大學(xué)物理【第五版下冊(cè)】第十四章相對(duì)論

1、引言引言經(jīng)典物理學(xué)的輝煌成就經(jīng)典物理學(xué)的輝煌成就經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué) 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué) 光學(xué)光學(xué) 電動(dòng)力學(xué)電動(dòng)力學(xué)物理學(xué)物理學(xué)經(jīng)典物理經(jīng)典物理現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理力學(xué)力學(xué)熱學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)電磁學(xué)光學(xué)光學(xué)相對(duì)論相對(duì)論量子論量子論非線性物理非線性物理從經(jīng)典物理學(xué)到近代物理過(guò)渡時(shí)期的重要實(shí)驗(yàn)事實(shí)從經(jīng)典物理學(xué)到近代物理過(guò)渡時(shí)期的重要實(shí)驗(yàn)事實(shí) 邁克爾遜邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)：莫雷實(shí)驗(yàn)：否定了絕對(duì)參考系的存在；否定了絕對(duì)參考系的存在； 經(jīng)典物理學(xué)解釋經(jīng)典物理學(xué)解釋熱輻射現(xiàn)象熱輻射現(xiàn)象時(shí)：出現(xiàn)時(shí)：出現(xiàn)“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”； 放射性放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：原子是可分的?，F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：原子是可分的。 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 原

2、子的線狀光譜原子的線狀光譜 愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦 ( ( Albert Einstein, 18791955 ) ) 20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)世紀(jì)最偉大的物理學(xué)改革家，相對(duì)論的創(chuàng)始改革家，相對(duì)論的創(chuàng)始人，主要科學(xué)業(yè)績(jī)：人，主要科學(xué)業(yè)績(jī)：早期對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究早期對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究狹義相對(duì)論的創(chuàng)建狹義相對(duì)論的創(chuàng)建推動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展推動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展建立了廣義相對(duì)論建立了廣義相對(duì)論1905年創(chuàng)建的年創(chuàng)建的狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論1916年創(chuàng)建的年創(chuàng)建的廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金1906年用量子理論說(shuō)明了年用量子理論說(shuō)明了固體熱容固體熱容與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系1912年

3、用年用光量子光量子概念建立了光化學(xué)概念建立了光化學(xué)定律定律1916年提出自年提出自激發(fā)射和受激發(fā)射激發(fā)射和受激發(fā)射的的概念，為激光的出現(xiàn)奠定了理論基概念，為激光的出現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)礎(chǔ)1924年提出了年提出了量子統(tǒng)計(jì)方法量子統(tǒng)計(jì)方法-玻色玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)法。愛(ài)因斯坦用廣義愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)法。愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論研究整個(gè)相對(duì)論研究整個(gè)宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦: Einstein: Einstein現(xiàn)代時(shí)空現(xiàn)代時(shí)空的創(chuàng)始人，二十世紀(jì)的哥白尼的創(chuàng)始人，二十世紀(jì)的哥白尼1999年：英國(guó)年：英國(guó)雜志推出的千年刊評(píng)選有史以來(lái)雜志推出的千年刊評(píng)選有史以來(lái)最杰出的十位物理學(xué)家：最杰出的十位物理

4、學(xué)家：1.愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦( (美籍德國(guó)人，美籍德國(guó)人，19211921* *) )，2.2.牛頓牛頓( (英國(guó)英國(guó)) )，3.3.麥克斯麥克斯韋韋( (英國(guó)英國(guó)), 4. ), 4. 玻爾玻爾( (丹麥，丹麥，1922)1922)， 5.5.海森伯海森伯( (德國(guó)，德國(guó)，1932)1932)，6.6.伽利略伽利略( (意大利意大利) )，7.7.費(fèi)因曼費(fèi)因曼( (美國(guó)，美國(guó)，1965), 8.1965), 8.狄拉克狄拉克( (英英國(guó)，國(guó)，1933)1933)，9.9.薛定諤薛定諤( (奧地利，奧地利，1933), 10.1933), 10.盧瑟福盧瑟福( (新西蘭新西蘭) ) 狹義相對(duì)論狹

5、義相對(duì)論 (Special Relativity) 研究研究 : 慣性系中物理規(guī)律及其變換慣性系中物理規(guī)律及其變換 揭示揭示 : 時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系 廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論(General Relativity) 研究研究:非慣性系中物理規(guī)律及其變非慣性系中物理規(guī)律及其變 換換 揭示揭示 : 時(shí)間、空間和物質(zhì)分布的關(guān)系時(shí)間、空間和物質(zhì)分布的關(guān)系 狹義相對(duì)論的建立經(jīng)歷了幾十年的時(shí)狹義相對(duì)論的建立經(jīng)歷了幾十年的時(shí)間，間，1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表了年愛(ài)因斯坦發(fā)表了論動(dòng)體的電論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)宣告了相對(duì)論的誕生。宣告了相對(duì)論的誕生。 十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，由于力學(xué)、十九世紀(jì)末

6、二十世紀(jì)初，由于力學(xué)、電磁場(chǎng)理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的相繼建立，電磁場(chǎng)理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的相繼建立，不少物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)的大廈已基本建不少物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)的大廈已基本建成，物理理論上的一些原則問(wèn)題已經(jīng)解決，成，物理理論上的一些原則問(wèn)題已經(jīng)解決，今后的任務(wù)就是在已知規(guī)律的公式中的小今后的任務(wù)就是在已知規(guī)律的公式中的小數(shù)點(diǎn)后面加上幾位數(shù)字就行了，數(shù)點(diǎn)后面加上幾位數(shù)字就行了，但是好景不長(zhǎng)，在物理學(xué)晴朗的天空上出但是好景不長(zhǎng)，在物理學(xué)晴朗的天空上出現(xiàn)了兩朵烏云，現(xiàn)了兩朵烏云，黑體輻射實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)量子理論誕生量子理論誕生 當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)26歲的愛(ài)因斯坦是瑞士專利局歲的愛(ài)因斯坦是瑞士專利局的一名雇員，他建

7、立狹義相對(duì)論，在國(guó)際的一名雇員，他建立狹義相對(duì)論，在國(guó)際理論學(xué)界已成為知名人士，但瑞士的教授理論學(xué)界已成為知名人士，但瑞士的教授們表示懷疑，不愿接納這位怪人，在世界們表示懷疑，不愿接納這位怪人，在世界上他的知音也寥寥無(wú)幾，只有德國(guó)的理論上他的知音也寥寥無(wú)幾，只有德國(guó)的理論權(quán)威，量子力學(xué)的創(chuàng)始人普朗克將愛(ài)因斯權(quán)威，量子力學(xué)的創(chuàng)始人普朗克將愛(ài)因斯坦譽(yù)為二十世紀(jì)的哥白尼。坦譽(yù)為二十世紀(jì)的哥白尼。邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)相對(duì)論誕生相對(duì)論誕生經(jīng)典的時(shí)空觀中時(shí)間、空間是不相干的。經(jīng)典的時(shí)空觀中時(shí)間、空間是不相干的。 運(yùn)動(dòng)的描寫是相對(duì)的，不同參照系下運(yùn)動(dòng)的描寫是相對(duì)的，不同參照系下運(yùn)動(dòng)的描寫不同

