间的度量与惯性系无关,绝对不变．绝对时间:时间均匀流逝,与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间.牛顿力学的相对性原理,在宏观、低速的范围内,与实验结果相一致的.物理学第五版伽利略变换的困难:1)电磁场方程组不服从伽利略变换2)光速cucAB火车Xucc0122222tcx系S02122222222222xcutxcutcx系S3)实验观测：速度为0.99975c的衰变后变为能量为6GeV的辐射光子,实验测得的光速仍为c。0π第十四章相对论物理学第五版6麦氏方程组不满足伽氏变换的原因分析：•麦克斯韦方程不正确•伽利略变换不正确•电磁运动不服从相对性原理伽利略变换相对性原理麦克斯韦方程推测：存在绝对静止的参照系---以太。电磁波在以太中以光速传播。第十四章相对论物理学第五版7证明绝对静止参考系“以太”存在的实验l12GMGMvsGM1M2T实验结果0N结论：作为绝对参考系的以太不存在.14-2迈克耳孙-莫雷实验第十四章相对论14-3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式物理学第五版8爱因斯坦20世纪最伟大的物理学家,1905年、1915年先后创立狭义和广义相对论,1905年提出了光量子假设,1921年获得诺贝尔物理学奖,还在量子理论方面有重要贡献.（1879-1955）第十四章相对论14-3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式物理学第五版9真空中的光速是常量，沿各个方向都等于c，与光源或观测者的运动状态无关.1相对性原理物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式.2光速不变原理一狭义相对论的基本原理第十四章相对论14-3狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式物理学第五版10二洛伦兹变换式)tx(xvyyzz)xct(t2v正变换)tx(xvyyzz)xct(t2v逆变换cv211x'xy'yvo'oz'z'ss*)',','(),,(zyxzyxPx'xtvz'z'yy第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版11S系(地面参考系)事件2),,,(2222tzyx),,,(1111tzyx事件1设S系中x1、x2两处发生两事件,时间间隔为.问S′系中这两事件发生的时间间隔是多少？12Δttt1Δttt2'x'y'o12xyov123691236912369一同时的相对性第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版12)',',','(1111tzyx系(车厢参考系))',',','(2222tzyxS'221ΔΔΔxcttvv'x'y'o121236912369)xct(t2v0Δ0Δ0Δttx同时的相对性第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版13同时的相对性：结论:同时性具有相对意义事件1:车厢后壁接收器接收到光信号事件2:车厢前壁接收器接收到光信号第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版14二长度的收缩(动尺变短)xyozs1'x2'x0l'y'xv'o'z's1x2x棒沿轴对系静止放置,在系中同时测得两端坐标21,xxxOSS120xxl则棒的固有长度为：问在S系中测得棒有多长?第十四章相对论物理学第五版15)()(12120txtxxxlvv设在S系中某时刻t同时测得棒两端坐标为x1、x2，则S系中测得棒长l=x2-x1，l与l0的关系为：12xx)tx(xv2201cllv2211cv221clv结论：长度具有相对意义物体在运动方向上长度收缩第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版16例1一光子火箭，相对于地球以速率直线飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为15m，问以地球为参考系，此火箭有多长？c95.0v解固有长度llm150运动长度21llm68.4m95.01152l第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版17三时间的延缓(动钟变慢)第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版18)','(1tx发射光信号)','(2tx接受光信号12Δttt时间间隔s'系同一地点B发生两事件'yx'xv'os'dB12369xyosd12369123691x2x12369)(2cxttv)Δ'Δ(Δ2cxttv0x21tt第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版19xyosd12369123691x2x12369'yx'xyvo'os'sdB1236921tt固有时间：同一地点发生的两事件的时间间隔.时间延缓：运动的钟走得慢.0Δ'ΔΔttt第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版20狭义相对论的时空观(1)空间和时间都是相对的，与参照系的选择（即运动）有关.(2)时间与空间不互相独立，而是不可分割的整体，构成四维时空。第十四章相对论14-4狭义相对论的时空观物理学第五版21例3设想一光子火箭以速率相对地球作直线运动，火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去10min,则地球上的观察者测此事用去多少时间？