大學(xué)物理學(xué)基礎(chǔ)PPT課件

1、 物理科學(xué)學(xué)院物理科學(xué)學(xué)院李祖斌李祖斌12021-12-522021-12-52021-12-53作業(yè)：作業(yè)：5-55-5，5-65-65.4.1 5.4.1 5.4.2 5.4.2 5.4.3 5.4.3 5.3.2 5.3.2 2021-12-545.3.2 5.3.2 研究某個(gè)物理過(guò)程的空間間隔，在不同慣性系中測(cè)研究某個(gè)物理過(guò)程的空間間隔，在不同慣性系中測(cè)量結(jié)果的關(guān)系。量結(jié)果的關(guān)系。SSu0l對(duì)運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度的測(cè)量問(wèn)題。對(duì)運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度的測(cè)量問(wèn)題。怎么測(cè)？?jī)啥说淖鴺?biāo)必須同怎么測(cè)？?jī)啥说淖鴺?biāo)必須同時(shí)測(cè)。本質(zhì)是同時(shí)性問(wèn)題。時(shí)測(cè)。本質(zhì)是同時(shí)性問(wèn)題。尺子靜止時(shí)測(cè)得它的長(zhǎng)度，稱尺子靜止時(shí)測(cè)得它的長(zhǎng)度，稱為原長(zhǎng)

2、或稱靜長(zhǎng)、固有長(zhǎng)度。為原長(zhǎng)或稱靜長(zhǎng)、固有長(zhǎng)度。如尺子靜止在如尺子靜止在 系中，靜長(zhǎng)為系中，靜長(zhǎng)為S0l2021-12-55在在S坐標(biāo)系，尺子靜止，端點(diǎn)坐標(biāo)與時(shí)間無(wú)關(guān)，坐標(biāo)系，尺子靜止，端點(diǎn)坐標(biāo)與時(shí)間無(wú)關(guān)，則：則：0lx S系中必須同時(shí)測(cè)量?jī)啥俗鴺?biāo)：系中必須同時(shí)測(cè)量?jī)啥俗鴺?biāo)：210ttt lx 由洛倫茲變換由洛倫茲變換221/xu txu c 00 or /llll11 0ll 原長(zhǎng)最長(zhǎng)原長(zhǎng)最長(zhǎng)這是相對(duì)效應(yīng)，是同時(shí)的相對(duì)性的直接結(jié)果。這是相對(duì)效應(yīng)，是同時(shí)的相對(duì)性的直接結(jié)果。2021-12-56討論沿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度測(cè)量，強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)度兩端的坐標(biāo)討論沿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度測(cè)量，強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)度兩端的坐標(biāo)必須同時(shí)測(cè)量。同

3、時(shí)是相對(duì)的，長(zhǎng)度測(cè)量必然也是必須同時(shí)測(cè)量。同時(shí)是相對(duì)的，長(zhǎng)度測(cè)量必然也是相對(duì)的。相對(duì)的。AB固定在固定在 x軸上，長(zhǎng)度為軸上，長(zhǎng)度為l0 。求求 S 系中的長(zhǎng)度系中的長(zhǎng)度lS系中系中t1 時(shí)刻時(shí)刻B過(guò)過(guò) x1 , 其中棒速度為其中棒速度為u，0lABSSux1x2t1 + t 時(shí)刻時(shí)刻B 在在x2 = x1 + u t 處。處。t1 + t 時(shí)刻時(shí)刻A 過(guò)過(guò) x1 2021-12-57 t是棒上是棒上 B點(diǎn)點(diǎn)相繼通過(guò)相繼通過(guò)S系中兩點(diǎn)的時(shí)間間隔系中兩點(diǎn)的時(shí)間間隔21u txxl t是棒的兩端相繼通過(guò)是棒的兩端相繼通過(guò)S系中系中x1點(diǎn)兩事件的時(shí)間間隔點(diǎn)兩事件的時(shí)間間隔S系中認(rèn)為系中認(rèn)為B和和A相

