相對(duì)論-大學(xué)物理

熱學(xué)：黑體輻射（1899）量子物理Planck1900狹義相對(duì)論Einstein1905十九世紀(jì)八十年代，經(jīng)典物理達(dá)到“黃金時(shí)代”光學(xué)：邁克耳遜－莫雷實(shí)驗(yàn)（1887）第三章相對(duì)論近代物理誕生的歷史背景

-------世紀(jì)之交物理學(xué)六大懸案1.邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)---尋找以太的企圖失敗(1887);2.固體和氣體的熱容量,理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致;3.氫光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1885)4.原子的組成及其穩(wěn)定性(1896,1897,1911)5.1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)---波動(dòng)說之困難;6.熱輻射中的紫外災(zāi)難第一個(gè)導(dǎo)致了1905年的狹義相對(duì)論后五個(gè)問題導(dǎo)致了量子論的誕生狹義相對(duì)論不考慮物質(zhì)質(zhì)量對(duì)時(shí)空的影響

1905年《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》論文廣義相對(duì)論考慮質(zhì)量對(duì)時(shí)空的影響關(guān)于引力的理論狹義相對(duì)論:關(guān)于時(shí)、空與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的理論1879年3月，出生在德國(guó)的一個(gè)猶太家庭。6歲學(xué)習(xí)小提琴。上學(xué)后，成績(jī)平平，但愛動(dòng)腦筋，12歲曾證明勾股定理。1896年，進(jìn)入蘇黎士工業(yè)大學(xué)。童年時(shí)的愛因斯坦

愛因斯坦(1879-1955)簡(jiǎn)介博聞苦思，好學(xué)進(jìn)取“如果我以速度c追隨一條光線運(yùn)動(dòng)，我應(yīng)當(dāng)看到什么現(xiàn)象呢？”年輕時(shí)的愛因斯坦16歲時(shí),愛因斯坦就思考:A=X+Y+ZA-成就X-努力工作Y-懂得休息Z-少說廢話成功秘訣

o與o’重合時(shí)，tt’zz’yy’vtxx’===-=zzyyxxvv’vv’vvv’==-=zyxxa’a’aa’===ayaz一、伽利略變換:P(x,y,z,t)(x’,y’,z’,

t’)vz’vtzS3-1狹義相對(duì)論產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和歷史條件力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中形式相同。（或：在研究力學(xué)規(guī)律時(shí)，一切慣性系都是等價(jià)的。）二、力學(xué)相對(duì)性原理,經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為：質(zhì)量與坐標(biāo)系無關(guān)即即牛頓運(yùn)動(dòng)方程對(duì)伽里略變換是不變的。注：以上推導(dǎo)已經(jīng)不自覺地對(duì)時(shí)間和空間的性質(zhì)作了某些假設(shè)。2、時(shí)間也是與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無關(guān)而永恒地、均勻地流逝著，是絕對(duì)不變的。1、空間的量度（如兩點(diǎn)間距離）與慣性系無關(guān)，是絕對(duì)不變的。三、伽利略變換的困難(經(jīng)典力學(xué)的困難)1)

光速c

2)速度合成法則實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)：能觀測(cè)到0.37條的條紋移動(dòng)。實(shí)際結(jié)果：沒有觀測(cè)到條紋移動(dòng)。即邁克爾孫－莫雷實(shí)驗(yàn)零結(jié)果。四、邁克爾孫－莫雷實(shí)驗(yàn)（1887年）ba1M2MPPM1=PM2900邁克爾孫－莫雷實(shí)驗(yàn)零結(jié)果意味著：

2、電磁現(xiàn)象也滿足物理理論的相對(duì)性原理。1、根本就不存在一個(gè)假想的以太參照系?！涡紊男扪a(bǔ)”以太風(fēng)”學(xué)說3-2狹義相對(duì)論基本原理洛侖茲變換一、狹義相對(duì)論兩個(gè)基本假設(shè)：1、相對(duì)性原理：物理學(xué)定律在任何慣性系中都是相同的。

2、光速不變?cè)恚涸谒袘T性系中，測(cè)得光在真空中的速率都是相同的?；颍憾?、洛侖茲變換：P(x,y,z,t)(x’,y’,z’,

t’)vz’vtzS1、在洛侖茲變換下，一切物理定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式保持不變。3、光速是自然界的極限速度。2、相對(duì)論將時(shí)間和空間，時(shí)空與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來。4、在日常時(shí)間，v<<c，，洛侖茲變換過渡到伽利略變換。說明：四、洛侖茲速度變換將上式中u以-u代入可得：(S’S)(SS’)幾點(diǎn)討論：1.倒逆性：,則不論u多大，恒有,則不論u多大，恒有2.驗(yàn)證了光速不變?cè)恚?則不論u多大，恒有,則不論u多大，恒有例2：設(shè)想一飛船以0.80c的速度在地球上空飛行，如果這時(shí)從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體，物體相對(duì)飛船速度為0.90c

