1、廣袤的星空，神秘的宇宙， 多少遐想在科學(xué)面前成為現(xiàn)實(shí)。,第14章相對論基礎(chǔ),14.1 力學(xué)相對性原理 伽利略坐標(biāo)變換,14. 2 狹義相對論的兩個基本假設(shè),14.3 洛侖茲坐標(biāo)變換式,14.4 狹義相對論的時空觀,14.5 狹義 相對論質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)簡介,（一）已經(jīng)了解的相對性 運(yùn)動描述與參考系有關(guān), 運(yùn)動規(guī)律與參考系無關(guān)。 對牛頓定律的認(rèn)識(慣性系與非慣性系。),從哥白尼到愛因斯坦,（二）進(jìn)一步認(rèn)識相對性 認(rèn)識論方法論的問題，教育人們要脫離自我,客觀地看問題。 相對性問題的核心是： 物理規(guī)律是客觀存在的，與參考系無關(guān)。 即參考系平權(quán) ，沒有特殊的參考系。,A君,A君說：頭朝上。,B君,但，A 君

2、 看 B 君， 大頭朝下！,如：什么是上？下？,B君也說：頭朝上。,Albert Einstein(18791955),哥白尼: 拋棄地心說 拋棄以我為中心,愛因斯坦: Einstein 現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人,提出所有的參考系平權(quán),被譽(yù)為二十世紀(jì)的哥白尼,開 篇,物理領(lǐng)域拓展,宏觀低速經(jīng)典物理,微觀低速經(jīng)典量子論,微觀高速相對論量子理論,宏觀高速相對論,微觀：l 10 7 ms-1,觀測角度不同，看到的現(xiàn)象不同，或者對事物的描述不同相對性。,人類認(rèn)識宇宙：,地平在下天穹在上,地為球形靜止在宇宙中心,日心說,行星三定 律,相對論,人類科學(xué)發(fā)展史讓我們看到，由于生活時空的狹小人們對時空的正確認(rèn)識需要一

3、個艱難的過程,住在“下”面的人會掉下去的！,萬有引力,返回3,14.1力學(xué)相對性原理和伽利略變換,對于不同的慣性系基本力學(xué)定律的形式一樣嗎？,牛頓力學(xué)：對于任何慣性系，牛頓定律都成立！,伽利略相對性原理： 在一切慣性系中力學(xué)定律形式相同。,返回3,牛頓的絕對時空觀,如何區(qū)別“普通時間”與絕對時間？如何從諸多的慣性系中找到“絕對參照系”？,絕對時空不能觀測，也不能用任何實(shí)驗(yàn)證明。但是，它在理解牛頓定律中所起的巨大作用，迫使牛頓引進(jìn)這一概念。,這是牛頓天才的一個標(biāo)志！,相對不同的參照系，長度和時間的測量結(jié)果都一樣嗎？,伽利略變換,變換 不同參照系對同一運(yùn)動的描述之間的數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系。,在兩個慣性系中

4、考察同一物理事件：t 時刻，物體到達(dá)P點(diǎn),約定,重合時,任意時刻,伽利略變換,牛頓力學(xué)規(guī)律（包括動量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等）在伽利略變換下形式不變（協(xié)變、對稱）。,返回3,2) Maxwell 方程組對伽利略變換非協(xié)變 通過電磁實(shí)驗(yàn)可以找到“絕對參照系”, 但是實(shí)驗(yàn)一直沒有找到。,伽利略變換：以u 速度運(yùn)動光源發(fā)出的光速不再是 c 。,1)19世紀(jì)成熟的電磁理論表明真空中光速c 是常量。,一、光速的伽利略變換未能被證實(shí),球先動，手后擊？,增大L 可能實(shí)現(xiàn)！,靜止球上光信號傳到乙處,被擊后球上光 信號傳到乙處。,甲,乙,返回3,二、邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn),結(jié)果：所有慣性系中真空 中光速各向同性

5、c,絕對坐標(biāo)系中的光速,沿地球運(yùn)動方向 ,垂直地球運(yùn)動方向,理論計算，實(shí)驗(yàn)裝置旋轉(zhuǎn)90o，干涉條紋將有3/4條紋寬度的移動，應(yīng)當(dāng)能觀察到，但是，沒有“零”的結(jié)果！,物理學(xué)天空的烏云!,邁克爾遜干涉儀,返回3,三、S.R. 基本假設(shè),1、S.R.相對性原理在所有慣性系中一切物理定律形式相同。,2、光速不變原理在所有的慣性系中，真空中的光沿各個方向傳播的速 率都等于c， 與光源和觀察者的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。,S.R.：不同的觀察者看來，空間、時間必定不一樣運(yùn)動的鐘變慢，運(yùn)動的尺變短；質(zhì)量隨速度而變化，能量的釋放帶走了質(zhì)量。,經(jīng)典力學(xué)定律必須修改！,1905,返回3,1) 愛因斯坦的理論是牛頓理論的發(fā)展,