4、繼通過(guò)同一點(diǎn)的時(shí)間間隔相繼通過(guò)同一點(diǎn)的時(shí)間間隔222211/lttu cu cu ltu 在在S參照系中看參照系中看S系中系中x1發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔膨脹。膨脹。0ll 2201/lu tlu c 0ll長(zhǎng)度收縮長(zhǎng)度收縮2021-12-58(1)所謂所謂“長(zhǎng)度長(zhǎng)度收縮收縮”，指的是在實(shí)驗(yàn)室參考系中測(cè)，指的是在實(shí)驗(yàn)室參考系中測(cè)量量運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)參考系內(nèi)、運(yùn)動(dòng)方向上的某空間間隔，結(jié)參考系內(nèi)、運(yùn)動(dòng)方向上的某空間間隔，結(jié)果會(huì)比運(yùn)動(dòng)參考系測(cè)量結(jié)果偏小的物理現(xiàn)象。果會(huì)比運(yùn)動(dòng)參考系測(cè)量結(jié)果偏小的物理現(xiàn)象。(2)長(zhǎng)度收縮效應(yīng)來(lái)源于時(shí)空測(cè)量的相對(duì)性，并不是長(zhǎng)度收縮效應(yīng)來(lái)源于時(shí)空測(cè)量的相對(duì)性

5、，并不是實(shí)在的收縮。實(shí)在的收縮。(3)在運(yùn)動(dòng)參考系內(nèi)測(cè)量得到的兩個(gè)事件的空間間隔在運(yùn)動(dòng)參考系內(nèi)測(cè)量得到的兩個(gè)事件的空間間隔（原長(zhǎng)）最長(zhǎng)（原長(zhǎng)）最長(zhǎng)，在其余任意有相對(duì)運(yùn)動(dòng)慣性系內(nèi)，在其余任意有相對(duì)運(yùn)動(dòng)慣性系內(nèi)的測(cè)量結(jié)果都偏??！的測(cè)量結(jié)果都偏小！(4)運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，所以兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性系測(cè)量運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，所以兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性系測(cè)量對(duì)方的尺子都會(huì)縮短。對(duì)方的尺子都會(huì)縮短。(5)當(dāng)當(dāng)u c時(shí)，時(shí)，m成為虛數(shù)，無(wú)意義。成為虛數(shù)，無(wú)意義。光速是物體運(yùn)動(dòng)的極限速度！光速是物體運(yùn)動(dòng)的極限速度！2021-12-520根據(jù)相對(duì)性原理，動(dòng)量應(yīng)有相同的表達(dá)形式：根據(jù)相對(duì)性原理，動(dòng)量應(yīng)有相同的表達(dá)形式：00221/

6、m vpmvm vv c ()dpdFmvdtdt質(zhì)量隨速度變化質(zhì)量隨速度變化低速時(shí)才回到牛頓定律！低速時(shí)才回到牛頓定律！所以所以相對(duì)論動(dòng)量相對(duì)論動(dòng)量可表示為：可表示為：在相對(duì)論力學(xué)中仍用動(dòng)量變化率定義質(zhì)點(diǎn)受的力：在相對(duì)論力學(xué)中仍用動(dòng)量變化率定義質(zhì)點(diǎn)受的力：pmv相對(duì)論動(dòng)量相對(duì)論動(dòng)量2021-12-5215.4.2 5.4.2 相對(duì)論力學(xué)中，力對(duì)粒子所做的功仍然等于粒子動(dòng)能相對(duì)論力學(xué)中，力對(duì)粒子所做的功仍然等于粒子動(dòng)能的增量。若用的增量。若用Ek表示粒子速率為表示粒子速率為v時(shí)的動(dòng)能，則時(shí)的動(dòng)能，則000()()rrvkd mvEF drdrv d mvdt2112()kdEv d mvp d