。問：從地面上看，物體速度多大？s解：選飛船參考系為S'系地面參考系為S系yxx1x2t1t2v愛因斯坦火車以v勻速通過車站（S系），S系：兩閃電同時(shí)（t1=t2)擊中車尾(x1)和車頭(x2)問：S’系（火車）：兩閃電是否同時(shí)擊中車尾和車頭？一、同時(shí)的相對(duì)性3-3狹義相對(duì)論時(shí)空觀根據(jù)洛侖茲變換：可見：在S’系（火車）上觀察，擊中車頭的閃電比擊中車尾的閃電要早些。2、在一個(gè)慣性系中不同時(shí)，也不同地發(fā)生的兩件事，在另一慣性系中倒有可能同時(shí)發(fā)生。1、在一個(gè)慣性系中同時(shí)不同地發(fā)生的兩事件，在別的慣性系中就不同時(shí)發(fā)生。3、同時(shí)同地發(fā)生的兩事件，在所有慣性系中都同時(shí)同地發(fā)生。結(jié)論：二、長(zhǎng)度的相對(duì)性:長(zhǎng)度縮短/動(dòng)尺縮短yxt1t2x1x2在S系中觀察者看來，此棒長(zhǎng)為：x’x1’x2’y’vS’系中有一靜止的棒，固有長(zhǎng)度為L(zhǎng)0,占有坐標(biāo)為、即沿運(yùn)動(dòng)方向，物體的長(zhǎng)度要收縮。說明：1、在相對(duì)物體為靜止的慣性系中測(cè)得的物體長(zhǎng)度是最長(zhǎng)的，稱固有長(zhǎng)度。2、時(shí)，3、時(shí)，4、測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度，必須對(duì)其兩端的坐標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。[不能說“看到”]5、長(zhǎng)度的收縮只發(fā)生在運(yùn)動(dòng)方向上，在與運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向不發(fā)生長(zhǎng)度收縮。例：立方體邊長(zhǎng)為a，則體積為a3，若該立方體沿一邊長(zhǎng)方向運(yùn)動(dòng)，則體積為多大？解：體積變小了.例：一根米尺沿著它的長(zhǎng)度方向相對(duì)你以0.6c速度運(yùn)動(dòng)，米尺通過你面前所需時(shí)間是

解一錯(cuò)誤！解二)s(

1044×.0c6.0t

9-==lD正確！附:高速運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量形象與視覺形象三、時(shí)間間隔的相對(duì)性:

時(shí)間延緩——運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢在S’系：x’處固定有一只鐘，測(cè)得該處兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間分別為t1’、t2’。在S系：觀察者測(cè)得兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間分別為t1、t2。

由即：S系測(cè)得的時(shí)間要長(zhǎng)些，說明S’系上的鐘“走慢了”。SS’SS’SS’討論：時(shí)間膨脹又叫時(shí)鐘變慢。

vvSOS3OS系上的人測(cè)出該過程經(jīng)歷了’S3O’SO系上的人測(cè)出該過程也經(jīng)歷了’S相對(duì)于自己運(yùn)動(dòng)的人的手表走得慢。1、在相對(duì)于某個(gè)慣性系靜止的一點(diǎn)，觀察兩個(gè)事件的時(shí)間間隔最短，稱為固有時(shí)間。說明：2、時(shí)鐘變慢是相對(duì)的，并非機(jī)械故障。不能說明哪個(gè)時(shí)鐘是正確的或錯(cuò)誤的。3、時(shí)，日常生活中觀察不出這種效應(yīng)，并非沒有此效應(yīng)。例2、一飛船以u(píng)=9×103m/s的速率相對(duì)于地面勻速飛行。飛船上的鐘走了5s,地面上的鐘經(jīng)過了多少時(shí)間？思路：飛船上的鐘走了5s，比地面上的鐘經(jīng)過的時(shí)間要慢。孿生子佯謬孿生子效應(yīng)可用儀器來模擬1971年銫原子鐘向東繞的鐘慢59納秒向西繞的鐘快27納秒例：觀察者甲測(cè)得同一地點(diǎn)發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔為4秒，乙相對(duì)甲以0.6c的速度運(yùn)動(dòng)，則乙觀察這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔為:5秒三、相對(duì)論時(shí)鐘延緩和長(zhǎng)度收縮的近代實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證*不穩(wěn)定的基本粒子（如m、p粒子）產(chǎn)生后經(jīng)一定時(shí)間自動(dòng)衰變?yōu)槠渌Ｗ?。這些粒子在它們自身的慣性系中有各自確定的平均壽命，稱固有壽命t。例1、+介子固有壽命為2.6×10-8s,在高能加速器中+介子獲得0.75c的速度,實(shí)驗(yàn)室測(cè)得+介子在衰變前通過的距離是多少？2、若考慮相對(duì)論效應(yīng)，則有3、實(shí)驗(yàn)室測(cè)得結(jié)果：解：1、若不考慮相對(duì)論效應(yīng)，則有例3：半人馬星座a星是距太陽(yáng)最近的恒星，它距地球,設(shè)有一宇宙飛船自地球飛到該星，飛船對(duì)地速度v=0.99c，地球上的鐘測(cè)得多少年？若以飛船上的鐘計(jì)算，又為多少年？解：以地球上的鐘計(jì)算：以飛船上的鐘計(jì)算：說明此題與實(shí)際不符，全球的能量供給飛船，也不可能達(dá)到0.999c。飛船若以20km/s飛行，需要6.8萬年。在s中：先開槍，后鳥死在s中：是否能發(fā)生先鳥死，后開槍？時(shí)序:兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間順序。在s中：t1t2>前事件1：t1x1()，開槍后，事件2：t2x2()鳥死子彈v