6、2) 光速不變與伽利略變換 與伽利略的速度相加原理針鋒相對,經(jīng) 典,與參考系無關(guān),S.R.,與參考系有關(guān),比 較,時空觀的革命,3 ） 觀念上的改變,14.3 洛倫茲變換,ut,正變換,反變換,返回3,變換說明真空中的光速C 是一切物體運(yùn)動速率的的極限。,例 地面參照系 S 中，在 x= 1.0106 m 處，于 t=0.02s,時刻爆炸一顆炸彈。一沿 x 軸正方向一速率 u=0.75 c 運(yùn)動,飛船上的觀察者測得這顆炸彈爆炸的地點(diǎn)和時間,按伽利略變換,由洛侖茲變換可以得到兩個事件在不同慣性系中的時間間隔，空間間隔之間的變換關(guān)系。,正變換,反變換,對于兩個事件的時間間隔和空間間隔在不同的慣性系

7、中是不同的，既是相對的。羅侖茲變換得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。,例 地面觀察者測得地面上甲、乙兩地相距8.0106 m ，一列火車 由甲到乙作勻速運(yùn)動歷時 2.0 秒。 求在與列車同向?qū)Φ剡\(yùn)行且u= 0.6 c 的宇宙飛船中觀測，該列車由甲到乙的路程、時間和速率。,解,取地面參照系為S系，飛船為S 系飛船運(yùn)動方向?yàn)檎较?對于已知在一個慣性系中某物體的一個運(yùn)動過程所經(jīng)歷的位移和時間，而要求在另一個慣性系觀測到的位移、時間和速率這一類問題，應(yīng)根據(jù)具體問題設(shè)定兩個事件，按所取坐標(biāo)系寫出已知量。再應(yīng)用洛侖茲變換，即可求出未知量。,在 S 系 測：光信號到達(dá)A、B 的事件同時發(fā)生。,一、“ 同時” 的相對性,在

8、S 系測：光信號傳播過程中，車又往前開了 ut 先到A，后到B。,14.4 狹義相對論的時空觀,返回3,1、上式說明兩個事件的時間間隔在不同的坐標(biāo)系 中觀測的結(jié)果一般是不同的。同時性的相對性是 光速不變原理的直接結(jié)果。,2、在S 系中不同地點(diǎn)同時發(fā)生的兩個時間，在 S 系 中觀測并不同時，這一結(jié)論稱為同時的相對性。 3、當(dāng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 c 時，兩個慣性系結(jié)果相同。,應(yīng)用洛侖茲變換討論，若有兩個事件，在 S 系中的坐標(biāo)分別為 （x1,y1,z1,t1) 和(x2,y2,z2,t2),在S中的坐標(biāo)分別為( x1,y1,z1,t1) 和 (x2, y2,z2,t2) 則有:,二、長度收縮-運(yùn)動尺子變

9、短,對運(yùn)動長度的測量問題。 怎么測？兩端的坐標(biāo)必須同時測。,1、原長,棒以接近光速的速度相對S系運(yùn)動，S系測得棒的長度值是什么呢？,2、原長最長 長度收縮,事件1：測棒的左端 事件2：測棒的右端,S系中必須同時測量兩端坐標(biāo)：,由洛侖茲變換,原長最長,相對效應(yīng) 2) 在低速下 伽利略變換 3) 同時性的相對性的直接結(jié)果,例1、原長為5m的飛船以u9103m/s的速率相對于地面勻速飛行時，從地面上測量，它的長度是多少？,解：,差別很難測出。,考察一只鐘。,在研究一個物理過程的時間間隔中，,在某系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個事件的時間間隔(同一只鐘測量) ，與在另一系中觀察（為發(fā)生在兩個地點(diǎn)的兩個事件

10、）的時間間隔(兩只鐘分別測量)的關(guān)系。,研究的問題是：,三、時間膨脹效應(yīng)運(yùn)動時鐘變慢,1、原時（固有時間）,在某一慣性系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個事件之間的時間間隔叫原時?；蚪泄逃袝r間，,2、原時最短 時間膨脹,(兩事件發(fā)生在同一地點(diǎn)),(一只鐘測出的時間間隔),( S 系中的兩個地點(diǎn)的兩只 鐘測出的時間間隔 ),兩地時,原時,由洛侖茲逆變換,原時最短,1、原時最短，又稱時間的膨脹效應(yīng)也稱運(yùn)動時鐘變慢是時間本身的客觀特征。,3、雙生子效應(yīng)2、對同樣的兩個事件，原時只有一個。亦稱固有時間,討論,2.對同樣的兩個事件，原時只有一個。,在狹義相對論中討論運(yùn)動學(xué)問題的思路如下： 1、確定兩個作相對運(yùn)動

