1、物理學的大廈已經(jīng)基本建成，物理學理論上的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)得到解決，接近于采取最終穩(wěn)定的形式。今后的任務(wù)只是進一步精確化的問題。也許，在某個角落還有一粒塵屑或小氣泡，可以對它們進行研究和分類。,十九世紀末，以經(jīng)典力學、電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計力學為主要支柱，經(jīng)典物理學達到了完整、系統(tǒng)和成熟的階段。不少物理學家認為：,1,1. 邁克爾孫-莫雷實驗得到以太漂移的“零結(jié)果”，宣告尋找宇宙絕對參考系的企圖失敗了，經(jīng)典物理學所賴以建立的絕對時空觀受到嚴重挑戰(zhàn)；,2. 氣體比熱問題上經(jīng)典理論能量均分原理失敗。,十九與二十世紀之交時，晴朗的物理學天空中出現(xiàn)了兩朵烏云:,2,這兩朵烏云終于降下了二十世紀

2、物理學革命的暴風雨,相對論誕生,量子論誕生,相對論和量子論是現(xiàn)代科學與文明的兩大基石,愛因斯坦(1905),普朗克(1900),玻爾(1912),3,第六章 狹義相對論(Special Relativity),4,愛因斯坦: Einstein 現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人,二十世紀的哥白尼,5,1879年3月14日，愛因斯坦出生在德國烏爾姆市班霍夫街135號。父母都是猶太人。,1880年愛因斯坦一家遷居慕尼黑。1884年愛因斯坦對袖珍羅盤著迷。進天主教小學讀書。1885年愛因斯坦開始學小提琴。1886年愛因斯坦在慕尼黑公立學校讀書。為了遵守宗教指示的法定要求，在家里學習猶太教的教規(guī)。,1892年開始讀康德

3、著作。1894年全家遷往意大利米蘭。 1895年自學完微積分。中學沒畢業(yè)就到意大利與家人團聚。放棄德國國籍。投考蘇黎世瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學，未錄取。10月轉(zhuǎn)學到瑞士阿勞州立中學。寫了第一篇科學論文。1896年獲阿勞中學畢業(yè)證書。10月進蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學師范系學習物理。1897年在蘇黎世結(jié)識貝索，與其終身友誼從此開始。1899年10月19日正式申請瑞士公民權(quán),6,1900年8月畢業(yè)于蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學。12月完成論文由毛細管現(xiàn)象得到的推論，次年發(fā)表在萊比錫物理學雜志上。,1901年取得瑞士國籍。月去米蘭找工作，無結(jié)果. 5月回瑞士，任溫特圖爾中學技術(shù)學校代課教師。10月到夏夫豪森任家庭教師。3個月

4、后又失業(yè)。12月申請去伯爾尼瑞士專利局工作。-月完成電勢差的熱力學理論的論文。 1902年2月到伯爾尼等待工作。和索洛文、哈比希特創(chuàng)建“奧林匹亞科學院”。月受聘為伯爾尼瑞士專利局的試用三級技術(shù)員。月完成第三篇論文關(guān)于熱平衡和熱力學第二定律的運動論，提出熱力學的統(tǒng)計理論。,7,1905年3月，關(guān)于光量子假說的關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點。提出光量子假說，解決了光電效應(yīng)問題。 1921年，因此篇論文獲得了諾貝爾物理學獎 1905年4、5月，論測定分子大小和布朗運動的分子大小的新測定、熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動,取得博士學位。 1905年6月闡述狹義相對論的論動體的電動力

