近代物理學(xué)基礎(chǔ)CollegePhysics

大學(xué)物理伽利略（1564-1642）牛頓（1642-1722）麥克斯韋（1831-1879）………物理學(xué)關(guān)鍵概念的發(fā)展1600190018001700力學(xué)熱力學(xué)電磁學(xué)2000相對論量子力學(xué)愛因斯坦（1879-1955）…

以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場理論為代表的經(jīng)典物理學(xué)，到20世紀(jì)初，已經(jīng)取得了空前的成就。人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識，已從宏觀低速物體的運(yùn)動規(guī)律逐漸擴(kuò)展到高速傳播的電磁波（包括光波）的場物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律。

CollegePhysics大學(xué)物理1900年英國物理學(xué)家開爾文展望20世紀(jì)科學(xué)：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了”

但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的烏云。----黑體輻射實(shí)驗(yàn)----邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)CollegePhysics大學(xué)物理一、相對論基礎(chǔ)二、量子力學(xué)基礎(chǔ)三、激光原理四、固體物理基礎(chǔ)五、原子核物理量子理論誕生相對論誕生邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)CollegePhysics大學(xué)物理半導(dǎo)體基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)技術(shù)激光原子核近代物理四大發(fā)明：CollegePhysics大學(xué)物理第十六章

狹義相對論CollegePhysics

大學(xué)物理第三節(jié)洛倫茲變換第二節(jié)狹義相對論的基本原理

第一節(jié)伽利略相對性原理

伽利略變換第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量愛因斯坦1.真空中光速不變，光速最大。2.不同慣性系下分別測得時(shí)間、空間間隔的相互關(guān)系。3.質(zhì)量與參考系、速度的關(guān)系。CollegePhysics

大學(xué)物理本章核心內(nèi)容

廣義—推廣到一般參照系包括引力場在內(nèi)的理論（1915年）相對論：（1905年）狹義—局限在慣性參照系的理論慣性參考系：

如果S為一個(gè)慣性系，則任何相對S系靜止或者勻速直線運(yùn)動的參考系S'都是慣性系。CollegePhysics大學(xué)物理

一、伽利略相對性原理1、討論對象：低速運(yùn)動下的宏觀物體2、機(jī)械運(yùn)動的描述是相對的3、相對性原理（1）坐標(biāo)變化第一節(jié)伽利略相對性原理P事件：在空間某一點(diǎn)和某一時(shí)刻發(fā)生的某一現(xiàn)象。（例：兩粒子的碰撞）S'系相對S系沿x軸正方向以u的速度水平移動x′utxzz′x′y′ySS′O′O事件的描述：S'系

S系第一節(jié)伽利略相對性原理x′utxzz′x′y′ySS′O′OP第一節(jié)伽利略相對性原理----伽利略時(shí)空變換逆變換正變換第一節(jié)伽利略相對性原理（2）速度變換式求一階導(dǎo)數(shù)第一節(jié)伽利略相對性原理同理(逆變換)第一節(jié)伽利略相對性原理（3）加速度變換式第一節(jié)伽利略相對性原理----牛頓定律對伽利略變換不變4、結(jié)論（相對性原理）對任何慣性系來說，力學(xué)現(xiàn)象都遵從同樣的規(guī)律，即數(shù)學(xué)形式相同（或一切慣性系都是等價(jià)的）。第一節(jié)伽利略相對性原理二、伽利略變換第一節(jié)伽利略相對性原理三、經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀◎絕對空間：長度量度與參考系無關(guān)utzz′x′y′ySS'O′O----與參照系無關(guān)S'系S系

第一節(jié)伽利略相對性原理◎絕對時(shí)間：時(shí)間量度與參照系無關(guān)-----絕對時(shí)空觀時(shí)間和空間彼此獨(dú)立，與物體的運(yùn)動無關(guān)。S'系