7、pdpmm0221/mmv c222021 ()vmmc2222220m cm vm c222220m cpm c2021-12-5222220mc dmdp222dpmc dm022200mkmEc dmmcm c將將 兩邊求微分兩邊求微分222220m cpm c速度為零時(shí)，動(dòng)能為零，質(zhì)量為靜止質(zhì)量。速度為零時(shí)，動(dòng)能為零，質(zhì)量為靜止質(zhì)量。2212kdEdpc dmm相對(duì)論動(dòng)能公式。相對(duì)論動(dòng)能公式。220kEmcm c粒子的動(dòng)能等于因運(yùn)動(dòng)而引起的質(zhì)量增量乘以粒子的動(dòng)能等于因運(yùn)動(dòng)而引起的質(zhì)量增量乘以光速的平方。光速的平方。2021-12-52322222211111221/vvccv c 當(dāng)當(dāng)

8、v c時(shí)時(shí)：222200021122 ()kvEmcm cm vc牛頓力學(xué)的牛頓力學(xué)的動(dòng)能公式動(dòng)能公式可以得到粒子速率由動(dòng)能表示的關(guān)系為：可以得到粒子速率由動(dòng)能表示的關(guān)系為：2222011() kEvcm c根據(jù)：根據(jù)：2222000221/kmEmcm ccm cv c表明：當(dāng)粒子的動(dòng)能由于力對(duì)其做功而增大時(shí)，表明：當(dāng)粒子的動(dòng)能由于力對(duì)其做功而增大時(shí)，速率也增大，但速率的極限是速率也增大，但速率的極限是c 。2021-12-5245.4.3 5.4.3 2Emc為粒子以速率為粒子以速率v運(yùn)動(dòng)時(shí)的總能量運(yùn)動(dòng)時(shí)的總能量0kEEE總能為動(dòng)能和靜能之和總能為動(dòng)能和靜能之和結(jié)論：結(jié)論：一定的質(zhì)量相應(yīng)有

9、一定的能量，二者的數(shù)一定的質(zhì)量相應(yīng)有一定的能量，二者的數(shù)值只相差一個(gè)恒定的因子值只相差一個(gè)恒定的因子c2 。能量和質(zhì)量是相同能量和質(zhì)量是相同的物理量！的物理量！2Emc相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系式相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系式220kEmcm c具有能量的量綱具有能量的量綱200Em c為粒子因靜質(zhì)量而具有為粒子因靜質(zhì)量而具有的能量的能量，稱為靜能，稱為靜能2021-12-5252()iiiiEm c常常量量按相對(duì)論，相互作用的粒子系統(tǒng)，其能量守恒按相對(duì)論，相互作用的粒子系統(tǒng)，其能量守恒應(yīng)表示為：應(yīng)表示為：iim 常常量量放射性蛻變、原子核反應(yīng)以及高能粒子實(shí)驗(yàn)中放射性蛻變、原子核反應(yīng)以及高能粒子實(shí)驗(yàn)中無(wú)數(shù)事實(shí)都證明

10、了質(zhì)能關(guān)系的正確性。無(wú)數(shù)事實(shí)都證明了質(zhì)能關(guān)系的正確性。在相對(duì)論中在相對(duì)論中能量守恒和質(zhì)量守恒定律是統(tǒng)一的能量守恒和質(zhì)量守恒定律是統(tǒng)一的。應(yīng)該指出：經(jīng)典力學(xué)中質(zhì)量守恒只涉及粒子的應(yīng)該指出：經(jīng)典力學(xué)中質(zhì)量守恒只涉及粒子的靜止質(zhì)量，它只是相對(duì)論質(zhì)量守恒在粒子能量靜止質(zhì)量，它只是相對(duì)論質(zhì)量守恒在粒子能量變化很小時(shí)的近似。變化很小時(shí)的近似。2021-12-526反應(yīng)后：反應(yīng)后：靜質(zhì)量靜質(zhì)量 m01 ， 總總動(dòng)能動(dòng)能Ek1 靜質(zhì)量靜質(zhì)量 m02 ， 總總動(dòng)能動(dòng)能Ek2能量守恒：能量守恒：22011022kkm cEm cE得出：得出：2210102()kkEEmmc20Em c 核反應(yīng)中釋放的能量相應(yīng)于一