11、的慣性參照系； 2、確定所討論的兩個事件； 3、表示兩個事件分別在兩個參照系中的時空坐標(biāo)或其時空間隔； 4、用洛侖茲變換討論。,小結(jié),注意,原時一定是在某坐標(biāo)系中同一地點(diǎn)發(fā)生的兩個事件的時間間隔；原長一定是物體相對某參照系靜止時兩端的空間間隔。,例題：+ 介子靜止時平均壽命 （衰變?yōu)?子與中微子）。用高能加速器把 + 介子 加速到 求：+ 介子平均一生最長行程。,解：按經(jīng)典理論,實(shí)驗(yàn)室測得,相對論考慮時間膨脹,為原時最短,實(shí)驗(yàn)室測得運(yùn)動的 + 介子平均壽命,算 得,例題：列車以108公里的時速相對地面作勻速運(yùn)動。地面一事件歷時10s，在車上參照系測得此事件歷時多久？,解：原時,太小，不易察覺！

12、,二、時間膨脹,原時最短！,三、長度收縮,靜長最長！,一、“ 同時” 的相對性,S,小結(jié)：狹義相對論的時空觀,思 考,1、S 逆x 軸運(yùn)動，洛倫茲變換式怎樣表示？,2、S 沿y 軸運(yùn)動，洛倫茲變換式怎樣表示？,返回3,1901年德國物理學(xué)家考夫曼（Kaufmann）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。,一 、電子加速運(yùn)動實(shí)驗(yàn),第二宇宙速度 11.2 kms-1 第三宇宙速度 17.1 kms-1,高能粒子速度接近 c,14. 5 狹義 相對論質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)簡介,返回3,實(shí)驗(yàn)？,二、相對論動量和質(zhì)量,動量定義,牛頓力學(xué)：質(zhì)量與速度無關(guān),相對論力學(xué)

13、：質(zhì)量與速度有關(guān)，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(guān)系為：,式中 m0 質(zhì)點(diǎn)靜止的質(zhì)量，稱靜止質(zhì)量此式稱為相對論的質(zhì)速關(guān)系式。,相對論動量與速度的關(guān)系式為,相對論質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)方程為,返回3,1、貝托齊極限速率實(shí)驗(yàn)（1962年）,經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為： 物體的速度沒有上限。,實(shí)驗(yàn)曲線,三、相對論動能,經(jīng)典理論曲線,2.相對論動能,A = E k,從物體靜止開始,四、相對論 質(zhì)能關(guān)系,總 能 量,靜止能量,動 能,S.R.認(rèn)為：外力作功動能增加，v 有上限 ，m 無上限；靜止物體雖然沒有動能，但是依然蘊(yùn)藏著巨大的潛能。,1、相對論質(zhì)能關(guān)系,例 電子靜止質(zhì)量 m0 =9.11103

14、1Kg,1 用焦耳和電子伏特為單位，表示電子靜能,2 靜止電子靜 106 V 電壓加速后，其質(zhì)量，速率為多少,解：1 電子靜能,2 加速電子動能,電子質(zhì)量,例、在S參照系中有兩個靜止質(zhì)量均為 m0的粒子A、B分別以速度相向運(yùn)動， 相撞后合在一起成為一個靜止質(zhì)量為 M0 的粒子。求 M0,解：設(shè)合成粒子質(zhì)量M、速度V 據(jù)動量守恒,！,總能量,靜止能量比動能、化學(xué)能大上億倍！,為何長期沒被人注意？,1、物質(zhì)通常不發(fā)射能量，直到放射性蛻變被發(fā)現(xiàn)。,2、m = E /c2 太小。,3、牛頓力學(xué)中， E 可以任意規(guī)定，A與E 聯(lián)系， E 有測量意義。,1938年德國物理學(xué)家奧托哈恩和弗里茲斯特拉斯曼,劈

15、裂原子核可釋放靜止能量,不是質(zhì)量變成能量了，而是實(shí)物變成了場（有質(zhì)量，也有能量），實(shí)物的靜質(zhì)量，變成場的運(yùn)動質(zhì)量；實(shí)物的靜止能量，伴隨著場運(yùn)動而被釋放了！,核反應(yīng)中：,反應(yīng)前：,反應(yīng)后：,靜質(zhì)量 m01 總動能EK1,靜質(zhì)量 m02 總動能EK2,能量守恒：,因此：,核反應(yīng)中釋放的能量相應(yīng)于一定的質(zhì)量虧損。,總靜止質(zhì)量的減小 質(zhì)量虧損,總動能增量,氦核,質(zhì)量虧損,結(jié)合能,合成 1 kg 氦可釋放能量,核反應(yīng)舉例,平均結(jié)合能,的平均質(zhì)量,例題；核聚變,反應(yīng)前,反應(yīng)后,質(zhì)量虧損,釋放能量,1kg反應(yīng)物,1 kg優(yōu)質(zhì)煤,釋放能量比較,1千萬倍！,例題：,核電站年發(fā)電量100億度（=3.61016J），如果可用核材料全部靜止能量轉(zhuǎn)化得到，計算每年要消耗多少核材料？,解：,估計燒煤需要4000噸,我國的核電站；,秦山核電站,大亞灣核電站,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(zhǔn)了代號“曼哈頓工程”的研究項(xiàng)目。由奧本海默領(lǐng)導(dǎo)了一批世界著名的物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、氣象學(xué)家和工程專家，進(jìn)行原子彈研究。 1945年7月16日5:30 第一顆原子彈爆炸。,我們