大学物理相对论复习资料

104狭义相对论基本内容一、狭义相对论的基本原理1.迈克耳逊实验迈克耳逊莫雷实验的目的是测定地球相对以太的速度，实验结果：地球相对以太的速度为零，当时的物理理论不能解释该实验结果。2.爱因斯坦狭义相对论的基本假设相对性原理：物理学定律在所有的惯性系中形势都是相同的，即一切惯性系都是等价的。光速不变原理：在所有的惯性系中，真空中（自由空间）光速具有相同的量值c。二、狭义相对论时空观1.洛仑兹变换一个事件在惯性系S中的时空坐标为(x,y,z,t)，在沿x轴以速度v匀速运动的另一惯性系S'中的时空坐标为()x,y,z,t（0tt时刻两惯性系原点重合且相应轴重合），则该事件的时空坐标的变换关系称为洛仑兹变换：22222'()1'''()1vxxvtcyyzzvvttxcc或22222('')1''('')1vxxvtcyyzzvvttxcc2.同时是相对的两个事件在一个惯性系中同时同地发生，在一切惯性系中该两事件必同时同地发生；两个事件在一个惯性系中不同地点同时发生，在其它惯性系中该两事件不一定同时发生。3.时钟变慢（时间变缓）在一个惯性系中同一地点先后发生的两事件，在该惯性系静止的时钟测得105的时间间隔为固有时间0τ，在另一相对该惯性系以速度v匀速运动的时钟测得的时间间隔为t，两者的关系为20021vtc。4.尺缩短（长度收缩）观测者与尺相对静止时测得尺长称固有长度0L，观测者沿尺长方向以速度v匀速运动时测得尺长为L，两者关系为2021vLLc，观察者垂直于尺长方向以速度v匀速运动时测得尺长为L，0LL。5.狭义相对论时空观与经典时空观的比较当vc时在x≯ct的时空范围内洛仑兹变换转化为伽利略变换，经典时空观是上述条件下狭义相对论时空观的极限。6.时空相对性的概念在相对论中两事件的同时性、时间间隔、空间间隔都依赖于参照系的选择，从这个意义上说这些概念或物理量是相对的。即这些量的量值依赖于参照系（观察者），依赖于观察者的相对运动。比如说物体长度是多少，必须说明是相对于哪个参照系（或坐标系）。若物体与参照系相对静止，则长度为固有长度；若参照系与物体有相对运动，则长度缩短。7.洛仑兹变换与时间间隔、长度和同时性洛仑兹变换是相对论中一事件在不同参照系中时空坐标的变换关系。反映狭义相对论时空观的同时的相对性、钟慢和尺缩效应，必然涉及两个事件，是反映时空坐标变换关系的典型特例。这类问题可以用相应的公式计算，当然也可以用洛仑兹变换来讨论。应用对应的公式计算之前应对所用公式是否适用于所讨论的问题做出准确的判断。三、狭义相对论动力学基础1.动量守恒、能量守恒定律是自然界的普遍规律动量定理Fdtdp，动能定理kFdsdE在狭义相对论动力学中也仍然成立。而动量、动能、动量106能量关系、牛顿第二定律在狭义相对论力学与经典力学有不同的表示形式，但是经典力学中的表示式是相对论力学表示式在vc情况下的极限。2.质量和动量动量仍可写成质量乘以速度矢量pmv，但物体质量随运动速度改变2021vmmc，m0是物体静止时的质量称静止质量。在相对论中质量是相对的。3.动能和质能关系220kEmcmc2Emc—→物体的能量，200Emc—→物体的静止能量4.动量能量关系：22220pcEE5.相对论动力学方程（动量定理）为：()dpdmvdmFmavdtdtdt只有当（1）vc，（2）Fv两种情况下，Fma的形式仍成立。前者0Fma，后者Fma且2vaR。以m0表示静止质量，m表示运动质量（2021vmmc）动量动力学方程动能动量能量关系经典力学0pmv0()dmvFdt2012kEmv02kpmE相对论力学pmv()dmvFdt220kEmcmc2201pEEc107思考题1、经典相对性原理与狭义相对论的相对性原理有何不同？