8、。選取兩個(gè)參照系，描寫運(yùn)動(dòng)的描寫不同。選取兩個(gè)參照系，描寫同一個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)、速度、加速度。同一個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)、速度、加速度。一個(gè)參照系相對(duì)靜止一個(gè)參照系相對(duì)靜止-S 系，系，另一個(gè)參照系沿另一個(gè)參照系沿 ox 軸以軸以 v 相對(duì)于S系 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)-S 系系，oyzxSyzxoSxxvtv vP0t時(shí)兩坐標(biāo)重合時(shí)兩坐標(biāo)重合xx0t 時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)在兩參照時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)在兩參照系下的坐標(biāo)系下的坐標(biāo) vtxx系S yy zzttvtxx系Syyzztt vtxx系Syyzztt由坐標(biāo)變換公式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)由坐標(biāo)變換公式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)dtdxuxvuxvdtdxdtdyuydtdyyuvuuxx系Syyuuzzuud

9、tdzuzdtdzzu經(jīng)典時(shí)空中速度滿足速度疊加原理。經(jīng)典時(shí)空中速度滿足速度疊加原理。vuuxx系Syyuuzzuuv vu uu uvtxx系Syyzztt經(jīng)典時(shí)空中速度滿足速度疊加原理。經(jīng)典時(shí)空中速度滿足速度疊加原理。vuuxx系Syyuuzzuu由速度變換公式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)由速度變換公式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)xxaayyaazzaadtduaxxxadtduxyyaazzaavuuxx系Syyuuzzuuxxaayyaazzaa同樣有同樣有a aa a不同慣性系下，描寫同一質(zhì)點(diǎn)的加速度相不同慣性系下，描寫同一質(zhì)點(diǎn)的加速度相同。同。 即經(jīng)典時(shí)空中牛頓第二定律適用于即經(jīng)典時(shí)空中牛頓第二定律適用于任何慣性系。

10、任何慣性系。amFmaF在慣性系中所有力學(xué)規(guī)律相同在慣性系中所有力學(xué)規(guī)律相同伽利略在封閉的勻速運(yùn)動(dòng)的船艙里進(jìn)行伽利略在封閉的勻速運(yùn)動(dòng)的船艙里進(jìn)行了一系列的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)不可能覺(jué)了一系列的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)不可能覺(jué)察出物體的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)規(guī)律和地面有察出物體的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)規(guī)律和地面有什么不同。什么不同。 經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀1、時(shí)間：、時(shí)間：同時(shí)性的絕對(duì)性：同時(shí)性的絕對(duì)性：在一慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩件事，在一慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩件事，在其它慣性系中也是同時(shí)發(fā)生的。在其它慣性系中也是同時(shí)發(fā)生的。在在S系中，系中， t1=t2，則由則由 t1=t1，t2=t2得在得在S系中系中 t1

11、= t2時(shí)間間隔測(cè)量的絕對(duì)性：時(shí)間間隔測(cè)量的絕對(duì)性：在在S系中，系中，D Dt=t2-t1，則由則由 t1=t1，t2=t2得在得在S系中系中D Dt=t2-t1=t2-t1=D Dt2、長(zhǎng)度：、長(zhǎng)度：關(guān)于長(zhǎng)度的定義及長(zhǎng)度測(cè)量的說(shuō)明：關(guān)于長(zhǎng)度的定義及長(zhǎng)度測(cè)量的說(shuō)明：桿的長(zhǎng)度由其兩端的坐標(biāo)差確定桿的長(zhǎng)度由其兩端的坐標(biāo)差確定 l=x2-x1靜止：端點(diǎn)坐標(biāo)值不隨時(shí)間變化，坐靜止：端點(diǎn)坐標(biāo)值不隨時(shí)間變化，坐標(biāo)測(cè)量可在不同時(shí)刻進(jìn)行標(biāo)測(cè)量可在不同時(shí)刻進(jìn)行運(yùn)動(dòng)：端點(diǎn)坐標(biāo)值隨時(shí)間變化，坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)：端點(diǎn)坐標(biāo)值隨時(shí)間變化，坐標(biāo)測(cè)量必須在同時(shí)刻進(jìn)行測(cè)量必須在同時(shí)刻進(jìn)行若不是同時(shí)測(cè)量，則坐標(biāo)差就不是桿的長(zhǎng)若不是同時(shí)測(cè)量

12、，則坐標(biāo)差就不是桿的長(zhǎng)度度空間的絕對(duì)性空間的絕對(duì)性S中，桿靜止，測(cè)得中，桿靜止，測(cè)得x2、x1，則，則l= x2- x1S系運(yùn)動(dòng)，在系運(yùn)動(dòng)，在S系中同時(shí)測(cè)量，當(dāng)時(shí)刻為系中同時(shí)測(cè)量，當(dāng)時(shí)刻為t 時(shí)，時(shí)， x1=x1-vt，x2=x2-vt S系中測(cè)得系中測(cè)得l=x2-x1=(x2+vt)-( x1+vt)=x2-x1=l 在彼此相對(duì)在彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性運(yùn)動(dòng)的慣性系中，測(cè)得系中，測(cè)得同一桿的長(zhǎng)同一桿的長(zhǎng)度是相同的度是相同的3.物體質(zhì)量對(duì)于一切慣性參照系物體質(zhì)量對(duì)于一切慣性參照系是相同的。即是相同的。即,mm 4. 經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理aa mm amF amF結(jié)論：結(jié)論：牛頓運(yùn)

13、動(dòng)定律對(duì)任何慣性系都是成立的。牛頓運(yùn)動(dòng)定律對(duì)任何慣性系都是成立的。推廣：推廣：對(duì)于所有的慣性系，牛頓力學(xué)的規(guī)律都應(yīng)對(duì)于所有的慣性系，牛頓力學(xué)的規(guī)律都應(yīng)有相同的形式有相同的形式力學(xué)相對(duì)性原理力學(xué)相對(duì)性原理。所有的慣性系都是相同的，各個(gè)慣性系都是等價(jià)的，不所有的慣性系都是相同的，各個(gè)慣性系都是等價(jià)的，不存在特殊的絕對(duì)的慣性系。存在特殊的絕對(duì)的慣性系。SFmaFS m a 經(jīng)典時(shí)空觀中時(shí)間與空間都是絕對(duì)的，經(jīng)典時(shí)空觀中時(shí)間與空間都是絕對(duì)的，彼此無(wú)關(guān)。彼此無(wú)關(guān)。1. .長(zhǎng)度不變，長(zhǎng)度不變，2. .時(shí)間不變，時(shí)間不變，3. .速度相加，速度相加，4. .絕對(duì)同時(shí)性，絕對(duì)同時(shí)性，5. .質(zhì)量不變，質(zhì)量不變