S系第一節(jié)伽利略相對性原理一、物理背景1、光速（真空）

麥克斯韋方程組第二節(jié)狹義相對論的基本原理相對性原理（或?qū)嶒?yàn)）麥克斯韋方程組在所有慣性系中成立光速不變但是，伽利略變換第二節(jié)狹義相對論的基本原理◎光在“以太”媒質(zhì)中沿各個(gè)方向的傳播速度都恒等于c?！耙蕴怠?----絕對參考系◎在相對于“以太”靜止的慣性系中，麥克斯韋方程組才成立。第二節(jié)狹義相對論的基本原理實(shí)驗(yàn)：測地球相對“以太”的速度--邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)以太系

以太風(fēng)第二節(jié)狹義相對論的基本原理1881年邁克爾遜第一次實(shí)驗(yàn)，預(yù)期1887年邁克爾遜和莫雷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果：----“零結(jié)果”結(jié)論：（1）否定了以太的存在。第二節(jié)狹義相對論的基本原理（2）說明地球上光速沿各個(gè)方向的速度都相同，否定了經(jīng)典速度變換法則。（3）對其初衷來說是一次“失敗”的實(shí)驗(yàn)。1907年邁克爾遜因創(chuàng)制了精密的光學(xué)儀器而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。二、愛因斯坦的兩個(gè)基本假設(shè)(1)相對性原理：物理定律在一切慣性系中都是相同的。----不存在任何特殊的慣性系第二節(jié)狹義相對論的基本原理(2)光速不變原理：在所有慣性系中，真空中的光傳播速率都等于c。第二節(jié)狹義相對論的基本原理一、洛倫茲變換Px′utxzz′x′y′ySS′O′OS'系

S系第三節(jié)洛倫茲變換其中第三節(jié)洛倫茲變換(2)u>c時(shí)洛倫茲變換失去意義----物體的速度以c為極限(1)洛倫茲變換中時(shí)間和空間相互聯(lián)系。討論：(3)u<<c時(shí)：----回歸到伽利略變換第三節(jié)洛倫茲變換二、相對論的速度變換第三節(jié)洛倫茲變換

第三節(jié)洛倫茲變換同理討論：（1）u<<c時(shí)，洛倫茲變換轉(zhuǎn)化為伽利略變換。第三節(jié)洛倫茲變換（2）相對論速度變換與光速不變原理相符。光信號的運(yùn)動第三節(jié)洛倫茲變換例1：若地面上測得兩飛船的速度為0.9c和-0.9c，向相反方向飛行，求一飛船相對于另一飛船的速度？第三節(jié)洛倫茲變換S′Sba解：設(shè)地面為S'系，b飛船為S系，S'系相對于S系的相對速度為

，a飛船相對于S'的運(yùn)動速度為0.9c，求a飛船相對于S系的運(yùn)動速度。第三節(jié)洛倫茲變換小結(jié)：1、愛因斯坦假設(shè):

◎狹義相對性原理：物理定律在一切慣性系中都是相同的。◎光速不變原理：在所有慣性系中，真空中的光傳播速率都等于c。第三節(jié)洛倫茲變換其中2、時(shí)空坐標(biāo)變換:第三節(jié)洛倫茲變換南京鎮(zhèn)江甲乙u例2：一列南京開往鎮(zhèn)江的高速列車，地上甲(S1、S2之中點(diǎn))觀察，S1，S2同時(shí)亮，火車上乙(S1、S2之中點(diǎn))觀察，S1，S2是否同時(shí)亮？若處于同地S1

、S1'同時(shí)亮，則乙觀察，兩燈是否同時(shí)亮？第三節(jié)洛倫茲變換一、同時(shí)的相對性例：S'系相對S系以速度u沿x軸正向運(yùn)動第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀S'系，列車參考系：

S系，地面參考系：

閃光先到達(dá)B壁，后到達(dá)A壁。閃光同時(shí)到達(dá)A、B壁。

即同時(shí)是相對的。（與慣性系的選取有關(guān)）第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀設(shè)：光到達(dá)B為事件1,光到達(dá)A為事件2。第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀

接下來，用洛倫茲變換判斷兩事件在不同慣性系中的關(guān)系。事件1事件2

S'系：

S系：根據(jù)已知條件和問題分析選取的變換已知條件：求：？取or第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀（1）不同地事件的同時(shí)性是相對的。第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀即在一個(gè)慣性系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)慣性系中不再是同時(shí)的。（2）同地事件的同時(shí)性是絕對的。