5、學、物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？獨立而完整地提出狹義相對性原理，開創(chuàng)物理學的新紀元。,專業(yè)雜志物理學紀事(Annalen der Physik),1905年，在現(xiàn)代科學史中，被稱為“愛因斯坦奇跡年”,8,1太陽能電池、防盜報警器和照相機的測光表都是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。 2核能利用了這樣一個物理現(xiàn)象：當鈾原子發(fā)生裂變時，總質(zhì)量的微量損失可以轉(zhuǎn)變成能量，其依據(jù)正是愛因斯坦的著名等式EMc2。如今，核能為英國提供了25的電力。 3全球定位系統(tǒng)之所以能將物體的位置精確到米，正是根據(jù)愛因斯坦的相對論對地球衛(wèi)星發(fā)出的信號進行了修正。 4狹義相對論與量子理論相結(jié)合，指出了反物質(zhì)的存在?？茖W家們利用正電子

6、，即反物質(zhì)“電子”，通過X射線層析照相術(shù)研究大腦活動。,得益于愛因斯坦理論的重大發(fā)明,9,5亞原子粒子的特性是相對論的直接結(jié)果，其存在可以解釋從化學元素的特性到磁鐵作用的多種現(xiàn)象。 6愛因斯坦1916至1917年對光子的研究為人類40年后發(fā)現(xiàn)激光奠定了基礎(chǔ)。目前激光廣泛應(yīng)用于從DVD到激光打印機的多種產(chǎn)品。,10,狹義相對論主要內(nèi)容: 1愛因斯坦的兩個基本假設(shè) 2洛倫茲變換 3相對論速度變換 4. 相對論質(zhì)量 5. 力和加速度的關(guān)系 6. 相對論能量 7. 相對論動量 8. 相對論動量與能量的關(guān)系 9. 相對論力的變換,11,你無法從其中發(fā)生的任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運動還是停著不動伽利略相

7、對性原理,經(jīng)典力學的時空觀,12,1.力學相對性原理,力學現(xiàn)象對一切慣性系來說，都遵從同樣的規(guī)律。,在研究力學規(guī)律時，一切慣性系都是等價的。,2.伽利略坐標變換,x,vt,S,設(shè) to= to=0 時，S 與S重合。,任意 t 時刻：,13,不同慣性系測兩事件的時間間隔相同,不同慣性系測兩事件的空間間隔相同,3. 經(jīng)典力學的時空觀,空間測量的絕對性,時間測量的絕對性,14,(3) 高速運動的粒子,愛因斯坦的時空觀,一.伽利略變換的困難,電磁場方程組不服從伽利略變換,(2) 光速C 邁克耳遜-莫雷實驗,15,二、相對論的基本假設(shè),.愛因斯坦相對性原理：,否定了絕對運動、絕對靜止。對運 動的描述永

8、遠只具有相對的意義。,作用：,16,.光速不變原理：,否定了絕對時間和絕對空間的概念,作用：,依據(jù)：1964年到1966年，歐洲核子中心（CERN） 在質(zhì)子同步加速器中作了有關(guān)光速的精密 實驗測量，直接驗證了光速不變原理。,17,例1（8017）當慣性系S和S坐標原點O和O重合 時，有一點光源從坐標原點發(fā)出 一光脈， 對S系經(jīng)過一段時間t后(對S 系經(jīng)過時間為 t )，此光脈沖的球面方程（用直角坐標系 ） 分別為：,S系,S系,18,例2（4353）已知慣性系S相對于慣性系S以 的勻速度沿 軸的負方向運動，若從S 系的坐標原點O沿 軸的正方向發(fā)出一光 波，則S系中測得此光波的波速=？,解：,S

9、系中測得此光波的波速,根據(jù)光速不變原理，光速與參照系無關(guān)。,19,例3（8016）有一速度為 的宇宙飛船沿 軸正方向飛行，飛船頭尾各有一個脈 沖光源在工作，處于船尾的觀察者測 得船頭光源發(fā)出的光脈沖的傳播速度 大小=？處于船頭的觀察者測得船尾光 源發(fā)出的光脈沖的傳播速度大小=？,解：,處于船尾的觀察者測得船頭光源發(fā)出的光脈沖的傳播速度大小,處于船頭的觀察者測得船尾光源發(fā)出的光脈沖的傳播速度大小,20,例4（8015）下列幾種說法： （1）所有慣性系對物理基本規(guī)律都是等價的。（2）在真空中，光的速度與光的頻率、光源的 運動狀態(tài)無關(guān)。 （3）在任何慣性系中，光在真空中沿任何方向 的傳播速度都相同。