14、，6. .慣性系中所有力學(xué)規(guī)律相同。慣性系中所有力學(xué)規(guī)律相同。一、歷史背景一、歷史背景1、以太風(fēng)實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果、以太風(fēng)實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果19世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展 1865年麥克斯韋年麥克斯韋( Maxwell)總結(jié)出電磁場(chǎng)方程總結(jié)出電磁場(chǎng)方程組組; 預(yù)言了電磁波的存在預(yù)言了電磁波的存在, 并指出其速率各向均為并指出其速率各向均為c (真空中真空中)(與參考系無(wú)關(guān)與參考系無(wú)關(guān)); 1888年赫茲年赫茲(Hertz)在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的存在。存在。這顯然和伽利略變換矛盾這顯然和伽利略變換矛盾, 按伽利略變換按伽利略變換,光光速在一個(gè)參考系中若是速在一個(gè)參

15、考系中若是c, 在另一參考系中必在另一參考系中必不是不是c。麥克斯韋電磁理論與經(jīng)典力學(xué)有若麥克斯韋電磁理論與經(jīng)典力學(xué)有若干不一致的地方。干不一致的地方。 為不和伽利略變換矛盾為不和伽利略變換矛盾, , 人們假設(shè)人們假設(shè): :宇宙中宇宙中充滿了叫充滿了叫“以太以太 (ether)(ether)”的物質(zhì)的物質(zhì), , 電磁波靠電磁波靠“以太以太”傳播。把以太選作絕對(duì)靜止的參考系傳播。把以太選作絕對(duì)靜止的參考系; ; 電磁場(chǎng)方程組電磁場(chǎng)方程組只在只在“ 以太以太”參考系成立參考系成立; ; 電磁波電磁波在在“ 以太以太”參考系中參考系中速率各向?yàn)樗俾矢飨驗(yàn)閏 c。沒(méi)有質(zhì)量；沒(méi)有質(zhì)量； 完全透明；完全透

16、明；對(duì)運(yùn)動(dòng)物體沒(méi)有阻力；非常剛性。對(duì)運(yùn)動(dòng)物體沒(méi)有阻力；非常剛性。愛(ài)因斯坦認(rèn)為：這些困難是由于絕對(duì)愛(ài)因斯坦認(rèn)為：這些困難是由于絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的概念引起的?？臻g和絕對(duì)時(shí)間的概念引起的。按伽利略變換按伽利略變換, 電磁波相對(duì)于其他參考系電磁波相對(duì)于其他參考系(如如地球地球)速率就不會(huì)各向均勻速率就不會(huì)各向均勻, 而和此參考系相而和此參考系相對(duì)于對(duì)于“ 以太以太”的速度有關(guān)。的速度有關(guān)。若此若此, 如在地球上測(cè)光速如在地球上測(cè)光速,可能可能 c或或 c，同同時(shí)可以測(cè)出地球相對(duì)于以太的速度時(shí)可以測(cè)出地球相對(duì)于以太的速度 v尋找尋找“ 以太風(fēng)以太風(fēng)” 的熱潮的熱潮地球以每秒地球以每秒30公里的速度在其

17、軌道上繞太公里的速度在其軌道上繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)陽(yáng)旋轉(zhuǎn).太陽(yáng)系以每秒太陽(yáng)系以每秒20公里的速度在宇宙公里的速度在宇宙中飛馳中飛馳.要是以太真是以靜止的方式存在于要是以太真是以靜止的方式存在于絕對(duì)空間絕對(duì)空間中中,是一切物體運(yùn)動(dòng)賴以進(jìn)行的是一切物體運(yùn)動(dòng)賴以進(jìn)行的介質(zhì)介質(zhì),那么地球的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于以太來(lái)說(shuō)必然那么地球的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于以太來(lái)說(shuō)必然是顯著的是顯著的.把運(yùn)動(dòng)著的地球看作是不動(dòng)的把運(yùn)動(dòng)著的地球看作是不動(dòng)的,就就應(yīng)當(dāng)測(cè)出以太就像每秒應(yīng)當(dāng)測(cè)出以太就像每秒30公里的風(fēng)一樣吹公里的風(fēng)一樣吹過(guò)地球的表面過(guò)地球的表面.至少使用精密的光學(xué)儀器一至少使用精密的光學(xué)儀器一定能測(cè)出來(lái)定能測(cè)出來(lái).二、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)二、邁克爾

18、遜莫雷實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、?shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)量運(yùn)動(dòng)參考系（主要是地球）相對(duì)以太的速度。測(cè)量運(yùn)動(dòng)參考系（主要是地球）相對(duì)以太的速度。2、實(shí)驗(yàn)裝置：、實(shí)驗(yàn)裝置：邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀3、實(shí)驗(yàn)原理：、實(shí)驗(yàn)原理：地球定沿地球定沿GM1方向運(yùn)動(dòng)。若伽利略方向運(yùn)動(dòng)。若伽利略變換成立，光沿變換成立，光沿GM1速度為速度為c-v，光，光沿沿M1G，速度，速度c+v，光從，光從G-M1-G所所需時(shí)間為需時(shí)間為GM1M2v 221/12cvclvclvclt 以太風(fēng)以太風(fēng)GM1M2v光沿光沿GM2的速度和光沿的速度和光沿M2G的的速度速度光從光從G-M2-G所需時(shí)間為所需時(shí)間為 2/122vc 光沿光沿GM2光沿

19、光沿M2G 2/1222/1222/122cvclvclt G點(diǎn)發(fā)出的兩束光到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差點(diǎn)發(fā)出的兩束光到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差 cvcvclcvcvclcvclcvclttt D D 2112 /12/122222222/1222221光程差光程差22/clvtc D D 儀器旋轉(zhuǎn)儀器旋轉(zhuǎn)900，前后兩次光程變化，前后兩次光程變化2 ，干涉條紋移動(dòng)，干涉條紋移動(dòng)2222clvN D D測(cè)出條紋的離動(dòng)測(cè)出條紋的離動(dòng)D DN，可由上式計(jì)算出地球相對(duì)以太的絕對(duì)速度。，可由上式計(jì)算出地球相對(duì)以太的絕對(duì)速度。4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：零結(jié)果零結(jié)果在不同季節(jié)，不同地理?xiàng)l件下做實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有觀察到條在不同季節(jié)，

