第六篇近代物理學(xué)基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)：相對(duì)論，量子力學(xué)第1頁1900年英國物理學(xué)家開爾文展望20世紀(jì)科學(xué)：----黑體熱輻射試驗(yàn)----邁克耳遜-莫雷試驗(yàn)“不過，在物理學(xué)晴朗天空遠(yuǎn)處，還有兩朵小小令人不安烏云”“在已經(jīng)基本建成科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎修補(bǔ)工作就行了”第2頁第十五章狹義相對(duì)論基礎(chǔ)第3頁廣義—推廣到普通參考系包含引力場在內(nèi)理論（1915年）相對(duì)論：（1905年）狹義—局限在慣性參考系理論第4頁§15-1經(jīng)典力課時(shí)空觀§15-2狹義相對(duì)論基本原理

洛侖茲變換§15-3相對(duì)論時(shí)空觀§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第5頁一、力學(xué)相對(duì)性原理對(duì)任何慣性系來說，力學(xué)現(xiàn)象都遵從一樣規(guī)律，即一切慣性系都是等價(jià)船走嗎?舟行而不覺也---西漢《尚書緯?考靈曜》§15-1經(jīng)典力課時(shí)空觀§15-1經(jīng)典力課時(shí)空觀第6頁二、經(jīng)典力課時(shí)空觀絕對(duì)空間時(shí)間和空間彼此獨(dú)立§15-1經(jīng)典力課時(shí)空觀絕對(duì)時(shí)間絕對(duì)質(zhì)量-----絕對(duì)時(shí)空觀長度量度、時(shí)間量度、物體質(zhì)量都與參考系無關(guān)第7頁三、牛頓力學(xué)困難光傳到乙時(shí)間：傳到乙時(shí)間：先出球，后擊球

----先后顛倒擊前瞬間擊后瞬間§15-1經(jīng)典力課時(shí)空觀第8頁

以太系光靠“以太”媒質(zhì)傳輸，相對(duì)于靜止“以太”，光傳輸速度各向同性，恒為c§15-2狹義相對(duì)論基本原理

洛侖茲變換一、光速問題舊時(shí)觀點(diǎn)：§15-2狹義相對(duì)論基本原理第9頁光為橫波橫波在固體介質(zhì)中傳輸“以太”何物？橫波波速要求G(剛性)很大，

(質(zhì)量)很小問題：§15-2狹義相對(duì)論基本原理第10頁試驗(yàn)：測地球相對(duì)“以太”速度

----邁克耳遜-莫雷試驗(yàn)以太系

以太風(fēng)§15-2狹義相對(duì)論基本原理第11頁1881年邁克耳遜第一次試驗(yàn)，預(yù)期1887年邁克耳遜和莫雷改進(jìn)試驗(yàn)，預(yù)期結(jié)果：----“零結(jié)果”1907年邁克耳遜因創(chuàng)制了精密光學(xué)儀器而取得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)§15-2狹義相對(duì)論基本原理第12頁二、愛因斯坦兩個(gè)基本假設(shè)1905年愛因斯坦在《運(yùn)動(dòng)物體電動(dòng)力學(xué)》論文中提出假設(shè)：(1)相對(duì)性原理：物理定律在一切慣性系中都是相同----不存在任何特殊慣性系(2)光速不變?cè)恚涸谌繎T性系中，真空中光傳輸速率都等于c§15-2狹義相對(duì)論基本原理第13頁三、洛侖茲變換K’系沿x軸以u(píng)運(yùn)動(dòng)t=t’=0：O和O’

重合t秒后：§15-2狹義相對(duì)論基本原理P點(diǎn)坐標(biāo)第14頁洛侖茲變換洛侖茲逆變換§15-2狹義相對(duì)論基本原理第15頁(2)v>c時(shí)洛侖茲變換失去意義----物體速度以c為極限(1)洛侖茲變換中時(shí)間和空間相互聯(lián)絡(luò)討論：(3)u<<c時(shí)：----洛侖茲變換轉(zhuǎn)化為伽利略變換§15-2狹義相對(duì)論基本原理第16頁

四、相對(duì)論速度變換§15-2狹義相對(duì)論基本原理第17頁同理§15-2狹義相對(duì)論基本原理第18頁[例1]K系0點(diǎn)發(fā)出一閃光，1s后同時(shí)被P1和P2點(diǎn)接收。設(shè)K’系相對(duì)K系運(yùn)動(dòng)速度為0.8c

(開始時(shí)0與0’重合)，求P1和P2接收到信號(hào)時(shí)在K'上時(shí)刻和位置解：P1和P2接收信號(hào)時(shí)時(shí)空坐標(biāo)分別為(c,0,0,1)、(-c,0,0,1)K’上觀察§15-2狹義相對(duì)論基本原理第19頁即P1點(diǎn)在K’中時(shí)空坐標(biāo)為(,0,0,)同理可得P2點(diǎn)在K’中時(shí)空坐標(biāo)為(-3c,0,0,3)§15-2狹義相對(duì)論基本原理第20頁討論：(1)

----同時(shí)----不一樣時(shí)(2)

----時(shí)間間隔、距離長度和同時(shí)性等都是相正確K：P1(c,0,0,1)

P2(-c,0,0,1)K’：P1(c/3,0,0,1/3)

