第十四章相對(duì)論-電腦基礎(chǔ)知識(shí)-IT計(jì)算機(jī)-專(zhuān)業(yè)資料課件

第十四章相對(duì)論1近代物理學(xué)(1900年—1930年)1.量子力學(xué)

揭示了微觀世界的基本規(guī)律，使人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了一個(gè)飛躍，為原子物理、固體物理和粒子物理學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。2.相對(duì)論

給出了高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)規(guī)律，并從根本上改變了許多世紀(jì)以來(lái)所形成的有關(guān)時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的陳舊概念，建立了新的時(shí)空觀，揭示了質(zhì)量和能量的內(nèi)在聯(lián)系，開(kāi)始了萬(wàn)有引力本質(zhì)的探索。量子力學(xué)和相對(duì)論已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)以及現(xiàn)代工程技術(shù)不可缺少的理論基礎(chǔ)。214-1伽利略變換式牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀

一、經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理伽利略變換式

1.力學(xué)相對(duì)性原理(或伽利略相對(duì)性原理)(1)在彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的所有慣性系中，物體運(yùn)動(dòng)所遵循的力學(xué)的基本定律—牛頓定律的形式是完全相同的，具有完全相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式?；蛘哒f(shuō)力學(xué)規(guī)律對(duì)于一切慣性系都是等價(jià)的。(2)在一切慣性系內(nèi)的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能確定該慣性系是靜止的還是作勻速直線運(yùn)動(dòng)的。32.慣性系

牛頓定律成立的參考系，稱(chēng)為慣性參考系，簡(jiǎn)稱(chēng)慣性系。一個(gè)遠(yuǎn)離其他一切物體，而且沒(méi)有自轉(zhuǎn)的物體是慣性參照系，一切相對(duì)于該物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系也是慣性參照系。牛頓定律就是在這樣的參照系中成立。3.伽利略實(shí)驗(yàn)只要運(yùn)動(dòng)是勻速的，你就無(wú)法從下面其中任何一個(gè)現(xiàn)象來(lái)確定船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)。4(1)你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來(lái)得遠(yuǎn),雖然你跳在空中時(shí),腳下的船底板向著你跳的反方向移動(dòng)。(2)你向上拋小球，小球依然會(huì)落在你的手中，雖然在小球拋出的過(guò)程中，你隨船已前進(jìn)了一段距離。(3)水滴將仍然滴進(jìn)下面的罐子,一滴也不會(huì)滴向船尾,雖然水滴在空中時(shí),船已行駛了相當(dāng)距離。56二、伽利略變換t時(shí)刻物體到達(dá)P點(diǎn)，坐標(biāo)、速度和加速度分別為：S—慣性系;S'—相對(duì)S運(yùn)動(dòng)的慣性系;v—相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為。t＝t'=0時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)O和O'重合。伽利略變換是伽利略相對(duì)性原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式。7(1)正變換(2)逆變換1.伽利略坐標(biāo)變換根據(jù)絕對(duì)時(shí)空觀，兩慣性系中時(shí)間同樣均勻的流逝著，所以，任何時(shí)刻都有：t=t'。82.速度變換與加速度變換(1)速度變換正變換逆變換結(jié)論：在兩個(gè)慣性系中9(2)加速度變換正變換v

是恒量逆變換結(jié)論：在兩個(gè)慣性系中10三、牛頓定律具有伽利略變換不變性在牛頓力學(xué)中質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)、力與參考系無(wú)關(guān)牛頓力學(xué)規(guī)律在伽利略變換下形式不變。由于力學(xué)中各種守恒定律例如能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和角動(dòng)量守恒定律都可以證明為牛頓定律的推論，所以力學(xué)規(guī)律對(duì)伽利略變換是不變的。即力學(xué)規(guī)律對(duì)一切慣性系都是等價(jià)的。11四、經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀(絕對(duì)時(shí)空觀)

在狹義相對(duì)論建立之前，科學(xué)家們普遍認(rèn)為：時(shí)間和空間都是絕對(duì)的?？梢悦撾x物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而存在，并且時(shí)間與空間沒(méi)有任何聯(lián)系。

“絕對(duì)空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無(wú)關(guān)而且永遠(yuǎn)是等同的和不動(dòng)的。”“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性而均勻地、與任何其他外界事物無(wú)關(guān)地流逝著?！薄ｎD，《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，1687年。