20、不同地理?xiàng)l件下做實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有觀察到條紋的移動(dòng)。紋的移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明：相對(duì)以太的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是不存在的，以太不能作為絕對(duì)參考相對(duì)以太的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是不存在的，以太不能作為絕對(duì)參考系，以太假設(shè)不能采用；系，以太假設(shè)不能采用；地球上沿各個(gè)方向的光速都是相等的。地球上沿各個(gè)方向的光速都是相等的。邁克耳遜邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)一直被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)一直被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)支柱。支柱。 結(jié)論結(jié)論. .以太不存在，光的傳播不需任何媒質(zhì)，以太不存在，光的傳播不需任何媒質(zhì)，可在真空中傳播，以太不能作絕對(duì)參照系?？稍谡婵罩袀鞑?，以太不能作絕對(duì)參照系。 . .地球上各方向光速相同，與地球運(yùn)動(dòng)地球上

21、各方向光速相同，與地球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。狀態(tài)無(wú)關(guān)。 邁克爾遜干涉儀由于可進(jìn)行精密測(cè)量，邁克爾遜干涉儀由于可進(jìn)行精密測(cè)量，1907年邁克爾遜獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年邁克爾遜獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。一、狹義相對(duì)論的基本原理一、狹義相對(duì)論的基本原理1、相對(duì)性原理：、相對(duì)性原理：物理定律在所有的慣性系中都是相同物理定律在所有的慣性系中都是相同的，即所有慣性系對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述都是的，即所有慣性系對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述都是等效的。等效的。2、光速不變?cè)恚?、光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑偈浅Ａ浚c光源或觀真空中的光速是常量，它與光源或觀察者的的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即不依賴于察者的的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即不依賴于慣性系的選擇。慣性系的選擇。1) 1

22、) 愛(ài)因斯坦的理論是牛頓理論的發(fā)展愛(ài)因斯坦的理論是牛頓理論的發(fā)展力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律說(shuō)明：說(shuō)明：一切物理規(guī)律一切物理規(guī)律2) 2) 光速不變與伽利略的速度相加原理光速不變與伽利略的速度相加原理針?shù)h相對(duì)針?shù)h相對(duì)嶄新的現(xiàn)代時(shí)空觀，嶄新的現(xiàn)代時(shí)空觀，引起了物理學(xué)的一引起了物理學(xué)的一次大革命，次大革命，把物理學(xué)由經(jīng)典物理帶入了把物理學(xué)由經(jīng)典物理帶入了近代物理的相對(duì)論世界。近代物理的相對(duì)論世界。1. .一切物理規(guī)律（力、熱、聲、光、電）一切物理規(guī)律（力、熱、聲、光、電）在慣性系中都相同。在慣性系中都相同。2. .光速不變否定了絕對(duì)時(shí)空概念。光速不變否定了絕對(duì)時(shí)空概念。 狹義相對(duì)論否定了伽利略變換，愛(ài)因狹義相

23、對(duì)論否定了伽利略變換，愛(ài)因斯坦找出了洛侖茲變換，發(fā)表于斯坦找出了洛侖茲變換，發(fā)表于1905年的年的論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)論文中。論文中。yoyzxSzxoSxxv vPP 點(diǎn)坐標(biāo)在點(diǎn)坐標(biāo)在 S 系和系和S系中坐標(biāo)變換分別為系中坐標(biāo)變換分別為2)/(1cvvtxx系Syyzz22)/(1/cvcvxttS為靜系，為靜系，S以以v v沿沿ox軸向右運(yùn)動(dòng)。軸向右運(yùn)動(dòng)。2)/(1cvvtxx系Syyzz22)/(1/cvcvxtt令令2)/(11cv211膨脹因子膨脹因子)(vtxx系Syyzz)/(2cvxtt)(vtxx系Syyzz)/(2cvxtt 這個(gè)公式洛侖茲這個(gè)公式洛侖茲1904

24、年在愛(ài)因斯坦發(fā)年在愛(ài)因斯坦發(fā)表相對(duì)論之前就推導(dǎo)出來(lái)，他已經(jīng)走到了表相對(duì)論之前就推導(dǎo)出來(lái)，他已經(jīng)走到了相對(duì)論的邊緣，相對(duì)論的邊緣，1cv/但是由于受到根深蒂固的絕對(duì)時(shí)空觀的影但是由于受到根深蒂固的絕對(duì)時(shí)空觀的影響，面對(duì)已發(fā)現(xiàn)的相對(duì)時(shí)空表示式，沒(méi)有響，面對(duì)已發(fā)現(xiàn)的相對(duì)時(shí)空表示式，沒(méi)有從中找到正確的物理含義。他說(shuō)從中找到正確的物理含義。他說(shuō) t 是真正是真正時(shí)間，時(shí)間，t 是輔助量，僅為數(shù)學(xué)方便而引入是輔助量，僅為數(shù)學(xué)方便而引入的。洛侖茲到的。洛侖茲到 1909 年還不能使自己完全年還不能使自己完全相信相對(duì)論，他說(shuō)：相信相對(duì)論，他說(shuō)：“在今天很多人提出在今天很多人提出了與昨天他們說(shuō)的話完全相反的主張

25、，我了與昨天他們說(shuō)的話完全相反的主張，我不知道科學(xué)是什么了，怨恨自己不能在不知道科學(xué)是什么了，怨恨自己不能在 500 年前死去，在他逝世前一年（年前死去，在他逝世前一年（1927 年）年）他更肯定地說(shuō)，對(duì)于他只有一個(gè)真正時(shí)間他更肯定地說(shuō)，對(duì)于他只有一個(gè)真正時(shí)間 t 。將正變換中的速度反號(hào)，并將帶撇的與將正變換中的速度反號(hào)，并將帶撇的與不帶撇的量相互交換，即得到逆變換；不帶撇的量相互交換，即得到逆變換；當(dāng)當(dāng)vc 時(shí)，時(shí)， 0，=1洛侖茲變換洛侖茲變換伽伽利略變換式；利略變換式；時(shí)空坐標(biāo)為實(shí)數(shù)時(shí)空坐標(biāo)為實(shí)數(shù), , =v/c 1，所以，所以vc。相。相對(duì)論預(yù)言光速為極限速度對(duì)論預(yù)言光速為極限速度.)