11、定核反應(yīng)中釋放的能量相應(yīng)于一定的質(zhì)量虧損。原子能的基本公式的質(zhì)量虧損。原子能的基本公式例如在原子核反應(yīng)中：例如在原子核反應(yīng)中：反應(yīng)前：反應(yīng)前：總動(dòng)能增量總動(dòng)能增量即釋放的能量即釋放的能量總靜止質(zhì)量的減小總靜止質(zhì)量的減小質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損解：解：一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成氘核時(shí)，其靜止質(zhì)量一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成氘核時(shí)，其靜止質(zhì)量的變化為的變化為2021-12-527例例6：已知氘核靜止質(zhì)量為：已知氘核靜止質(zhì)量為 md = 3.3435910-27 kg，質(zhì)子靜止質(zhì)量質(zhì)子靜止質(zhì)量 mp = 1.6726210-27 kg，中子靜止質(zhì)量，中子靜止質(zhì)量mn = 1.6749310-27 kg，求氘核的結(jié)合能

12、，并給出聚，求氘核的結(jié)合能，并給出聚合合1千克氘核所能釋放的能量的數(shù)量級(jí)。千克氘核所能釋放的能量的數(shù)量級(jí)。()pndmmmm它所對(duì)應(yīng)的靜能即氘核的結(jié)合能它所對(duì)應(yīng)的靜能即氘核的結(jié)合能2133 564 10.JBEmc 303 96 10.kg聚合聚合1 1千克氘核所能釋放的能量千克氘核所能釋放的能量141 07 10. J/kgBdEEm2021-12-528解：解：設(shè)合成粒子質(zhì)量設(shè)合成粒子質(zhì)量M、速度為速度為V，根據(jù)，根據(jù)動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒BBAAm vm vMV000 ABmmmABvvvi 例例7：在：在S參考參考系中有兩個(gè)靜止質(zhì)量均為系中有兩個(gè)靜止質(zhì)量均為m0的粒子的粒子 A 和和B 。分

13、別以速度分別以速度 、 相向運(yùn)動(dòng)，相撞后相向運(yùn)動(dòng)，相撞后合在一起成為一個(gè)復(fù)合粒子，求：復(fù)合粒子的靜止質(zhì)合在一起成為一個(gè)復(fù)合粒子，求：復(fù)合粒子的靜止質(zhì)量量M0 ？碰撞中動(dòng)能改變？碰撞中動(dòng)能改變？AvviBvvi AvABvBx0V所以，碰后所以，碰后M靜止靜止0MM0221/ABmmmmv cM2021-12-5292222202ABMcM cm cm cmc即：即：002221/ABmMmmv c可見(jiàn)可見(jiàn)000022 MmMm根據(jù)能量守恒：根據(jù)能量守恒：還可證明：還可證明：動(dòng)量守恒和能量守恒的不變性是相互聯(lián)系動(dòng)量守恒和能量守恒的不變性是相互聯(lián)系在一起的。在一起的。碰撞前后動(dòng)能的改變?yōu)椋号鲎睬昂?/p>

14、動(dòng)能的改變?yōu)椋?2002()kQEmcm c 2002()kEMm c可見(jiàn)碰撞前兩粒子的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為碰撞后粒子系統(tǒng)可見(jiàn)碰撞前兩粒子的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為碰撞后粒子系統(tǒng)的靜質(zhì)量的增量。的靜質(zhì)量的增量。2021-12-5301. 1. 僅適用于慣性系僅適用于慣性系2. 2. 時(shí)空脫離物質(zhì)存在時(shí)空脫離物質(zhì)存在3. 3. 萬(wàn)有引力無(wú)法納入相對(duì)論體系萬(wàn)有引力無(wú)法納入相對(duì)論體系狹義相對(duì)論的困難：狹義相對(duì)論的困難：19161916年，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論：適用于一般參年，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論：適用于一般參考系，并把時(shí)空與物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)緊密結(jié)合起來(lái)?？枷?，并把時(shí)空與物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)緊密結(jié)合起來(lái)。兩個(gè)基本假設(shè)：兩個(gè)基本假