10、 其中那些說法是正確的？ （A）只有（1）、（2）是正確的 （B）只有（1）、（3）是正確的 （C）只有（2）、（3）是正確的 （D）三種說法都是正確的。,答案： （D）,21,思考（8018）設(shè)慣性系S 相對于慣性系S以速度 沿 軸正方向運動，如果從 S系的坐 標原點O沿 正方向發(fā)射一光脈沖， 則（1）在S系中測得光脈沖的傳播速 度為C （2）在S系中測得光脈沖的傳播速 度為 以上兩個說法是否正確？如有錯誤，請說 明為什么錯并予以改正。,22,Hendrik Antoon Lorentz,洛倫茲,（18531928),荷蘭萊頓大學教授. 1902年與荷蘭阿姆斯特丹大學的塞曼共同獲得諾貝爾物理

11、學獎，以表彰他們在研究磁性對輻射現(xiàn)象的影響所作的特殊貢獻,23,為說明邁克耳孫莫雷實驗的結(jié)果，他獨立提出了長度收縮的假說，并于1895年發(fā)表了長度收縮的準確公式.,1904年，他發(fā)表了著名的洛倫茲變換公式和質(zhì)量與速度的關(guān)系式，并指出光速是物體相對于以太運動速度的極限.,24,洛倫茲的成就對我產(chǎn)生了最偉大的影響，他是我們時代最偉大、最高尚的人.,愛因斯坦,25,三、洛倫茲變換,(1) 慣性系S相對于慣性 系S以速度 沿 軸 正方向運動.,(2)設(shè) to= to=0 時， S 與S重合。,26,已知S系： 求S：,已知S系： 求S：,27,已知S系： 求S系：,已知S系： 求S系：,28,1.相對

12、論中時空測量不可分離。,2.伽利略變換只是洛侖茲變換在 的一個近似。,3. c是一切實物運動速度的極限。,即： 任何物體相對另一物體的速度不等于或不超過真空中的光速,29,例5（4172）一宇宙飛船相對地球以0.8c的速度 （c表示真空中光速）飛行，一光脈沖從船尾 傳到船頭，飛船上的觀察者測得飛船長為 90 ，地球上的觀察者測得光脈沖從船尾 發(fā)出和到達船頭兩個事件的空間間隔=？,解：,參照系S：,地球,參照系S ：,飛船,地球上的觀察者測得光脈沖從船尾發(fā)出和到達船頭兩個事件的空間間隔,30,31,作業(yè)： P340 341 6.5 6.6 6.11,試證明： (1)如果兩個事件在某慣性系中是在同

13、一地點發(fā)生，則對一切慣性系來說這兩個事件的時間間隔，只有在此慣性系中最短 (2)如果兩個事件在某慣性系中是同時發(fā)生，則對一切慣性系來說這兩個事件的空間間隔，只有在此慣性系中最短。,32,例6 在S系中的X軸上相隔為 處 有兩只同步的鐘A和B，讀數(shù)相同，在 S系的X 軸上也有一只同樣的鐘A ， 若 S 系相對于S系的速度為V，沿X軸方 向。且當A 與A相遇時，剛好兩鐘的讀數(shù) 均為零，那么，當A 鐘與B鐘相遇時， 在S系中B鐘的讀數(shù)=？此時，在S 系中A 鐘的讀數(shù)=？,33,在S系看：,在S 系看：,當A 鐘與B鐘相遇時， B鐘的讀數(shù),A 與A、B相遇兩事件時間間隔,（A 鐘的讀數(shù)）,解:,34,