26、(vtxxyyzz)/(2cvxtt1112系S)(vtxx系Syyzz)/(2cvxttcv/2、洛侖茲坐標(biāo)變換的特點(diǎn)、洛侖茲坐標(biāo)變換的特點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)于垂直于運(yùn)動(dòng)方向的空間相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)于垂直于運(yùn)動(dòng)方向的空間尺寸沒(méi)有影響；尺寸沒(méi)有影響；運(yùn)動(dòng)方向上距離和時(shí)間測(cè)量結(jié)果在變運(yùn)動(dòng)方向上距離和時(shí)間測(cè)量結(jié)果在變換中換中“混合起來(lái)；混合起來(lái)；當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，洛侖茲當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，洛侖茲變換式就變?yōu)橘だ宰儞Q式。變換式就變?yōu)橘だ宰儞Q式。洛侖茲坐標(biāo)變換說(shuō)明兩個(gè)物體的相對(duì)洛侖茲坐標(biāo)變換說(shuō)明兩個(gè)物體的相對(duì)速度不可能超過(guò)光速。速度不可能超過(guò)光速。例例. .觀察者甲、乙，分別靜止在慣性系觀察者甲、乙

27、，分別靜止在慣性系 S,S 中，中， S 相對(duì)相對(duì) S 以以 u u 運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)， S 中一個(gè)固定中一個(gè)固定光源發(fā)出一束光與光源發(fā)出一束光與 u u 同向同向 B 正確的答案是正確的答案是： (A) (1),(2),(3); ; (B) (1),(4) (C) (2),(3); ; (D) (1),(3),(4) (1)乙測(cè)得光速為乙測(cè)得光速為 c . .(2)甲測(cè)得光速為甲測(cè)得光速為 c+u; ;(3)甲測(cè)得光速為甲測(cè)得光速為 cu ； (4)甲測(cè)得光相對(duì)于乙的速度為甲測(cè)得光相對(duì)于乙的速度為 cu。 一、同時(shí)性的相對(duì)性一、同時(shí)性的相對(duì)性1、同時(shí)性的相對(duì)性、同時(shí)性的相對(duì)性在慣性系在慣性系S中同

28、時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在慣性系中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在慣性系S中一般中一般來(lái)說(shuō)不再是同時(shí)發(fā)生的來(lái)說(shuō)不再是同時(shí)發(fā)生的同時(shí)性的相對(duì)性同時(shí)性的相對(duì)性。2、愛(ài)因斯坦火車、愛(ài)因斯坦火車SM A B S vS S愛(ài)因斯坦火車愛(ài)因斯坦火車S S地面參考系地面參考系在在S系中，事件系中，事件1與事件與事件2同時(shí)發(fā)同時(shí)發(fā)生。生。在在S系中，事件系中，事件1與事件與事件2不是同不是同時(shí)發(fā)生。時(shí)發(fā)生。3、解釋、解釋在在S系中，不同地點(diǎn)系中，不同地點(diǎn)x1與與x2同時(shí)發(fā)生兩件事同時(shí)發(fā)生兩件事21tt 021 D Dttt021Dxxx在在S系中系中 221cvxcvtt D D D D D D0 D Dt結(jié)論：結(jié)論：1.不

29、同地點(diǎn)發(fā)生的兩件事，對(duì)不同地點(diǎn)發(fā)生的兩件事，對(duì)S來(lái)說(shuō)是同來(lái)說(shuō)是同時(shí)發(fā)生的，而在時(shí)發(fā)生的，而在S系中不一定是同時(shí)發(fā)生系中不一定是同時(shí)發(fā)生的。的。021 D Dxxx0Dt2.在同一地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩件事，則在在同一地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩件事，則在不同的慣性系中也是同時(shí)發(fā)生的。不同的慣性系中也是同時(shí)發(fā)生的。若若t1t2，S系中，系中，事件事件1早于事件早于事件2；但是隨著但是隨著x2- x1的的取值不同，取值不同，t2-t1就就可能可能小于零、大于小于零、大于零或等于零零或等于零，兩事，兩事件的先后次序在不件的先后次序在不同的慣性系中可能同的慣性系中可能發(fā)生顛倒。發(fā)生顛倒。例例1、地球上、地球上, 在甲地

30、在甲地x1處處 時(shí)刻時(shí)刻t1 出生一小孩出生一小孩 小甲小甲 在乙地在乙地x2處處 時(shí)刻時(shí)刻t2 出生一小孩出生一小孩 小乙小乙 兩小孩的出生完全是兩獨(dú)立事件。兩小孩的出生完全是兩獨(dú)立事件。甲甲 乙乙 x1 x2S若甲乙兩地相距若甲乙兩地相距 x2 - x1 = 3000公里公里 t2 - t1 = 0.006秒秒,即甲先乙后即甲先乙后 甲甲-哥哥, 乙乙-弟弟飛船上看飛船上看,若若u = 0.6c, 可得可得t 2 - t 1 =0, 甲乙同時(shí)出生甲乙同時(shí)出生不分哥弟不分哥弟若若u = 0.8c可得可得t 2 - t 1 0t2 - t1 = t2 - t1 - (x2 - x1)uc2 1

31、 - 2t2 - t1 = 1 - 2t2 - t1 1 - uc2x2 - x1t2 - t1 s =x2 - x1t2 - t1信號(hào)速度信號(hào)速度 s ct 2 - t 1 和和 t2 - t1 同號(hào)同號(hào)S 中和中和S 中時(shí)序相同。中時(shí)序相同。 有因果關(guān)系的事件有因果關(guān)系的事件 時(shí)序不會(huì)顛倒因果關(guān)系不變。時(shí)序不會(huì)顛倒因果關(guān)系不變。愛(ài)因斯坦列車愛(ài)因斯坦列車 由于光速不變，在由于光速不變，在S系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)系中不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，在生的兩個(gè)事件，在S系中不在是同時(shí)的了。系中不在是同時(shí)的了。 在列車中部一光在列車中部一光源發(fā)出光信號(hào)，在列源發(fā)出光信號(hào)，在列車車中中 AB 兩個(gè)接收器兩個(gè)

32、接收器同時(shí)收到光信號(hào)，同時(shí)收到光信號(hào)， ABv vxyoxyo但在地面來(lái)看，由于光速不變，但在地面來(lái)看，由于光速不變，A 先收到，先收到，B 后收到后收到 。oyzxSozxSv vy1x2x1. . 在在 S 系中系中不同地點(diǎn)不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生同時(shí)發(fā)生的兩事件，的兩事件，, 21tt0tD)/(2cxvttDDD0 xD, 21xx由由02/cxvD在在 S 系中這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的。系中這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生的。說(shuō)明同時(shí)具有相對(duì)性，時(shí)間的量度是相對(duì)的說(shuō)明同時(shí)具有相對(duì)性，時(shí)間的量度是相對(duì)的 . 和和光速不變光速不變緊密聯(lián)系在一起的是：在某一慣性系緊密聯(lián)系在一起的是：在某一慣性系中中同時(shí)同時(shí)

