狹義相對論(相對論動力學(xué)).ppt

時空關(guān)系根本改變 物理量需要重新修正,經(jīng)典力學(xué)需要改造. 兩條原則; 1), 對應(yīng)原則 經(jīng)典力學(xué),m = m(v) 的形式。,定義,從實驗和理論上找質(zhì)量與速度的關(guān)系，即找出,5.4 狹義相對論的動力學(xué)基礎(chǔ),一、動量,2), 守恒定律成立 .,但與經(jīng)典力學(xué)不同,對應(yīng)原理; 當(dāng) (經(jīng)典力學(xué)質(zhì)量,稱靜質(zhì)量).,全同粒子A和B發(fā)生完全非彈性正碰,即,S:,S:,即,由動量守恒和質(zhì)量守恒,二、質(zhì)量,S:,S:,由,和,代入,化簡后得,把m0看成靜止質(zhì)量，,把m稱為相對論質(zhì)量，,如圖 所示，,質(zhì)量 m 隨速度增大而增大。,質(zhì)量：,動量：,利用,圖 質(zhì)量隨速度變化,布塞勒,Cuye- Lavanchy,1 . 力:,2. 力和加速度的關(guān)系,與,前面的系數(shù)不同,所以力和加速度方向不一致,也沿切向,三、力、功和動能,3 . 功和動能,質(zhì)點動能定理:,利用,1 態(tài),2 態(tài),質(zhì)量,質(zhì)量,上式變?yōu)椋?- 相對論中的質(zhì)點動能公式,1. 在,的情況下：,經(jīng)典力學(xué)的動能是相對論表達(dá)式在低速下的近似。,2. 由,當(dāng)動能由于外力作功不斷增大而不斷增加時，速率卻不能無限制增大，而是有一個極限值 c。,靜能:,質(zhì)量虧損：,結(jié)合能：,2 . 總能和質(zhì)能關(guān)系,總能,- 著名的質(zhì)能關(guān)系式,1 . 靜能和質(zhì)量虧損,原子能公式,四、能量、質(zhì)能關(guān)系,討論：,1 . 把粒子的能量和質(zhì)量聯(lián)系起來,數(shù)值相差一常數(shù)因子 c2 。,2 . 在相對論中,能量守恒和質(zhì)量守恒統(tǒng)一起來。, 能量守恒, 質(zhì)量守恒,3 . 粒子相互作用中相對論質(zhì)量,守恒，,但其靜止質(zhì),量,并不守恒。,4。靜止能量實際上是物體的總內(nèi)能,-分子的內(nèi)能、勢能、原子的電磁能、質(zhì)子中子的結(jié)合能等。靜止能量是相當(dāng)可觀的。,例：一公斤的物體的靜止能量,相當(dāng)于200萬噸汽油燃燒的能量。,5。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：,例. 中子和質(zhì)子合成氘核實時放出射線，試求射線 的能量。,解：質(zhì)子，中子，氘核的靜質(zhì)量分別為,為質(zhì)量虧損,釋放射線能：,聚合1公斤氘核釋放的能量：,約相當(dāng)于1公斤汽油燃燒放熱的230萬倍！,例如：,兩個靜止質(zhì)量為,的全同粒子，,它們各自以速率,相向而行，,所以它們相對論質(zhì)量均為,設(shè)兩粒子作完全非,彈性碰撞后，變成一個靜止的復(fù)合粒子，其靜止質(zhì)量為M0。求碰撞過程中轉(zhuǎn)化的內(nèi)能。,由于粒子在碰前后能量守恒，,因此有：, 能量守恒, 質(zhì)量守恒,兩粒子在碰撞過程中，,靜止質(zhì)量并不守恒。,靜止質(zhì)量的增量,稱為質(zhì)量過剩。,實際上碰前兩粒子動能轉(zhuǎn)化為碰后靜止,復(fù)合粒子的內(nèi)能， 即：,解：,可能存在“無質(zhì)量”粒子,只具有動量、能量，,無,所以也沒有靜能,則：,只以光速運(yùn)動,（光子、中微子,預(yù)言引力子存在）,五、能量和動量的關(guān)系,例; 光子; m0 = 0,以光速 c 運(yùn)動的粒子.,h=6.626x10-34 焦耳 秒.,光子,例. 靜能量為0.511MeV的電子具有5倍于它的靜能的總 能量，試求它的動量和速率 。,解：,E = 5m0c2,深層次理論突破 實踐上的巨大變化,m 和 E 的關(guān)系,E = mc2,重核裂變：一個重原子核分裂成為兩個（或更多個）中等質(zhì)量碎片的現(xiàn)象。,輕核聚變：輕核在一定高溫條件下融合成較重的核，所以又稱熱核反應(yīng),六、質(zhì)能關(guān)系的重要應(yīng)用（選學(xué)內(nèi)容）,核燃料主要有235U(鈾)、239Pu(钚)和233Th(釷)。,（1）核裂變過程（以235U為例）： 當(dāng)235U核吸收一個中子后，就會形成復(fù)合236U核，而236U核是不穩(wěn)定的，它很快發(fā)生形變由橢球形進(jìn)而變成不對稱的啞鈴形，然后發(fā)生斷裂，成為兩個略有大小差異的產(chǎn)物核，同時放出若干個中子，下圖為復(fù)合核裂變示意。