四、時(shí)序與因果律v=t1t2x1x2()()子彈速度信號(hào)傳遞速度所以由因果率聯(lián)系的兩事件的時(shí)序不會(huì)顛倒。在s中：仍然是開槍在前，鳥死在后。在s中：cut1=2t1β12x1cut2=2t2β12x2=t2t1β12c2)()1(>0uvt2t1vc2u>因?yàn)樗?，t2t1>3-4狹義相對(duì)論動(dòng)力學(xué)

一、動(dòng)量、質(zhì)量、速度的關(guān)系1、動(dòng)質(zhì)量公式：討論（1）m:相對(duì)論質(zhì)量,m0:靜質(zhì)量。（2）v：物體相對(duì)于某一參照系的速度。（3）可認(rèn)為質(zhì)量與速度無關(guān)，等于其靜質(zhì)量。（4）以光速運(yùn)動(dòng)的粒子（如光子、中微子等），它們的靜質(zhì)量必為零。2、動(dòng)量公式：牛頓第二定律的原始形式：運(yùn)動(dòng)物體在恒力作用下，沒有恒定的加速度。3、相對(duì)論中的動(dòng)能

物體的動(dòng)能就是使物體從靜止開始運(yùn)動(dòng)到速度為v時(shí)，合外力所作的功。力的沖量等于動(dòng)量的改變量.相對(duì)論動(dòng)能討論4、靜能、總能靜能：總能：動(dòng)能：5、質(zhì)能關(guān)系式6、原子能的預(yù)言Einstein指出：如果使粒子系統(tǒng)的靜質(zhì)量減少，它就會(huì)釋放出的巨大能量。例、試計(jì)算氫彈爆炸中核聚變反應(yīng)之一所釋放出的能量，其聚變方程為各種粒子的靜止質(zhì)量為：氘核：m1=3.3437×10-27kg氚核：m2=5.0049×10-27kg氦核：m3=606425×10-27kg中子：m4=1.6750×10-27kg解：質(zhì)量虧損為：相應(yīng)釋放的能量為：1kg這種核燃料所釋放的能量為：這相當(dāng)于同質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)煤燃燒所釋放熱量的1千多萬倍！二、能量與動(dòng)量關(guān)系式注：存在“無質(zhì)量”粒子的可能性。這些粒子具有動(dòng)量、能量，但沒有靜質(zhì)量（），即：E=cp結(jié)論：一個(gè)靜質(zhì)量為零的粒子，在任一慣性系中都只能以光速運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)不會(huì)停止。對(duì)光子：動(dòng)量基本方程動(dòng)能總能（質(zhì)能關(guān)系）動(dòng)量與能量的關(guān)系質(zhì)量靜能相對(duì)論動(dòng)力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)對(duì)比例：一電子以v=0.99c的速率運(yùn)動(dòng)，求：1）電子的總能量。

2）電子的經(jīng)典力學(xué)動(dòng)能Ek0

與相對(duì)論動(dòng)能Ek之比。（me=9.1×10-31kg)解：1）2）1955年4月18日，由于大動(dòng)脈破裂，愛因斯坦去世,享年76歲。

1955年4月18日，百年科學(xué)巨匠、物理“至尊”愛因斯坦溘然長(zhǎng)逝；50年后的這一天一項(xiàng)最重