33、發(fā)生的兩個(gè)事件，在相對(duì)于此慣性系運(yùn)動(dòng)的另發(fā)生的兩個(gè)事件，在相對(duì)于此慣性系運(yùn)動(dòng)的另一慣性系中觀察，并一慣性系中觀察，并不一定是同時(shí)不一定是同時(shí)發(fā)生的發(fā)生的 .2. . 在在 S 系中系中相同地點(diǎn)相同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生同時(shí)發(fā)生的兩事件，的兩事件，, 21tt0tD)/(2cxvttDDD0 xD, 21xx由由0oyzxSozxSv vyx在在 S 系中這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的。系中這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的。. . 在在 S 系中系中不同地點(diǎn)不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生同時(shí)發(fā)生的兩事件，的兩事件，在在 S 系中這兩個(gè)事件系中這兩個(gè)事件不是同時(shí)發(fā)生不是同時(shí)發(fā)生的。的。. .在在 S 系中系中相同地點(diǎn)相同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生同時(shí)發(fā)

34、生的兩事件，的兩事件，在在 S 系中這兩個(gè)事件是系中這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生同時(shí)發(fā)生的。的。. .當(dāng)當(dāng) v c時(shí)時(shí), m將為虛數(shù)將為虛數(shù),無(wú)意義無(wú)意義, c是一切物體速度的極限是一切物體速度的極限。(與洛侖茲變換與洛侖茲變換所得結(jié)論一致所得結(jié)論一致)(4)對(duì)于光子對(duì)于光子, 速度為速度為c ,而而m又不可能為無(wú)限又不可能為無(wú)限大大 , 所以光子的靜止質(zhì)量所以光子的靜止質(zhì)量m0 = 0(5)如如 c ,則則m m0回到牛頓力學(xué)情況回到牛頓力學(xué)情況,符合符合“ 對(duì)應(yīng)原理對(duì)應(yīng)原理”。二、狹義相對(duì)論力學(xué)的基本方程二、狹義相對(duì)論力學(xué)的基本方程 20/1)(cvvmdtdvmdtddtpdF狹義相對(duì)狹義相對(duì)論

35、力學(xué)的論力學(xué)的基本方程基本方程1、相對(duì)論的力學(xué)方程、相對(duì)論的力學(xué)方程2、動(dòng)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律常矢量20/1cvvmvmpiiiii三、質(zhì)量與能量的關(guān)系三、質(zhì)量與能量的關(guān)系1、推導(dǎo)、推導(dǎo) vdpdxdtdpdxFExk設(shè)一質(zhì)點(diǎn)在變力的作用下，由靜止開(kāi)始沿設(shè)一質(zhì)點(diǎn)在變力的作用下，由靜止開(kāi)始沿x軸作一維運(yùn)動(dòng)。軸作一維運(yùn)動(dòng)。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的速度為當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的速度為v時(shí)，它所具有的動(dòng)能等于外力所作的功時(shí)，它所具有的動(dòng)能等于外力所作的功 pdvpvdvdp vkpdvpvE0 20/1cvvmp vkdvcvvmcvvmE02202220/1/12022202220/1/1cmcvcmcvvmEk 20/1cv

36、mm 202202222)/1(cmmccmcvmcmvEk 當(dāng)當(dāng)vc時(shí)時(shí)22222221121111cvcvcv 2020222020222020221)211( 1vmcmccvmcmccvmcmmcEK 又回到了牛頓力學(xué)的動(dòng)能公式又回到了牛頓力學(xué)的動(dòng)能公式2、經(jīng)典力學(xué)近似、經(jīng)典力學(xué)近似3、能量公式、能量公式202cmEmck mc2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的總能量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的總能量m0c2質(zhì)點(diǎn)靜止時(shí)所具有的靜能量質(zhì)點(diǎn)靜止時(shí)所具有的靜能量即質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能是總能量與靜能量之差。即質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能是總能量與靜能量之差。質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系2mcE 2cmED D D D結(jié)論：結(jié)論：一定的質(zhì)量相應(yīng)于一定的能量

37、，二者的數(shù)一定的質(zhì)量相應(yīng)于一定的能量，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 。能量守恒能量守恒 常常量量 2cmEii質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒常常量量 im1)1)20cmE靜任何宏觀靜止的物體具有的能量任何宏觀靜止的物體具有的能量?jī)?nèi)部結(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)各層次粒子的能量的總和。構(gòu)各層次粒子的能量的總和。靜止能包括物體內(nèi)各部分的靜止能包括物體內(nèi)各部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和相互作用勢(shì)能相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和相互作用勢(shì)能熱能熱能 分子動(dòng)能、勢(shì)能分子動(dòng)能、勢(shì)能化學(xué)能化學(xué)能使原子結(jié)合的能量使原子結(jié)合的能量電磁能電磁能使核和電子結(jié)合的能量使核和電子結(jié)合的能量結(jié)合能結(jié)合能核子間的結(jié)合能核子間的結(jié)合能 以及各組成部

38、分以及各組成部分(電子電子、中子中子、質(zhì)子質(zhì)子等等)的靜止能的靜止能 1 kg的物體的物體E0 = 9 1016 J 1 kg的汽油的汽油 燃燒值燃燒值=4.6 107 J (是是E0的二十億分之一的二十億分之一)內(nèi)涵內(nèi)涵:2) 2) E E = =mcmc2 2 : : 統(tǒng)一了歷史上分別發(fā)現(xiàn)的能量守恒和質(zhì)量守恒這統(tǒng)一了歷史上分別發(fā)現(xiàn)的能量守恒和質(zhì)量守恒這兩條獨(dú)立的自然規(guī)律。兩條獨(dú)立的自然規(guī)律。相對(duì)論性質(zhì)量可以認(rèn)為是能量的量度。相對(duì)論性質(zhì)量可以認(rèn)為是能量的量度。粒子物理中常使用粒子質(zhì)量為粒子物理中常使用粒子質(zhì)量為MevMev的說(shuō)法。的說(shuō)法。重要意義重要意義：E = mc2為開(kāi)創(chuàng)原子能時(shí)代提為開(kāi)

39、創(chuàng)原子能時(shí)代提供了理論基礎(chǔ)供了理論基礎(chǔ), 被看被看作是具有劃時(shí)代意義作是具有劃時(shí)代意義的理論公式的理論公式, 已成為已成為紀(jì)念愛(ài)因斯坦偉大功紀(jì)念愛(ài)因斯坦偉大功績(jī)的標(biāo)志?？?jī)的標(biāo)志。相對(duì)論為相對(duì)論為人類開(kāi)辟了可謂取之人類開(kāi)辟了可謂取之不盡的新能源。不盡的新能源。5).5).原子核反應(yīng)原子核反應(yīng)3).3).物體靜止時(shí)，物體靜止時(shí)，v=0，20cmE0E4).4).物體動(dòng)能物體動(dòng)能EEEEkD0202cmmcEk20)(cmm2mcD能量可以轉(zhuǎn)變成質(zhì)量能量可以轉(zhuǎn)變成質(zhì)量能量能量質(zhì)量質(zhì)量能量能量質(zhì)量質(zhì)量202cmEmcEk核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆愛(ài)因斯坦說(shuō)愛(ài)因斯坦說(shuō):能量除非被釋放出來(lái)能量除非被釋放出來(lái),否則就