14、A 與A、B相遇兩事件的空間間隔,思考：,A 與A、B相遇兩事件是同地發(fā)生,即：,在S 系看：,在S 系看：,35,事件 1 ：車廂后壁接收器接收到光信號. 事件 2 ：車廂前壁接收器接收到光信號.,三、狹義相對論效應(yīng),1. 同時的相對性,在一個慣性系中觀察是同時發(fā)生的兩事件，在另一個慣性系中觀察不一定是同時發(fā)生的。,36,S 系中兩事件的時間間隔為,S系中兩事件同時發(fā)生，時間間隔,僅當兩件事在S 系中同地同時發(fā)生:,S 系中才是同時發(fā)生:,37,（2）長度收縮（動尺縮短）,在相對于尺子（棒）靜止的參照系中（如：在S系中） :,動畫,動畫,動畫,38,根據(jù)洛倫茲變換：,：固有長度（原長、靜長）

15、,相對于尺子（棒）靜止的參照系中測量 的尺子（棒）長。,最長,長度收縮只發(fā)生在速度方向,39,（3）收縮效應(yīng)與測量有關(guān)，不表示物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改 變。是一種物質(zhì)的時空屬性。,長度縮短：,40,已知S系： 求S：,已知S系： 求S：,41,已知S系： 求S系：,已知S系： 求S系：,42,（1）長度收縮（動尺縮短）,相對論效應(yīng),43,條件：,兩個事件在某一參照系中同地發(fā)生,（2）時間延緩（時間膨脹）,44,例（4357）在O參照系中，有一個靜止的 正方形，其面積為100cm2。觀測者O 以0.8C的勻速度沿正方形的對角線運 動, 求O所測得的該圖形的面積。,解：,在O參照系中,A、B間對角線長度,

16、在O參照系中,A、B間長度,45,O所測得的該圖形的面積,46,例(4370）在K慣性系中，相距 的兩個地方發(fā)生兩事件，時間間隔 ；而在相對于K系沿正 方向勻 速運動的K系中觀測到這兩事件卻是同 時發(fā)生的。試計算在K系中發(fā)生這兩事 件的地點間的距離是多少？,解：,47,方法二:,48,練習一列高速火車以速度 駛過車站時，固定在 站臺上的兩只機械手在車廂上同時劃出兩個 痕跡，靜止在站臺上的觀察者同時測出兩痕 跡之間的距離為1m，則車廂上的觀察者應(yīng) 測出這兩個痕跡之間的距離為多少？,解：,車廂上的觀察者測出的這兩個痕跡 之間的距離,=原長,靜止在站臺上的觀察者同時測出兩痕跡之間 的距離：,49,運

17、 動 的 鐘 走 得 慢,（3）時間延緩（時間膨脹,動鐘變慢）,50,列車中小睡的旅客入睡和睡醒兩事件,S系中兩事件：,S 系中兩事件的時間間隔:,地面觀察者：運動的鐘變慢了！,睡醒時,入睡時,S 系,S 系,（3）時間延緩（時間膨脹,動鐘變慢）,51,兩個事件在某一參照系中同地發(fā)生 （如：在S 系中同地發(fā)生）,條件：,在此參照系(S 系)中同一地點發(fā)生的兩個事件的時間間隔為 :,在其它任何慣性參照系(S系)中這同樣兩個事件的時間間隔 :,代入,52,則:,:固有時間（原時）,(兩事件同地發(fā)生的參照系中測量的時間間隔）,最短, 時間延緩效應(yīng)在高能物理實驗中得 到實驗證明: 介子、 介子, 運動