答：经典相对性原理是指对不同的惯性系，牛顿定律和其他力学定律的形式都是相同的。狭义相对论的相对性原理指出：在一切惯性系中，所有物理定律都是相同的，即相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于一切物理现象。也就是说，不仅在力学范围内所有惯性系等价，而且对于一切物理现象，所有的惯性系都是等价的。2、洛仑兹变换和伽利略变换有何不同？答：伽利略变换是经典力学中同一事件的时空坐标在不同惯性系中的变换关系，反映绝对时空观；洛仑兹变换是狭义相对论中同一事件时空坐标在不同惯性系中的变换关系，反映相对论的时空观；在低速情况下，洛仑兹变换回到伽利略变换。3、在相对论中，时间间隔、长度、质量和同时性等这些概念或物理量是相对的，如何理解？答：某一物理量是相对的是指这一物理量与参照系的选择有关，与观察者有关，决定于与观察者的相对运动。说某一具有相对性的物理量的量值时，必须指明相对于哪一个参照系，否则是没有意义的。例如：同时性的相对性是指，两个事件在某一参照系来看是同时的，在另一参照系不一定是同时发生的，同时性依赖于参照系的选择。4、为什么光速不变原理中强调真空中光速？答：光的传播速度只在真空中才是常数c，其量值不依赖于参照系的选择；在其他介质中，光的传播速度依赖于介质的性质，不同介质中光的速度可以不同，在各向异性介质中沿不同方向传播的速度可以不同。5、爱因斯坦想“追光”。当16岁的爱因斯坦在瑞士阿劳州立中学上学时，就曾设想过以光的速度c随同光线运动时光的电磁场该是怎么样呢？那是一个在空间振荡而停滞不前的电磁场，还是与静止在地球上的观察者所看到的一样？他为此沉思了10年。现在要问，假设能造出光子火箭，在以光速c飞行的飞船上测定的光速该是多少？答：在以光速运动的飞船上的观察者看到的电磁场与地球上的观察者所观察的一样，测得的光速仍然是c，按照洛仑兹速度变换也是c。6、如果光速数值趋于无限大，洛仑兹变换和狭义相对论的结论将有何变化？108答：当光速c，洛仑兹变换将趋于伽利略变换，从而长度收缩和时间延缓效应将消失，物体质量也不随速度变化。7、在S参照系观察到一个静止的圆盘。若S是另一个惯性参照系，则在S系内是否也观察到一个圆盘？答：若S，S两参照系没有相对运动，或相对运动的方向与盘所在平面垂直，则在S参照系内仍然看到是一个圆盘，且大小不变；若S，S沿圆盘所在平面某一个方向运动，则在S系中观察到椭圆盘，这是因为盘相对S系运动，沿运动方向尺度缩短，而其他方向不变。8、说明尺缩问题中长度是如何测量的？答：在与物体相对静止的参照系，长度为物体两端坐标的差值；在相对于物体运动的参照系中长度由同一时刻对物体两端的坐标进行测量得到的。尺缩效应是一种运动学效应。9、如何理解相对论中时间的膨胀？答：在一个惯性系S中同一地点先后发生的两个事件的时间间隔为固有时间0，在另一个相对上述参照系运动的参照系S中测得的两个事件的时间间隔比0长。在S系中固定的时钟相对于事件静止，在S中固定的时钟相对于事件运动，0，故运动的时钟延缓，或说运动的时间膨胀。10、有两个固有长度相等的杆分别置于做相对运动的二惯性系K和K中，而且两杆分别沿x、x轴放置，处于静止。从K系观察，哪根棒较长？从K观察的结果又如何？他们的观察结果是否相同？如果不相同，究竟谁正确？答：从K系观察，置于自身惯性系（K系）的棒比放于K系的棒长。同样，从K系观察，置于K系的棒比放于K系的棒长。处于两个惯性系的二观察者所得的观察结果尽管不同，但都是正确的，与狭义相对论中长度收缩效应相符合。11、作相对运动的两个观察者，在什么情况下，对两个不同事件“同时”的看法是一样的？在某参照系中事件A比事件B早发生，是否可能存在另一个参照系，在那里事件B却比A早发生？