在S系中同一地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在S'系中也是同時(shí)發(fā)生的。第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀結(jié)論①時(shí)間是相對的，沒有“普適的時(shí)間”②同時(shí)也是相對的，與觀察者的運(yùn)動情形有關(guān)。③異地同時(shí)是相對的，同地同時(shí)是絕對的。第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀例：北京和上海直線距離相距1000km,在某一時(shí)刻從兩地同時(shí)開出一列火車，先由一艘飛船沿北京上海的方向在高空掠過，速率恒為

，求宇航員測得的兩列火車開出時(shí)刻的間隔？北京上海xOS地面S'飛船第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀兩個(gè)事件的坐標(biāo)應(yīng)用洛倫茲變換S→S'，已知

S'系：

S

系：第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀1、實(shí)驗(yàn)光鐘二、時(shí)間延緩效應(yīng)（運(yùn)動的鐘走慢）第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀火車為S'系：第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀地面為S系：第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀2、用洛倫茲變換討論同一地點(diǎn)，不同時(shí)刻發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔。第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀S'系列車S系地面光鐘上的一點(diǎn)發(fā)出一束光，

事件1一段時(shí)間后，光鐘上同一點(diǎn)接收一束光，

事件2根據(jù)已知條件分析選取的變換？or第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀已知條件求取第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀

用靜止于某慣性系的時(shí)鐘，測得發(fā)生在該系同一地點(diǎn)的兩個(gè)事件所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。固有時(shí)間

用靜止于某慣性系的時(shí)鐘，測得相對于該系運(yùn)動的慣性系上同一地點(diǎn)的兩個(gè)事件所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。運(yùn)動時(shí)間第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀運(yùn)動時(shí)間大于固有時(shí)間。即運(yùn)動時(shí)間相對于固有時(shí)間“膨脹”了。討論：1、由相對運(yùn)動參照系測得的時(shí)間間隔比固有時(shí)間長。第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀2、時(shí)間膨脹是相對效應(yīng)。

（與鐘的結(jié)構(gòu)無關(guān)）

3、相對觀察者動鐘比靜鐘慢(動鐘變慢)。只對兩個(gè)慣性系成立。不是指在一個(gè)慣性系中，時(shí)鐘從靜止到運(yùn)動會變慢。第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀.慢a.慢動鐘變慢第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀動長：相對于物體運(yùn)動的觀察者所測量的長度。

對桿兩端的測量必須同時(shí)進(jìn)行。靜長：相對于物體靜止的觀察者所測量的長度---固有長度。例：靜止于車廂內(nèi)有一直桿，車廂內(nèi)測直桿的長度，以及站臺上測直桿的長度。三、長度的相對性（運(yùn)動的長度縮短）第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀S系：地面S'系：車廂S'系：車廂定量討論第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀S系:地面第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀----長度收縮(1)長度測量值與被測物體相對于觀測者的運(yùn)動有關(guān)，相對靜止時(shí)最長。長度縮短是純粹的相對論效應(yīng)，并非物體發(fā)生了形變或者發(fā)生了結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化。討論：第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀(2)在狹義相對論中，所有慣性系都是等價(jià)的，所以，在S系中x軸上靜止的桿，在S'系上測得的長度也短了。(3)相對論長度收縮只發(fā)生在有相對運(yùn)動的方向上。(4)當(dāng)u<<c