18、時鐘變慢完全是相對性時空效應(yīng)， 與鐘的具體結(jié)構(gòu)和其他外界因素無關(guān)。,動畫,53,= 子產(chǎn)生（出生）和湮滅 （死亡）兩事件之間的時 間間隔,例. 子是一種基本粒子，在相對于 子靜止的坐標系中測得其壽命為 ，如果 子相對于地球 的速度為 （c為真空中光 速），則在地球坐標系中測出的 子 的壽命,解：,設(shè)：相對于 子靜止的參照系為,子壽命,54,子產(chǎn)生（出生）湮滅和（死亡）兩事件 之間的空間間隔,（原時）, 在地球坐標系中測出的 子的壽命,55,例（4378）火箭相對于地面以V=0.6C （C 為真空中光速）的勻速度飛離地球。在 火箭發(fā)射 秒鐘后（火箭上的 鐘），該火箭向地面發(fā)射一導彈，其速 度相對

19、于地面為V1=0.3C，問火箭發(fā)射 后多長時間，導彈到達地球？（地球上 的鐘）計算中假設(shè)地面不動。,發(fā)射導彈處,解：,火箭飛離地球到發(fā)射導彈經(jīng)歷的時間間隔,S系：,地球,56,S系：,火箭,地球上看,（S系看）：,火箭飛離地球到發(fā)射導彈經(jīng)歷的空間間隔（上升距離）,（原時）,則：,57,火箭發(fā)射導彈到導彈到 達地球經(jīng)歷的時間間隔,地球上觀察者觀察到的總時間間隔,地球上看,（S系看）：,58,在實驗室中觀察，考慮時間膨脹效應(yīng)：,則:,練習帶正電的介子是一種不穩(wěn)定的粒子，當它靜止時， 平均壽命 t =2.510-8s，然后衰變?yōu)橐粋€ 介子和 一個中微子。在實驗室產(chǎn)生一束v =0.99C的 介子， 并

20、測得它在衰變之前通過的平均距離為52m。這些 測量結(jié)果說明什么？,解：,它在實驗室走過的距離為：,“洞中方一日，世上已千年”,= 2.5 10-8s,=1.77 10-7s,靜止時平均壽命為原時：,59,洛侖茲變換 得到結(jié)論,同時性的相對性,運動的時鐘變慢,運動的尺子縮短,愛因斯坦時空觀小結(jié):,10. 牛頓時空觀在高速運動領(lǐng)域不成立,20. 愛因斯坦相對性原理,30. 光速不變原理,40. 由洛侖茲變換得出的相對論效應(yīng),原時最短,原長最長,顯然這些結(jié)論與牛頓時空及伽利略變換相矛盾!,60,經(jīng)典時空觀：,相對論時空觀：,空間是絕對的，時間是絕對的，空間、時間和物質(zhì)運動三者沒有聯(lián)系。,a.時間、空

21、間有著密切聯(lián)系，時間、空間與物質(zhì) 運動是不可分割的。,b.不同慣性系各有自己的時間坐標，并相互發(fā)現(xiàn) 對方的鐘走慢了。,c.不同慣性系各有自己的空間坐標，并相互發(fā)現(xiàn) 對方的“尺”縮短了。,兩種時空觀對照,61,d.作相對運動的兩個慣性系中所測得的運動物體 的速度，不僅在相對運動的方向上的分量不同， 而且在垂直于相對運動方向上的分量也不同。,e.光在任何慣性系中傳播速度都等于 C ，并且是 任何物體運動速度的最高極限。,f.在一個慣性系中同時發(fā)生的兩事件，在另一慣 性系中可能是不同時的。,62,洛侖茲速度變換式,正變換,逆變換,63,（課后練習）兩個慣性系K與K坐標軸相互 平行，K系相對于K系沿X