P2(-3c,0,0,3)§15-2狹義相對(duì)論基本原理第21頁[例2]在試驗(yàn)室測出，電子A以速度2.9×108m/s向右運(yùn)動(dòng)，而電子B以速度2.7×108m/s向左運(yùn)動(dòng)。求A電子相對(duì)B電子速度是多少?試驗(yàn)室解：設(shè)試驗(yàn)室為K系，電子B為K’系§15-2狹義相對(duì)論基本原理第22頁A相對(duì)于B速度即為A相對(duì)于K’速度試驗(yàn)室§15-2狹義相對(duì)論基本原理第23頁一、長度收縮§15-3相對(duì)論時(shí)空觀固有長度L0：觀察者相對(duì)于物體靜止時(shí)所測量長度K’系測量§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第24頁K系同時(shí)測得首尾坐標(biāo)分別為x1和x2:即----長度收縮§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第25頁

討論：(1)長度測量值與被測物體相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)相關(guān)，相對(duì)靜止時(shí)最長(2)相對(duì)論長度收縮只發(fā)生在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上(3)全部慣性系彼此等價(jià)§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第26頁§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第27頁[例3]如圖，有一米尺固定在x’O’y’平面內(nèi)，K’系測得該尺與x’軸成30o角，K系測得該尺與x軸成45o角。問:K系中觀察者測得尺長度是多少?K'相對(duì)于K系速度是多少?解：K’系：§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第28頁設(shè)K系測得尺長為l尺在y方向上得投影長度不變，即§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第29頁由長度收縮有解得§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第30頁二、時(shí)間膨脹固有時(shí)間t0：在一慣性系中測得該慣性系同一地點(diǎn)先后發(fā)生兩件事件時(shí)間間隔閃光第1次第2次§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第31頁----時(shí)間膨脹§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第32頁

討論：(1)由相對(duì)運(yùn)動(dòng)參考系測得時(shí)間間隔比固有時(shí)間長，即事件改變過程時(shí)間間隔變大(2)相對(duì)觀察者動(dòng)鐘比靜鐘慢(動(dòng)鐘變慢)§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第33頁§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第34頁[例4]一飛船和一彗星相對(duì)地面分別以0.6c和0.8c速度相向而行,在地面上觀察,再有5s二者就要相撞,問:(1)飛船上看彗星速度為多少?(2)從飛船上鐘看再經(jīng)多少時(shí)間二者將相撞?解：設(shè)地面為K系，飛船為K’系§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第35頁(1)(2)對(duì)飛船，觀察到彗星和與其相撞是在同一地點(diǎn)發(fā)生兩個(gè)事件負(fù)號(hào)表示沿x’軸負(fù)向§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第36頁三、“同時(shí)”相對(duì)性設(shè)在K系x1、x2處同時(shí)發(fā)生兩件事件K’系觀察§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第37頁

(2)事件先后次序：如：x2處事件先發(fā)生討論：(1)一慣性系中同時(shí)而不一樣地點(diǎn)發(fā)生事件，在另一慣性系不是同時(shí)發(fā)生§15-3相對(duì)論時(shí)空觀被觀察慣性系運(yùn)動(dòng)方向后方事件先發(fā)生第38頁

(3)事件因果次序是絕正確而與同號(hào)----事件因果次序不變§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第39頁§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第40頁[例5]觀察者A看到相距4m兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，觀察者B看這兩個(gè)事件相距為5m，試問:對(duì)B來說，這兩個(gè)事件是否同時(shí)發(fā)生?時(shí)間間隔為多少?兩個(gè)觀察者相對(duì)速度為多大?解：設(shè)觀察者A為K系，B為K’系，B相對(duì)于A以速度u沿x

軸運(yùn)動(dòng)§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第41頁解得§15-3相對(duì)論時(shí)空觀第42頁以速度v運(yùn)動(dòng)物體----質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)討論：(1)v<<c時(shí)：(2)v

c時(shí)：----物體運(yùn)動(dòng)速度不能大于c§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、性對(duì)論質(zhì)量第43頁2.動(dòng)力學(xué)方程二、動(dòng)量和動(dòng)力學(xué)方程1.動(dòng)量§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第44頁

三、相對(duì)論能量物體在作用下位移，動(dòng)能增量由分部積分法§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第45頁總能量靜能動(dòng)能§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第46頁討論：(1)靜能：物體內(nèi)部各粒子運(yùn)動(dòng)及其相互作用能量(2)動(dòng)能：物體作為一個(gè)整體作機(jī)械運(yùn)動(dòng)而含有能量時(shí)：當(dāng)§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第47頁(3)總能量：§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第48頁四、質(zhì)能關(guān)系能量與動(dòng)量關(guān)系1.質(zhì)能關(guān)系1kg物體靜質(zhì)能1kg汽油燃燒值----質(zhì)量和能量不可分割§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第49頁

2.能量與動(dòng)量關(guān)系平方后消去v可得動(dòng)質(zhì)能三角形§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第50頁五、光子2.運(yùn)動(dòng)質(zhì)量1.靜止質(zhì)量

m0=03.動(dòng)量§15-4相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第51頁[例6]靜質(zhì)量為mo粒子含有初速度vo=0.4c。(1)若粒子速度增加一倍，則粒子動(dòng)量為初動(dòng)量幾倍?(2)若要使它末動(dòng)量等于初動(dòng)量10倍，則末速度應(yīng)是初速度幾倍?