第十九章狹義相對論基礎(chǔ)

1、第五篇 近代物理學(xué)基礎(chǔ)二十世紀(jì)物理學(xué)的兩大支柱相對論: 研究高速運(yùn)動物體的運(yùn)動規(guī)律量子論：研究微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律狹義相對論廣義相對論不同慣性系中的觀察者對事件的時空描述非慣性系中的觀察者對事件的時空描述第十九章 狹義相對論基礎(chǔ)191伽利略變換與經(jīng)典力學(xué)時空觀一 伽利略變換1 時空坐標(biāo)變換時,重合, ,2 速度變換,3.加速度對伽利略變換保持不變二 牛頓力學(xué)運(yùn)動學(xué)的特點(diǎn)（絕對時空觀）1 時間間隔的測量是絕對的，即兩事件的時間間隔在不同的慣性系中是相同的；2 空間間隔的測量是絕對的，即：兩點(diǎn)的空間間隔在一同的慣性系中是相同的。三 牛頓力學(xué)動力學(xué)的特點(diǎn)1與無關(guān)，；2;3. 4. 伽利略相對性原理：力

2、學(xué)規(guī)律對一切慣性系都是等價的。（1632年，船艙內(nèi)實(shí)驗）192 邁克爾遜莫雷實(shí)驗一 問題的提出1 Maxwell eqs 對伽利略變換不協(xié)變2 以太之迷以太：傳播電磁波的彈性媒質(zhì)；以太參照系：和宇宙框架連接的絕對靜止參照系是相對于以太的二 邁克爾遜莫雷實(shí)驗(1887)1 實(shí)驗?zāi)康模簩ふ医^對參照系以太參照系2 指導(dǎo)思想及實(shí)驗方法： 承認(rèn)以太參照系存在； 初步近似：太陽參照系以太參照系； 速度變換滿足伽利略變換；計算結(jié)果：3 實(shí)驗精度及結(jié)果精度：0.01； 結(jié)果：！ 推導(dǎo): 邁克爾遜莫雷實(shí)驗的零結(jié)果，使同時代的科學(xué)家目瞪口呆，震驚不已。 物理學(xué)晴朗的天空中漂來了一朵烏云?。?987年還有人做，精度

3、提高了50倍）三 實(shí)驗的意義：1 否定了以太參照系的存在，暗示電磁學(xué)規(guī)律對不同參照系有相同形式；2 否定了經(jīng)典速度變換法則，揭示光速不變。19-3愛因斯坦假設(shè) 洛侖茲變換一 愛因斯坦假設(shè)1 相對性原理：物理學(xué)定律有所有慣性系中都是相同的；2 光速不變原理：在所有的慣性參照系中，真空中的光速具有相同的量值c。二 洛侖茲變換1 結(jié)論： 正變換 逆變換必須記牢、會用；式中：2 推證要求： Maxwell eqs是變換的不變式； 時，伽利略變換； 時空各向同性（線性變換）三 洛侖茲速度變換(三條變換要求都滿足)：例1：設(shè)一列長0.5km的高速火車以每小時1000km的速度行駛，地面上的觀察者測得兩個閃

4、電同時擊中火車的前后兩端。求火車上的觀察者測得的時間間隔？例2. 在S系中測得兩事件的時間和空間間隔分別為和600m,若這兩事件對S來說是同時的，則S相對于S的速率是多少？小結(jié)：一 愛因斯坦假設(shè):狹義相對性原理,光速不變原理二 時空坐標(biāo)變換:例：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同時亮，火車上乙(S1、S2之中點(diǎn))觀察，S1，S2是否同時亮？若S1 、S1 同時亮，則乙觀察，兩燈是否同時亮？194 狹義相對論的時空觀一 同時的相對性, 二 長度收縮效應(yīng)（尺縮短）當(dāng)物體運(yùn)動時，沿其運(yùn)動方向上的長度，要比靜止時短倍；垂直方向的長度不變！三 時間膨脹效應(yīng)（鐘變慢）