这样的两个事件A、B之间会有因果关系吗？答：两个事件在一个参考系中发生于同一地点、同一时刻，在另一参考系一定是同时的。在不同地点同时发生的两个事件，在另一惯性参考系中不一定同时发生。存在因果关系的两个事件，在任何惯性参考系中绝不可能时序反转。只有109无因果关系的两个事件，相距足够远，即远到在两个事件发生的时间间隔内，用光信号也无法取得联系的两地发生的事才有可能时序反转。12、“在相对论中，质点的动能亦可写作212mv，只是其中2021vmmc”这是否正确？答：以上表述不正确。因为在狭义相对论中，质点的动能定义为2022111kEmcvc13、在狭义相对论中，有没有以光速运动的粒子？这种粒子的动量和能量的关系如何？答：在狭义相对论中，有以光速运动的例子，它就是构成光的光量子，简称光子。光子的速度V=c，按照狭义相对论中粒子的质-速关系2021vmmc光子的静质量只能为零。其静能量00E。因为狭义相对论中粒子的能量和动量的关系为22202cpEE。所以光子能量和动量的关系为cpE。110典型例题1．5360在惯性系K中，有两个事件同时发生在x轴上相距1000m的两点，而在另一惯性系K′（沿x轴方向相对于Ｋ系运动）中测得这两个事件发生的地点相距2000m．求在K＇系中测得这两个事件的时间间隔．解：设一个事件的时空坐标在K系中为),(11tx，在K′系中为),(11tx，另一个事件的时空坐标在K系中为),(22tx，在K′系中为),(22tx．根据洛仑兹变换公式:2)(1/ctxxvv，22)(1//ccxttvv可得2222)(1/ctxxvv，2111)(1/ctxxvv2分在K系，两事件同时发生，t1=t2，则21212)(1/cxxxxv所以21)/()()/(112122xxxxcv2分解得2/3cv．2分在K′系上述两事件不同时发生22111)(1//ccxttvv，22222)(1//ccxttvv2分由此得xxctt/c221122v()/1(v)=5.77×10－6s2分2．4373静止的子的平均寿命约为0=2×10-6s．今在8km的高空，由于介子的衰变产生一个速度为v=0.998c(c为真空中光速)的子，试论证此子有无可能到达地面．解：考虑相对论效应，以地球为参照系，子的平均寿命：60231.6101(/)vcs2分则子的平均飞行距离：vL9.46km．子的飞行距离大于距地面的高度，有可能到达地面．3分1113.静长为的0l细棒，固定在惯性系S中的yx面上与x轴成角，S系相对于另一惯性系S沿公共轴xx以匀速v运动，求S系测得的棒长及其与x轴的夹角。解：棒静止在S系，其yx,分量分别为：cos0lLxsin0lLyS系观测该棒，x方向的长度收缩，而y方向的长度不变，即22xx02LL1l1coscv，sin0yylLL所以棒长为2222xy02LLLl1coscv棒与轴夹角为2y2xLarctanarctan(tan1)cLv4．静止的0介子衰变为两个0介子，0介子的静能为498MeV，0介子的静能为135MeV，求每个0介子的动量和速度。0lyyyvXyXyOoθ112解：依能量守恒和动量守恒可知，两个0介子有相等的能量，并以等值反向的动量分开。由题得每个0介子的总能量为MeV24949821E由2022)(EpcE得MeV209MeV13524922202cccEEp或表示为119smKg1011.1p依照pmv，得222ppc209c===0.839cmmc249cv≈或表为612.5210msv5．氢原子的同位素氘)(21D和氚)(31T在高温条件下能发生聚变反应，产生氦原子核)(42He和一个中子)(10n，并释放大量能量，其反应方程为：TD3121nHe1042已知氘核的质量为2.0135u，氚核质量为3.015