22、軸作勻速運 動，在K系的X軸上，相距為L的A、 B兩點處各放一只已經(jīng)彼此對準了的 鐘，試問在K系中的觀測者看這兩只鐘 是否也是對準了？為什么？,答：沒對準 根據(jù)洛倫茲 逆變換式有,64,如題所述兩鐘在K系中對準，即同時,但兩鐘相距L，不同地,因此，在K系中某一時刻同時觀察，這兩個鐘的示數(shù)必不相同，沒對準。,65,（課后練習）觀測者甲和乙分別靜止于兩個 慣性參照系K和K中，甲測得在同一地 點發(fā)生的兩個事件的時間間隔為4s，而 乙測得這兩個事件的時間間隔為5s，求 （1）K相對于K的運動速度。 （2）乙測得這兩個事件發(fā)生的地點的距離。,解：,K系中甲看：,兩個事件,K系中乙看：,兩個事件,（1）,

23、66,根據(jù)洛倫茲變換式有,或,（2）,67,在不同慣性系中大小不同 .,四、狹義相對論動力學,1. 相對論質(zhì)量,物體相對于慣性系靜止時的質(zhì)量,稱為靜止質(zhì)量.,68,例,V=11.2Km/s m=1.0000000009m0,V=0.98C m=5m0,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,2. 相對論動量：,69,說明：,b.當 時， 即不論對物體加多大的力， 也不可能再使它的速度增加。,c.當 時，必須 即以光速運動的物 體是沒有靜止質(zhì)量的。,a.在 時， 。,70,3相對論力學基本方程,當 時， 急劇增加，而 ，所以光速C為物體的極限速度.,

24、動量定理：,71,相對論動量守恒定律:,不變 .,72,4. 相對論動能,討論,？,若vc,73,5. 相對論總能量,E = mc2,相對論質(zhì)能關(guān)系,相對論意義上的總能量：E = Ek+m0c2 = mc2,Eo= moc2,靜止能量：,相對論動能：EK=mc2-m0c2,物體處于靜止狀態(tài)時，物體也蘊涵著相當可觀的靜能量。任何宏觀靜止的物體具有能量,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。質(zhì)量的大小同時標志能量的大小。,74,質(zhì)量虧損,釋放的能量,如果一個系統(tǒng)的質(zhì)量發(fā)生變化，能量必有相應(yīng)的變化。,對一個孤立系統(tǒng)而言，總能量守恒，總質(zhì)量 也守恒。,75,注意（1）在核反應(yīng)中，反應(yīng)前

25、所有粒子的總能量 =反應(yīng)后所有粒子的總能量,（2）核反應(yīng)釋放的能量=反應(yīng)前后粒子總動 能的增量（Ek2-Ek1）=反應(yīng)前后粒子靜 能的減少量,釋放的能量,通常記：,76,1. 相對論質(zhì)量,2. 相對論動量：,3.動量定理：,77,4. 相對論動能,5. 相對論總能量(質(zhì)能關(guān)系),E = mc2,質(zhì)能關(guān)系預言： 物質(zhì)的質(zhì)量就是能量的一種儲藏 .,相對論能量和質(zhì)量守恒是一個統(tǒng)一的物理規(guī)律.,78,愛因斯坦認為(1905）,物體的懶惰性就是物體活潑性的度量 .,表明:,79,慣性質(zhì)量的增加和能量的增加相聯(lián)系，質(zhì)量的大小應(yīng)標志著能量的大小，這是相對論的又一極其重要的推論 .,80,相對論的質(zhì)能關(guān)系為開創(chuàng)原子能時代提供了理論基礎(chǔ) , 這是一個具有劃時代的意義的理論公式 .,81,質(zhì)能公式在原子核裂變和聚變中的應(yīng)用,質(zhì)量虧損,原子質(zhì)量單位,放出的能量,1 核裂變,1g 鈾 235 的原子裂變所釋放的能量,82,原子彈核裂變,83,我國于 1958 年建成的首座重水反應(yīng)堆,84,秦山核電站 全景圖,在建的 陽江核電站 效果圖,85,在建的 江蘇連云港 田灣核電站,86,2 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.,87,1967年6月17日，中國第一顆氫彈爆炸成功,88,相對論質(zhì)