5、相對于事件發(fā)生地運(yùn)動的觀察者測得的時間較相對于事件發(fā)生地靜止的觀察者測得的時間長。即：運(yùn)動的鐘走慢了！注意：尺縮短,鐘變慢,完全是一種相對性的時空效應(yīng)（測量效應(yīng)）！如：兩把米尺A、B分別放在S（甲），S（乙）系中，甲測得:A1m, B1m乙測得: A1m，B1m；又如測時間：甲測得: tA1H，tB1H;乙測得: tA1HtB1H例1：如圖，有一米尺固定在S內(nèi)，S系中測得，S系中測得，求：；。例2一個人在火箭中生活了50年，生和死分別向地面發(fā)出信號，若u = 0.9998 c ，則地面上的人看到他活了多少年？（2500年） 注意:兩個事件是客觀存在的,不可更改的，與觀察者的測量無關(guān)；但對它們的

6、描述卻是相對的，與坐標(biāo)系的選擇有關(guān)！四 實(shí)驗證明：1. 高速運(yùn)動介子的衰變現(xiàn)象（1941）相對論：2. 近代高能粒子實(shí)驗，都證明了其正確性。綜上所述，相對論時空觀確立了時間和空間的量度與參照系的選擇有關(guān)。時間和空間是相互聯(lián)系的，這種聯(lián)系反映了時空自身的屬性及其與物質(zhì)運(yùn)動的不可分割性。例1介子是一種不穩(wěn)定的粒子，平均壽命是(相對靜止測得)，如果此粒子相對于實(shí)驗室以的速度運(yùn)動，則實(shí)驗室中測量介子的壽命為多長？介子在衰變前運(yùn)動了多長距離？例2靜長為的火箭相對地面以速度水平勻速飛行，火箭頭部A點(diǎn)通過地面上A點(diǎn)的正上方時，有一光信號從A點(diǎn)發(fā)出。如果測量分別在火箭和地面上進(jìn)行。求光信號從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)處的

7、時間；何時B點(diǎn)通過A點(diǎn)的正上方？19-5 狹義相對論的動力學(xué)基礎(chǔ)一 相對論中的質(zhì)量1 結(jié)論：2 討論： ，； ； 為定值（如電磁輻射）3推導(dǎo)二 相對論動力學(xué)方程三 相對論中的動能、質(zhì)能關(guān)系1 動能Ek式中：物體的靜止能量運(yùn)動物體的總能量當(dāng)時，2 質(zhì)能關(guān)系式：E守恒m守恒，m變E變：即：系統(tǒng)的質(zhì)量變化必有能量變化相伴隨！1905.9，愛因斯坦的“物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？”在物理學(xué)紀(jì)事發(fā)表：為什么人們感覺不到？ 通常觀察到的和都很小如：1kg的水，從, (J), 一般物質(zhì)不向外發(fā)射大量能量 經(jīng)典物理中能量值是相對的 思維定勢：牛頓的質(zhì)量和能量是兩個根本不同的概念3 實(shí)驗的證明： 質(zhì)量的速度

8、效應(yīng)1902年，阿布拉旱基于電子是鋼球模型獲得的質(zhì)速關(guān)系，一致考夫曼做實(shí)驗，1906年物理學(xué)記事著文，否定愛因斯坦的結(jié)果1907年，貝斯特梅耶揭示了考夫曼工作中的錯誤，證實(shí)了愛因斯坦公式 鈾裂變釋放原子能1934年，意大利物理學(xué)家費(fèi)米，用新發(fā)現(xiàn)的中子轟擊各種元素，轟鈾核時得到了“奇異的結(jié)果”，得到“超鈾元素”；1938年，哈恩梅特涅決定重復(fù)實(shí)驗，二戰(zhàn)梅特涅逃到斯德哥爾摩繼續(xù)哈恩將“超鈾元素”沉淀m為U的1/2的鋇的同位素?。ǔ龊跻饬希。┙^望中寫信給梅給外甥弗里斯看（驚呆了?。┒税床柕暮艘旱文Ｐ陀嬎愫笳J(rèn)為：核裂變是可能的，但需要提供約2億eV的巨大能量!哪兒來？梅想起了經(jīng)過兩天的審查，論文玻爾1939.1.26，華盛頓，理論物理學(xué)會議，柏林發(fā)來自然科學(xué)，宣布結(jié)果“爆炸”了！1939.1.27，至少四所美國大學(xué)的實(shí)驗室進(jìn)行了分裂原子、釋放能量的實(shí)驗四 能量和動量的關(guān)系:對于光子：例1 某加速器將粒子加速到76GeV的動能，試求：加速后質(zhì)子的質(zhì)量和動量。例2 一初速為零的電子，在靜電場中經(jīng)電勢差為10MV的電場區(qū)加速后，電子的速度為多少？電子的質(zhì)量為其靜質(zhì)量的多少倍？到