1、15.6 狹義相對論動力學基礎,一、改造經(jīng)典力學的兩條原則,改造后的力學定律必須是洛侖茲變換的不變式.,1、狹義相對性原理（對稱性思想）的要求,2、對應原理的要求,新理論應該包容那些在一定范圍內(nèi)已被證明是正確的舊理論，并在極限條件下回到舊理論。,即：,思路：重新定義質(zhì)量、動量、能量，使相應的守恒定律在相對論力學中仍然成立。,二、物理規(guī)律的協(xié)變性及質(zhì)量、動量概念的修正,在時間、空間構(gòu)成的四維空間中，時空四矢量 及其微分 均為洛侖茲協(xié)變矢量。,2,動能定理,功,3,4,(1)相對論動量遵循洛倫茲變換,當 時,一動量與速度的關系,(2)相對論質(zhì)量,靜止質(zhì)量：m0,5,動量定義,牛頓力學：質(zhì)量與速度無

2、關,相對論力學：質(zhì)量與速度有關，否則動量守恒定律不能在洛侖茲變換下保持形式不變。質(zhì)量與速率的關系為：,式中 m0 質(zhì)點靜止的質(zhì)量，稱靜止質(zhì)量此式稱為相對論的質(zhì)速關系式。,6,物體相對于慣性系靜止時的質(zhì)量 .,靜質(zhì)量 :,結(jié)論: 質(zhì)量具有相對意義.,可以認為質(zhì)點的質(zhì)量是一個常量,牛頓力學仍然適用.,當 時,7,相對論質(zhì)量,說明質(zhì)量與速度有關 .,8,9,德國物理學家考夫曼（Kaufmann）利用鐳的放射性衰變中射線的高能電子作實驗，發(fā)現(xiàn)隨速度增加，電子越來越難以加速m 越來越大。,電子加速運動實驗,用一恒力加速一個粒子，依牛頓定律其加速度為,即按牛頓定律，粒子速度可以超過光速。 在經(jīng)典力學中速度

3、沒有上限,10,12,二狹義相對論力學的基本方程,相對論力學的基本方程,相對論中仍然保持了牛頓定律的原來框架。,13,三質(zhì)量與能量的關系,動能定理,15,相對論動能,靜能量,物體靜止時所具有的能量.,當 時，,17,相對論質(zhì)能關系,質(zhì)能關系指出： 物質(zhì)的質(zhì)量和能量之間有密切的聯(lián)系 .,總能量,相對論能量和質(zhì)量守恒是一個統(tǒng)一的物理規(guī)律.,18,相對論的質(zhì)能關系為開創(chuàng)原子能時代提供了理論基礎 , 這是一個具有劃時代意義的理論公式 .,三者的關系是：,獨到之處是提出了物體靜止質(zhì)量也對應一份能量。原子彈的爆炸成功正是將靜止能量開發(fā)出來的結(jié)果。也是對這一理論的有力證明。,幾點說明：,1）靜止能量實際上是

4、物體靜止時候的總內(nèi)能,例一公斤的物體的靜止能量,相當于20噸汽油燃燒的能量。,2）質(zhì)能相互依存，且同增減,即那兒有能量，那兒就有質(zhì)量，而且那兒有質(zhì)量 的變化，那兒就有能量的變化。即：,3）盡管質(zhì)能互相依存，但在一個弧立系統(tǒng)內(nèi)總 能量和總質(zhì)量分別守恒（不是僅僅靜質(zhì)量守恒）,以原子核反應為例：,反應前的總能量=反應后的總能量,反應前的總質(zhì)量=反應后的總質(zhì)量,（弧立系統(tǒng)）,（弧立系統(tǒng)）,也就是說在總質(zhì)量守恒的條件下，系統(tǒng)內(nèi)的核反 應中靜質(zhì)量和動質(zhì)量可以互相轉(zhuǎn)化，當靜質(zhì)量減 少，動質(zhì)量增加時，系統(tǒng)以動能的形式放出能量 這種反應稱為放能反應。,相反，動質(zhì)量也可以減少，而靜質(zhì)量增加，系統(tǒng) 吸收能量以靜能的