時(shí),思考題：應(yīng)用洛倫茲變換討論長度的收縮第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀S'系下，直桿相對靜止，固有長度用米尺測得兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)，之差就是直桿的長度，可以同時(shí)進(jìn)行，也可不同時(shí)進(jìn)行。S系下，直桿相對運(yùn)動，直桿長度兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)要同時(shí)進(jìn)行測量，若有時(shí)間差，直桿將運(yùn)動到新的位置。第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀即，第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀在狹義相對論中討論運(yùn)動學(xué)問題的思路：1.確定兩個(gè)作相對運(yùn)動的慣性參照系；2.確定所討論的兩個(gè)事件；3.表示兩個(gè)事件分別在兩個(gè)參照系中的時(shí)空坐標(biāo)或其時(shí)空間隔；4、用洛倫茲變換討論。小結(jié)第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀1.固有時(shí)一定是在某坐標(biāo)系中同一地點(diǎn)發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔（用一只鐘測的）2.固有長一定是相對其靜止的參照系中兩點(diǎn)的空間間隔。3.運(yùn)動物體的長度（同時(shí)測）和固有長度（不一定同時(shí)測）的區(qū)別。注意第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀

第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀xyOSy'x'S'uAB

第四節(jié)狹義相對論的時(shí)空觀牛頓力學(xué)的困難:動量守恒物體在一維恒力作用下的運(yùn)動第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量一、相對論質(zhì)量靜止質(zhì)量：與物體相對靜止的觀測者所測得的這個(gè)物體的質(zhì)量。例:第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量S'系與外界沒有相互作用S'系根據(jù)動量守恒1、A、B的速率第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量S系沿x軸正向第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量2、A、B的質(zhì)量S'系S系在S系中，A的速度為0，即相對于S系靜止，其質(zhì)量為靜止質(zhì)量，記作第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量根據(jù)動量守恒（x方向），在S系中有根據(jù)質(zhì)量守恒有第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量

B的質(zhì)量發(fā)生變化，與S'系相對于S系的速度的大小u有關(guān)。為了更明確B的質(zhì)量與它自身相對S系運(yùn)動速度的關(guān)系，我們把上式中的u用表示出來。第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量符號的決定應(yīng)用級數(shù)展開，上式變?yōu)榈谖骞?jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量取“-”號可得第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量一般----相對論的質(zhì)速關(guān)系式(1)物體的質(zhì)量隨它的速率的增加而增加。質(zhì)量與參考系的選取有關(guān)。質(zhì)量是守恒量，也是相對量。討論第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量理論曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)電子加速運(yùn)動實(shí)驗(yàn)高能粒子速度接近c(diǎn)02468103211901年德國物理學(xué)家考夫曼利用鐳的放射性衰變中

射線的高能電子作實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨速度增加，電子越來越難以加速，m越來越大。第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量（3）v<<c時(shí)：（4）v

c時(shí)：----物體運(yùn)動速度不能大于c（2）與洛倫茲變換因子的區(qū)別。第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量0.831.00.61240.20.40物體的靜止質(zhì)量相對于觀察者以速度v運(yùn)動時(shí)的質(zhì)量（5）存在速度等于光速的粒子-----光子，靜止質(zhì)量為0。第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量宏觀物體速度v=104m/s，此時(shí)：微觀粒子速率接近光速如中子v=0.98c時(shí)第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量例1-2：一靜止質(zhì)量為m0，體積為V0的正方體木塊放置在地面上，一飛船以0.8c的速度沿木塊的一條邊運(yùn)動。求：（1）從飛船上測得木塊的質(zhì)量為多少？（2）從飛船上測得木塊的密度是多少？解：（1）根據(jù)質(zhì)速關(guān)系式，從飛船上測得木塊的質(zhì)量為第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量（2）長度收縮只發(fā)生在運(yùn)動的方向，因此只有平行于相對運(yùn)動方向的邊發(fā)生收縮。根據(jù)長度收縮的公式，該邊的長度為第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量從飛船上測得木塊的體積為從飛船上測得木塊的密度為2、動力學(xué)方程力既可以改變物體的速度，也可以改變物體的質(zhì)量；---相對論質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)方程討論第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量二、動量和動力學(xué)方程1、動量

物體在恒力的作用下從時(shí)刻從靜止開始做直線運(yùn)動根據(jù)動量定理3、由運(yùn)動學(xué)方程證明物體的速率不能超過c第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量分析：當(dāng)

時(shí)，說明：普遍成立，而牛頓定律只在低速情況下成立。第五節(jié)相對論的質(zhì)量、動量和能量三、相對論的能量1、相對論的動能