40、否則就不可能被觀察到不可能被觀察到.好比一個(gè)非常有錢的人好比一個(gè)非常有錢的人,他他從來(lái)不花一分錢從來(lái)不花一分錢,那就沒(méi)有誰(shuí)能說(shuō)出他究竟那就沒(méi)有誰(shuí)能說(shuō)出他究竟有沒(méi)有錢有沒(méi)有錢.但在日常生活中但在日常生活中,系統(tǒng)能量的變化在其總能系統(tǒng)能量的變化在其總能量中所占的百分比一般不大量中所占的百分比一般不大.例如例如C+O2CO2過(guò)程中放出過(guò)程中放出 能量能量,其能量變化必說(shuō)明系統(tǒng)的質(zhì)量有變化其能量變化必說(shuō)明系統(tǒng)的質(zhì)量有變化.J19105 . 6kgCEm362102 . 7DD此只占此只占CO2分子質(zhì)分子質(zhì)量的萬(wàn)億分之一量的萬(wàn)億分之一,實(shí)際很難觀察到實(shí)際很難觀察到.在發(fā)生放射性蛻變過(guò)程中在發(fā)生放射性蛻變

41、過(guò)程中(某些物質(zhì)的某些物質(zhì)的原子原子核核能發(fā)生能發(fā)生衰變衰變，放出我們?nèi)庋劭床灰?jiàn)也感，放出我們?nèi)庋劭床灰?jiàn)也感覺(jué)不到的射線，只能用專門的儀器才能探覺(jué)不到的射線，只能用專門的儀器才能探測(cè)到的測(cè)到的射線射線。物質(zhì)的這種性質(zhì)叫放射性。物質(zhì)的這種性質(zhì)叫放射性。),每個(gè)單位質(zhì)量就能釋放出像愛(ài)因斯坦關(guān)系每個(gè)單位質(zhì)量就能釋放出像愛(ài)因斯坦關(guān)系中所講的那么大的能量中所講的那么大的能量.可以推斷可以推斷:在最重在最重的核發(fā)生分裂反應(yīng)或最輕的核進(jìn)行聚合反的核發(fā)生分裂反應(yīng)或最輕的核進(jìn)行聚合反應(yīng)時(shí)應(yīng)時(shí),都能釋放出大量的能量都能釋放出大量的能量.1克鈾裂變釋放的能量是克鈾裂變釋放的能量是1克煤的克煤的250萬(wàn)倍。萬(wàn)倍。1克

42、氘聚變釋放能量克氘聚變釋放能量是鈾的是鈾的4倍，煤的倍，煤的1000萬(wàn)倍。萬(wàn)倍。核電站核電站1937年年1月柏林出版的月柏林出版的自然科學(xué)自然科學(xué)中有一中有一篇哈恩和施特拉斯曼合著的篇哈恩和施特拉斯曼合著的論鈾在中子轟論鈾在中子轟擊下所形成的堿土金屬的認(rèn)定及其行為擊下所形成的堿土金屬的認(rèn)定及其行為,公布了一個(gè)奇特的實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布了一個(gè)奇特的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:被中子轟擊過(guò)被中子轟擊過(guò)的第的第92號(hào)元素鈾中出現(xiàn)了第號(hào)元素鈾中出現(xiàn)了第88號(hào)元素鐳號(hào)元素鐳.后后經(jīng)證實(shí)哈恩搞錯(cuò)了經(jīng)證實(shí)哈恩搞錯(cuò)了,他們說(shuō)的鐳應(yīng)是第他們說(shuō)的鐳應(yīng)是第56號(hào)號(hào)元素鋇元素鋇.重要的是重要的是:每個(gè)鈾核在發(fā)生裂變時(shí)每個(gè)鈾核在發(fā)生裂變時(shí),質(zhì)質(zhì)

43、量減少了量減少了,則按則按 計(jì)算計(jì)算,釋放出了釋放出了2億電子伏特的能量?jī)|電子伏特的能量.后來(lái)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)后來(lái)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn):在原子核裂變過(guò)程中伴隨有中子產(chǎn)生在原子核裂變過(guò)程中伴隨有中子產(chǎn)生,產(chǎn)生產(chǎn)生的中子可引起新的鈾核裂變的中子可引起新的鈾核裂變.2mcEDD 靠這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就可以使鈾的裂變一靠這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就可以使鈾的裂變一直能進(jìn)行下去直能進(jìn)行下去,使存在的鈾核全部進(jìn)入裂使存在的鈾核全部進(jìn)入裂變過(guò)程變過(guò)程,這樣剎那間這樣剎那間,億萬(wàn)卡熱量就將沖騰億萬(wàn)卡熱量就將沖騰出來(lái)出來(lái),兇猛無(wú)比兇猛無(wú)比. 既然這樣既然這樣,在實(shí)驗(yàn)室里為什么尚未發(fā)在實(shí)驗(yàn)室里為什么尚未發(fā)生這種情況呢生這種情況呢?玻爾通

44、過(guò)研究很快找到了答案玻爾通過(guò)研究很快找到了答案:鈾鈾235,只有只有提煉出它的同位素提煉出它的同位素,而且要達(dá)到一定的數(shù)量而且要達(dá)到一定的數(shù)量- 臨界點(diǎn)才能發(fā)生這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)臨界點(diǎn)才能發(fā)生這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng).1940年美年美國(guó)首先完成了這種有巨大威力的秘密武器國(guó)首先完成了這種有巨大威力的秘密武器-原子彈的研制原子彈的研制.四、質(zhì)能公式在原子核裂變核聚變中的應(yīng)用四、質(zhì)能公式在原子核裂變核聚變中的應(yīng)用1、核裂變、核裂變有些重原子核能分裂成兩個(gè)較輕的核，同時(shí)釋放能量，這有些重原子核能分裂成兩個(gè)較輕的核，同時(shí)釋放能量，這個(gè)過(guò)程稱為個(gè)過(guò)程稱為裂變裂變。nSrXenU1095381395410235922 生成物