5、形式存儲起來。這種反應稱 為吸能反應。,23,慣性質(zhì)量的增加和能量的增加相聯(lián)系，能量的改變必然導致質(zhì)量的相應變化，這是相對論的又一極其重要的推論.,24,25,26,27,質(zhì)能關系指出： 物質(zhì)的質(zhì)量和能量之間有密切的聯(lián)系 .,相對論能量和質(zhì)量守恒是一個統(tǒng)一的物理規(guī)律.,說明：,(a) 物體處于靜止狀態(tài)時，物體也蘊涵 著相當可觀的靜能量。,(b) 相對論中的質(zhì)量不僅是慣性的量度， 而且還是總能量的量度,（c）如果一個系統(tǒng)的質(zhì)量發(fā)生變化，能量必 有相應的變化,（d）對一個孤立系統(tǒng)而言，總能量守恒，總 質(zhì)量也守恒,29,30,31,32,四質(zhì)能公式在原子核裂變和聚變中的應用,質(zhì)量虧損,原子質(zhì)量單位,

6、放出的能量,1 核裂變,1g 鈾 235 的原子裂變釋放的能量,33,原子彈爆炸（核裂變）,34,我國于 1958 年建成的首座重水反應堆,35,秦山核電站 全景圖,在建的 陽江核電站 效果圖,36,在建的 江蘇連云港 田灣核電站,37,2 輕核聚變,輕核聚變條件 溫度達到 時，使 具有 的動能，足以克服兩 之間的庫侖排斥力.,38,1967年6月17日，中國第一顆氫彈爆炸成功,39,40,41,1941年12月6日，美國總統(tǒng)羅斯福根據(jù)愛因斯坦的思想，批準了代號“曼哈頓工程”的研究項目。由奧本海默領導了一批世界著名的物理、化學、數(shù)學、氣象學家和工程專家，進行原子彈研究。 1945年7月16日5

7、:30 第一顆原子彈爆炸。,我們要利用愛因斯坦公式為人類創(chuàng)造更美好的家園，而不是毀滅我們自己居住的這顆行星。,42,43,五 動量與能量的關系,44,極端相對論近似,對于以光速運動的物體：,光子：,46,光子,光的波粒二象性,光壓：光射到物質(zhì)表面時，將對這一表面施加壓力。 典型的太陽光對地球所形成的光壓為4.5*10(-6)N/m2 彗星尾巴背著太陽就是太陽的光壓造成的。,由于光具有粒子性，所以在達到物體上時，根據(jù)動量定理，會對此物體產(chǎn)生一定的壓力。大量光子長時間作用就會形成一個穩(wěn)定的壓力。,47,小 結(jié),1）動量,2）動力學方程,3）質(zhì)速關系,4）質(zhì)能關系,5）動量能量關系,48,例1 設一

8、質(zhì)子以速度 運動. 求其總能量、動能和動量.,解 質(zhì)子的靜能,49,動量也可如此計算,例1 設一質(zhì)子以速度 運動. 求其總能量、動能和動量.,50,解 核聚變反應式,例2 已知一個氚核 和一個氘核 可聚變成一氦核 , 并產(chǎn)生一個中子 , 試問這個核聚變中有多少能量被釋放出來 .,51,氘核和氚核聚變?yōu)楹ず说倪^程中， 靜能量減少了,52,狹義相對論建立以后，對物理學起到了巨大的推動作用。并且深入到量子力學的范圍，成為研究高速粒子不可缺少的理論，而且取得了豐碩的成果。然而在成功的背后，卻有兩個遺留下的原則性問題沒有解決。第一個是慣性系所引起的困難。拋棄了絕對時空后，慣性系成了無法定義的概念。我們可以說慣性系是慣性定律在其中成立的參考系。慣性定律的實質(zhì)是一個不受外力的物體保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)。然而“不受外力”是什么意思?只能說，不受外力是指一個物體能在慣性系中靜止或勻速直線運動。這樣，慣性系的定義就陷入了邏輯循環(huán)，這樣的定義是無用的。我們總能找到非常近似的慣性系，但宇宙中卻不存在真正的慣性系，整個理論如同建筑在沙灘上一般。第二個是萬有引力引起的困難。萬有引力定律與絕對時空緊密相連，必須修正，但將其修改為洛倫茲變換下形勢不變的任何企圖都失敗了，萬有引力無法納入狹義相對論的框架。當時