,(2) 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與臨界質(zhì)量 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：重核的裂變是通過中子的轟擊實現(xiàn)的 核裂變過程中有“次級中子”再去轟擊重核引起另一次裂變，然后再產(chǎn)生中子 形成一種核裂變的“鏈條”，使得裂變反應(yīng)一直延續(xù)下去，這種連續(xù)不斷的裂變反應(yīng)就叫做“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。,臨界質(zhì)量：對于一種核燃料以及一種核燃料區(qū)的形狀，例如球形、柱形或其它，都有一相應(yīng)的最小體積（或質(zhì)量）使中子逃逸幾率足夠小以致能維持核燃料區(qū)內(nèi)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這個體積（或質(zhì)量）就稱為臨界體積（或臨界質(zhì)量）。 核燃料的質(zhì)量達(dá)到臨界質(zhì)量是維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的必要條件。臨界質(zhì)量的大小除了與核燃料區(qū)的形狀直接相關(guān)外，還與核燃料的性質(zhì)（濃縮度、材料密度）密切相關(guān)。,（3） 原子彈 原子彈利用的是不加控制的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，從而在瞬時間可以形成雪崩式的裂變反應(yīng)，使大量核燃料在極短時間內(nèi)“燃燒”釋放出大量能量，造成極端嚴(yán)重的殺傷和破壞。,（4）氫彈 核聚變首先是在氫彈中實現(xiàn)的。 氫彈中熱核反應(yīng)所需要的高溫高密度條件一開始是由一顆原子彈提供的，這個原子彈被稱為氫彈的“扳機(jī)”，然后，由熱核反應(yīng)產(chǎn)生的能量的在一定時間內(nèi)繼續(xù)維持熱核反應(yīng)所必須的條件。于是氫彈就能在短時間內(nèi)釋放大量能量，形成比原子彈威力大幾倍的大規(guī)模毀滅性武器。,（5） 核電站 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的控制 原子彈是一種不加控制的裂變反應(yīng)器，它在極短時間內(nèi)釋放出大量核能，極具破壞性，很難被作為能源來利用。因此裂變能的和平利用，首先要解決鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的控制，一是要控制其超臨界度，不能讓它發(fā)生雪崩式的反應(yīng)；二是要使它在超臨界和次臨界狀態(tài)間隨意轉(zhuǎn)換。,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的控制方法 通過快速的機(jī)械手段改變核燃料的質(zhì)量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到臨界條件。 讓快中子在某些特定的介質(zhì)中通過碰撞損失其能量而變成熱中子（慢中子），這個過程稱為慢化，而那些特定介質(zhì)就稱為慢化劑。 重水是最好的慢化劑，石墨也是一種良好的慢化劑，費(fèi)米就是用它作成世界上第一個反應(yīng)堆的。 控制熱中子：采用鎘（48Cd）作為熱中子反應(yīng)堆的控制棒。,1942年世界上第一個核反應(yīng)堆運(yùn)行成功。由于保密，不允許 拍照，這里只是一張油畫。圖中右上方手握大罐的三位青年 物理學(xué)家組成“敢死隊”，萬一發(fā)生意外，他們就將吸收中子 的鎘溶液注入反應(yīng)堆。而站在下面的那位科學(xué)家正按照費(fèi)米 的指令，一點一點地往外抽最后一根鎘棒，以啟動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。,核裂變發(fā)電站概貌 核電站組成: 核反應(yīng)堆、熱交換器和發(fā)電裝置。 核反應(yīng)堆通常采用熱中子堆,反應(yīng)堆的堆心是原子能發(fā)電站的心臟，其中有燃料棒、慢化劑、冷卻劑和控制棒（鎘棒）。 當(dāng)鎘棒插入時，堆心處于次臨界狀態(tài)，鎘棒拔出時堆心就處于超臨界狀態(tài)，于是控制鎘棒就可以控制反應(yīng)堆的運(yùn)行。冷卻劑用來