45、的總靜質(zhì)量比鈾生成物的總靜質(zhì)量比鈾-235的質(zhì)量要減少的質(zhì)量要減少 0.22u，因此，因此一個(gè)鈾一個(gè)鈾-235在裂變時(shí)釋放的能量為在裂變時(shí)釋放的能量為(1u=1.661010-27-27kgkg) Mev200J103 . 3103)1066. 122. 0(1128272 D D D D cmEQ由于氚核的質(zhì)量比鈾由于氚核的質(zhì)量比鈾-235核的質(zhì)量小，所以就單位質(zhì)核的質(zhì)量小，所以就單位質(zhì)量而言，輕核聚變釋放的能量要比重核裂變時(shí)釋放的量而言，輕核聚變釋放的能量要比重核裂變時(shí)釋放的能量大得多。能量大得多。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)n2SrXenU109538139541023592氙 鍶2、輕核聚變、輕核

46、聚變有些輕原子核結(jié)合在一起形成較大原子核，同時(shí)釋放能量，有些輕原子核結(jié)合在一起形成較大原子核，同時(shí)釋放能量，這個(gè)過(guò)程稱為這個(gè)過(guò)程稱為聚變聚變。HeHH422121 生成物的總靜質(zhì)量比兩個(gè)氚核的質(zhì)量要減少生成物的總靜質(zhì)量比兩個(gè)氚核的質(zhì)量要減少 0.026u，因此，因此兩個(gè)氚核在聚變時(shí)釋放的能量為兩個(gè)氚核在聚變時(shí)釋放的能量為 Mev24J1087. 3103)1066. 1026. 0(1228272 D D D D cmEQ1kg這樣的這樣的核燃料釋放能量約為核燃料釋放能量約為:3.351014 J 1kg優(yōu)質(zhì)煤燃燒熱為：優(yōu)質(zhì)煤燃燒熱為：2.93107J 兩者相差兩者相差107倍，即倍，即1kg

47、核燃料核燃料 1千萬(wàn)公斤煤！千萬(wàn)公斤煤！22202cPEE由相對(duì)論能量由相對(duì)論能量2mcE20cm220)/(1cvcm兩邊平方兩邊平方2202222)()/1 ()(cmcvmc22222022)()(cvmcmmc五、動(dòng)量和能量的關(guān)系五、動(dòng)量和能量的關(guān)系, mvP, 200cmE2mcE22222022)()(cvmcmmc有有22202cPEEPcE. .對(duì)對(duì) m0=0 的光子其速度才能達(dá)到的光子其速度才能達(dá)到 c，光光子能量子能量22222022)()(cvmcmmcpcEE0光子能量光子能量,PcEhE光子質(zhì)量光子質(zhì)量2cEm2ch光子動(dòng)量光子動(dòng)量cEPchh. .由愛(ài)因斯坦光量子假

48、設(shè)，由愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)，hE普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)sJ1063.634h 光子頻率光子頻率實(shí)物粒子光子v cvcv=c質(zhì)量 m動(dòng)量 p總能量E靜能E。動(dòng)能Ek關(guān)系式常數(shù)0mm0mm20; 0cEcpmmvm0vm0cEmc/20cmE KEcmE200221mvEk2cmE 200cmE 0EEEk2mcEEK00EpcEEk22202cPEE P287例例1 設(shè)一質(zhì)子以速度設(shè)一質(zhì)子以速度 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng). 求其總求其總能量、動(dòng)能和動(dòng)量能量、動(dòng)能和動(dòng)量.c80. 0v解解 質(zhì)子的靜能質(zhì)子的靜能MeV938200cmEMeV1563MeV)8 . 01 (938121222202ccmmcEvMeV6

49、2520kcmEE119220smkg1068. 61cmmpvvvMeV1250)(2202cmEcpcpMeV1250也可也可如此計(jì)算如此計(jì)算MeV628.1875)H(2120cmMeV944.2808)H(3120cmMeV409.3727)He(4220cmMeV573.939)n(1020cmP288例例2 已知一個(gè)氚核已知一個(gè)氚核 和一個(gè)氘核和一個(gè)氘核 可聚變可聚變成一氦核成一氦核 , 并產(chǎn)生一個(gè)中子并產(chǎn)生一個(gè)中子 , 試問(wèn)這個(gè)核聚試問(wèn)這個(gè)核聚變中有多少能量被釋放出來(lái)變中有多少能量被釋放出來(lái) . H)(21H)(31e42Hn10nHeHH10423121解解 核聚變反應(yīng)式核聚變

50、反應(yīng)式17.59MeVDE氘核和氚核聚變?yōu)楹ず说倪^(guò)程中，靜能量減少了氘核和氚核聚變?yōu)楹ず说倪^(guò)程中，靜能量減少了例例1 1：把電子從把電子從v1 =0.9c 加速到加速到 v2=0.97c 時(shí)電子的質(zhì)量增加多少？時(shí)電子的質(zhì)量增加多少？解：解： v1 時(shí)的電子能量為時(shí)的電子能量為v2 時(shí)的電子能量為時(shí)的電子能量為211cmE222cmE能量增量能量增量2212)(mccmmEDD201cm202cm0122)(mcEmDD)90.01197.011(22311011.9Kg1037.430例例2 2：在核電站中將在核電站中將 1kg 的鈾全部裂變可的鈾全部裂變可產(chǎn)生多大能量？產(chǎn)生多大能量？解：解：

51、2mcE)J(10916281031）（ 小結(jié)：小結(jié)：1、狹義相對(duì)論揭露了空間和時(shí)間之間，以及時(shí)空和運(yùn)動(dòng)、狹義相對(duì)論揭露了空間和時(shí)間之間，以及時(shí)空和運(yùn)動(dòng)物質(zhì)之間的深刻聯(lián)系，把牛頓力學(xué)中認(rèn)為互不相關(guān)的絕對(duì)物質(zhì)之間的深刻聯(lián)系，把牛頓力學(xué)中認(rèn)為互不相關(guān)的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間，結(jié)合稱為一種統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的存在形空間和絕對(duì)時(shí)間，結(jié)合稱為一種統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的存在形式。式。2、與經(jīng)典力學(xué)相比較，狹義相對(duì)論更客觀、更真實(shí)地反、與經(jīng)典力學(xué)相比較，狹義相對(duì)論更客觀、更真實(shí)地反映了自然的規(guī)律。狹義相對(duì)論已經(jīng)被大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證映了自然的規(guī)律。狹義相對(duì)論已經(jīng)被大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證實(shí)，而且成為研究宇宙星體、粒子物理以及一系列工程物實(shí)，而且成為研究宇宙星體、粒子物理以及一系列工程物理等問(wèn)題的基礎(chǔ)。理等問(wèn)題的基礎(chǔ)。3、在宏觀、低速物體的運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)仍然是十分精確、在宏觀、低速物體