絕對(duì)時(shí)空觀符合人們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)和習(xí)慣。121.時(shí)間間隔如果有兩個(gè)事件先后發(fā)生，在兩個(gè)慣性系中觀察者測(cè)得的時(shí)間間隔為：時(shí)間間隔和慣性系的選擇沒(méi)有關(guān)系。2.空間間隔如果在空間有任意兩點(diǎn)，在兩個(gè)慣性系中的坐標(biāo)分別為空間任意兩點(diǎn)之間的距離和慣性系的選擇沒(méi)有關(guān)系。133.結(jié)論在不同的慣性系中，時(shí)間間隔和空間間隔的測(cè)量與參考系的選擇和觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。即時(shí)空和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是互相分割的，無(wú)聯(lián)系的。4.經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀在經(jīng)典力學(xué)中，物體的坐標(biāo)和速度是相對(duì)的，但是，時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量這三個(gè)基本物理量是絕對(duì)的，同時(shí)性也是絕對(duì)的。1414-2邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)一、以太參考系1.以太

傳播光和電磁波的彈性介質(zhì)稱(chēng)為以太(實(shí)際并不存在)。2.以太的特點(diǎn)(1)以太充滿整個(gè)空間,包括真空,并可以滲透到一切物質(zhì)的內(nèi)部中去。(2)在相對(duì)于以太靜止的參考系中,光的速度在各個(gè)方向是相同的。該參考系稱(chēng)為以太參考系。(3)以太參考系可以作為“絕對(duì)參照系”。15二、運(yùn)動(dòng)參考系中光傳播的速度1.運(yùn)動(dòng)參考系S'

相對(duì)于絕對(duì)參考系S(以太參考系)以速度v運(yùn)動(dòng)的參考系。2.光在運(yùn)動(dòng)參考系S'中的傳播速度在運(yùn)動(dòng)參考系中光在各個(gè)方向的傳播速度不同。16三、邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)1.邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)裝置S—光源,發(fā)射波長(zhǎng)為

的光;M1、M2—平面鏡;G—半反半透鏡;T—望遠(yuǎn)鏡目鏡;l—G到M1、M2的距離。從S'系看172.參考系的組成(1)S系

以太參考系(絕對(duì)參考系)選為S系。(2)S'系把固定在地球上的實(shí)驗(yàn)裝置選為S'系(又稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)室參考系),其對(duì)于S系的運(yùn)動(dòng)速度為3.S'系中光從G→M1,再由M1→G所需要的時(shí)間t1為：184.S‘系中光從G→M2,再由M2→G所需要的時(shí)間t2為：5.S'系中G點(diǎn)發(fā)出的兩束光到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差為:196.S'系中G點(diǎn)發(fā)出的兩束光到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的光程差為:7.S'系中,實(shí)驗(yàn)裝置旋轉(zhuǎn)900,G點(diǎn)發(fā)出的兩束光到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的光程差為:208.在此過(guò)程中,干涉條紋移動(dòng)

N條式中l(wèi)、c、

均為已知,如果能測(cè)出條紋移動(dòng)的條數(shù)

N,就能計(jì)算出地球相對(duì)于以太的絕對(duì)速度。9.實(shí)驗(yàn)結(jié)果始終沒(méi)有得到預(yù)期的結(jié)果。邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)否定了以太存在。2114-3狹義相對(duì)論的基本原理洛倫茲變換式一、伽利略變換的困難1.電磁理論已經(jīng)證實(shí)真空中的光速c

是普適常量。2.通過(guò)電磁實(shí)驗(yàn)可以找到“絕對(duì)參照系”。3.問(wèn)題—實(shí)踐已經(jīng)證明，描述宏觀電磁現(xiàn)象規(guī)律的麥克斯韋方程組不具有伽利略變換的不變性，不同慣性系中方程組的形式是不同的。(1)如果不同，則必然導(dǎo)致各慣性系不等價(jià)——應(yīng)存在一個(gè)特殊的慣性系(以太)。(2)如果相同，則坐標(biāo)變換后方程組的形式應(yīng)保持不變。224.兩種可能(1)伽利略變換正確—麥克斯韋方程組必須修正。(2)麥克斯韋方程組正確—伽利略變換必須修正。

5.結(jié)果

在所有慣性系中，真空中光沿各方向傳播的速率都相同，都等于c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與伽利略變換乃至整個(gè)經(jīng)典力學(xué)不相容。6.問(wèn)題的解決

1905年26歲的愛(ài)因斯坦在《物理年鑒》發(fā)表了著名的論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》。他從一個(gè)全新的角度考慮所有問(wèn)題，提出兩個(gè)基本假設(shè)，徹底解決了上述困難。23二、愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)1.愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理(狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理)物理定律在所有的何慣性系中都具有相同的表達(dá)形式。即所有慣性系運(yùn)動(dòng)的描述都是等效的。對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述只有相對(duì)意義,絕對(duì)靜止的參考系是不存在的。2.光速不變?cè)砉庠谡婵罩械乃俣扰c發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān),即在彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的任一慣性系中，所測(cè)得的光在真空中沿各個(gè)方向的速率是相等的。24