15、設(shè)： 等效原理，非慣性系的慣性力場(chǎng)與慣等效原理，非慣性系的慣性力場(chǎng)與慣性系中的引力場(chǎng)是等效的。性系中的引力場(chǎng)是等效的。廣義相對(duì)性原理，物理規(guī)律在所有參廣義相對(duì)性原理，物理規(guī)律在所有參考系都是一樣的，沒(méi)有特殊參考系。考系都是一樣的，沒(méi)有特殊參考系。2021-12-531基本假設(shè)基本假設(shè) 等效原理等效原理(1) 弱等效原理：觀測(cè)者不能在局部的區(qū)域內(nèi)分辨出弱等效原理：觀測(cè)者不能在局部的區(qū)域內(nèi)分辨出由加速度所產(chǎn)生的慣性力或由物體所產(chǎn)生的引力。由加速度所產(chǎn)生的慣性力或由物體所產(chǎn)生的引力。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是引力質(zhì)量等于慣性質(zhì)量。引力質(zhì)量等于慣性質(zhì)量。(2) 強(qiáng)等效原理：在時(shí)空區(qū)域的一點(diǎn)內(nèi)的引力場(chǎng)

16、可用強(qiáng)等效原理：在時(shí)空區(qū)域的一點(diǎn)內(nèi)的引力場(chǎng)可用相應(yīng)的局域慣性參考系去描述相應(yīng)的局域慣性參考系去描述(狹義相對(duì)論在其局域狹義相對(duì)論在其局域慣性參考系中完全成立慣性參考系中完全成立)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是慣性系中慣性系中的引力場(chǎng)與非慣性系中的慣性力場(chǎng)等效的引力場(chǎng)與非慣性系中的慣性力場(chǎng)等效。強(qiáng)等效原理不是從弱等效原理推出的，而是弱等效原強(qiáng)等效原理不是從弱等效原理推出的，而是弱等效原理的抽象結(jié)果。理的抽象結(jié)果。2021-12-532基本假設(shè)基本假設(shè) 相對(duì)性原理相對(duì)性原理(1) 狹義相對(duì)性：物理規(guī)律在任何狹義相對(duì)性：物理規(guī)律在任何慣性系慣性系中形式相同。中形式相同。(2) 廣義相對(duì)性：物理規(guī)律

17、在廣義相對(duì)性：物理規(guī)律在任何任何參考系參考系中形式相同。中形式相同。狹義相對(duì)論中，若嘗試定義慣性系，就會(huì)出現(xiàn)狹義相對(duì)論中，若嘗試定義慣性系，就會(huì)出現(xiàn)這種這種情況情況：不受外力的物體，在其保持靜止或勻速直線：不受外力的物體，在其保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的參考系是慣性系；但如何判定物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的參考系是慣性系；但如何判定物體不受外力？回答只能是，當(dāng)物體保持靜止或勻速直不受外力？回答只能是，當(dāng)物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變時(shí)，物體不受外力。很明顯，邏輯線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變時(shí)，物體不受外力。很明顯，邏輯出現(xiàn)了難以消除的出現(xiàn)了難以消除的死循環(huán)死循環(huán)。這說(shuō)明對(duì)于慣性系，人。這說(shuō)明對(duì)于慣性系，人們無(wú)法給出嚴(yán)格定義，這是狹義相對(duì)論的嚴(yán)重缺憾。們無(wú)法給出嚴(yán)格定義，這是狹義相對(duì)論的嚴(yán)重缺憾。為了解決這個(gè)問(wèn)題，愛(ài)因斯坦提出等效原理，直接為了解決這個(gè)問(wèn)題，愛(ài)因斯坦提出等效原理，直接把慣性系的概念剔除，把慣性系的概念剔除，從而把狹義相對(duì)性原理推廣從而把狹義相對(duì)性原理推廣為廣義相對(duì)性原理。為廣義相對(duì)性原理。2021-12-533實(shí)驗(yàn)證據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)(1) 水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)(2) 光線在引力場(chǎng)中的