c.950vmin01.32min95.01101'ΔΔ22tt运动的钟似乎走慢了.min10'Δt解设火箭为系、地球为S系S第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版22(1)相对论动量遵循洛伦兹变换vvvmmmp0201当时cvvv0mmp一动量与速度的关系(2)相对论质量201mm静止质量：m0第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版23相对论质量201mm说明质量与速度有关.)(vmm0m12340.20.41.000.60.8vc第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版24物体相对于惯性系静止时的质量.0m静质量:结论:质量具有相对意义.,可以认为质点的质量是一个常量,牛顿力学仍然适用.当时cv0mm第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版25三质量与能量的关系动能定理pxxxpxtpxFE000kdddddv设201vmppppdd)(dvvvv2vvvv022020kd11cmmE积分202020k11cmcmmE2222vvvcc第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版260mm202020k11cmcmmE2222vvvcc)111(220202kcmcmmcE相对论动能20k21vvmEc当时，静能量200cmE物体静止时所具有的能量.第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版272mcE相对论质能关系质能关系指出：物质的质量和能量之间有密切的联系.总能量相对论能量和质量守恒是一个统一的物理规律22mccmEE0K第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版28物理意义2mcE2)(cmE惯性质量的增加和能量的增加相联系，能量的改变必然导致质量的相应变化，这是相对论的又一极其重要的推论.相对论的质能关系为开创原子能时代提供了理论基础,这是一个具有划时代意义的理论公式.第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版29四质能公式在原子核裂变和聚变中的应用n2SrXenU109538139541023592u22.0m质量亏损原子质量单位kg1066.1u127放出的能量MeV2002cmEQ1核裂变1g铀—235的原子裂变释放的能量J105.810Q第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版30原子弹爆炸（核裂变）1967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版31五动量与能量的关系222021ccmmcEv2201cmmpvvv22222022)()(cmcmmcvE200cmEpc22202cpEE极端相对论近似pcEEE,0第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版32光子cmv00mccEp光的波粒二象性/hphE第十四章相对论14-6相对论性动量和能量物理学第五版33“Ifrelativityisprovedright,theGermanswillcallmeaGerman，theSwisswillcallmeaSwisscitizen，andtheFrenchwillcallmeagreatscientist.IfrelativityisprovedwrongtheFrenchwillcallmeaSwiss，theSwisswillcallmeaGerman，andtheGermanswillcallmeaJew.”—Albert·Einstein第十四章相对论34狭义相对论自测题第十四章相对论35第十四章相对论36第十四章相对论37第十四章相对论38解:202cmmcEk202201cmcm)111(220cmMeV1.3)199.011(51.02第十四章相对论39解:202cmmcEk20202023cmcmcm第十四章相对论40解:5.0511.025.0)(02020000EEcmcmmmmmmmk第十四章相对论41解:)1)(11(220202cvcmcmmcEk第十四章相对论42由能量守恒2022cMmc解:第十四章相对论432222)(ctzyx2222)(tczyx相对的运动第十四章相对论44解:2201cvll2021llcv由:得:c23c866.018sm106.28106.2第十四章相对论45解法1:利用长度收缩效应：设宇宙飞船的速度为u,从飞船的角度来讲,空间相对它以u的速度运动.牛郎星与地球间的距离变短了。cl16020)/(1cull4u解法2:利用动钟变慢效应：从地面上的角度来讲,宇宙飞船上的钟走的慢了。2)/(1cutuc1618sm109.21716cu18sm109.21716cu第十四章相对论46解:2201cut288.01106.281033.4s1033.48第十四章相对论47解:u2201cull28.0150cm30llV2033m075.0cm750003050503m075.0第十四章相对论482201cula解:2021lacu解:45202020202020cmcmcmcmcmmcEEk第十四章相对论49解:45202020202020cm