光速不變?cè)砼c伽利略的速度相加原理相矛盾，否定了伽利略坐標(biāo)變換，動(dòng)搖了絕對(duì)時(shí)空觀和經(jīng)典力學(xué)體系。觀念上的變革牛頓力學(xué)時(shí)間標(biāo)度長(zhǎng)度標(biāo)度質(zhì)量的測(cè)量與參考系無(wú)關(guān)速度與參考系有關(guān)(相對(duì)性)狹義相對(duì)論力學(xué)長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量與參考系有關(guān)(相對(duì)性)光速不變時(shí)空觀的革命253.尊重事實(shí)，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)光速不變是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的，并不斷被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。牛頓力學(xué)定律是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)的，它應(yīng)是新坐標(biāo)變換式和新的力學(xué)規(guī)律在一定條件下的近似。例如：

0介子以0.99975c的高速飛行，它在飛行中發(fā)生衰變，輻射出高能量光子，測(cè)得的光子的實(shí)驗(yàn)室速度仍然為c。4.真空中的光速26三、洛侖茲變換愛(ài)因斯坦根據(jù)兩個(gè)基本假設(shè)，建立了新的坐標(biāo)變換公式—洛侖茲變換式。洛侖茲變換是關(guān)于一個(gè)事件在兩個(gè)慣性系中的兩組時(shí)空坐標(biāo)之間的變換關(guān)系。洛侖茲變換是既適用于經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，又適用于新力學(xué)的坐標(biāo)變換。其導(dǎo)出的根據(jù)是：時(shí)空均勻性；空間各向同性；相對(duì)性原理與光速不變?cè)怼?/p>

新的時(shí)空變換必須是線性的，否則，測(cè)得的棒的長(zhǎng)度將與棒的空間位置有關(guān)，兩事件的時(shí)間間隔也將與觀察者的鐘從何時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)有關(guān)。27t時(shí)刻物體到達(dá)P點(diǎn)，坐標(biāo)、速度和加速度分別為：S—靜止的慣性系;S'—相對(duì)S運(yùn)動(dòng)的慣性系;v—相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為。t＝t'=0時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)O和O'重合1.參考系配置282.洛侖茲坐標(biāo)變換式(1)正變換29(2)洛倫茲坐標(biāo)逆變換30討論(1)在洛侖茲變換下，空間與時(shí)間都不再是不變的量了，而是與S系和S'系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度

v緊密相關(guān)。(2)經(jīng)典的時(shí)空觀已經(jīng)失效，時(shí)間坐標(biāo)與空間坐標(biāo)(稱(chēng)為時(shí)空坐標(biāo))有關(guān)。在不同的慣性系中，一般t≠t'。(3)時(shí)間與空間坐標(biāo)都是實(shí)數(shù)，v

<c。宇宙中任何物體的運(yùn)動(dòng)速度不可能等于或超過(guò)真空中的光速。(4)伽利略變換是洛侖茲變換在低速情況下的一種極限。如果v<<c,則有

→0,

→1。洛侖茲變換過(guò)渡到伽利略變換。31三、相對(duì)論速度變換公式由洛侖茲坐標(biāo)變換上面兩式之比1.速度定義設(shè)質(zhì)點(diǎn)P相對(duì)于S系和S’系的速度分別為ux和u’x。定義：32由洛侖茲變換知同理可得：332.洛侖茲速度變換式逆變換正變換34例：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(wèn)：從地面上看，物體速度多大？(如果發(fā)射的是一束光束，從地面上看，光束的速度多大？)解：選飛船參考系為S'系地面參考系為S系3514-4狹義相對(duì)論時(shí)空觀

一、兩事件在不同慣性系中的時(shí)間間隔與空間間隔的變換事件1事件2空間間隔時(shí)間間隔36二、“同時(shí)”的相對(duì)性1.同時(shí)不同地“同時(shí)”的相對(duì)性2.同時(shí)同地“同時(shí)”的絕對(duì)性3.兩相互無(wú)關(guān)獨(dú)立事件時(shí)間次序可能顛倒顛倒374.有因果關(guān)系的事件(關(guān)連事件)，時(shí)間次序不會(huì)顛倒∵u≯c,ux≯c;∴

t'必與

t同號(hào)。關(guān)連事件的時(shí)序是絕對(duì)的，物體的運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)的相互作用傳播的極限速度是光速，這也是因果律的要求，這說(shuō)明相對(duì)論與因果律的一致性。例如：在某處先發(fā)射一枚導(dǎo)彈，后擊中目標(biāo)，否則會(huì)違背因果關(guān)系，也與相對(duì)性原理相矛盾。3839Einsteintrain地面參考系在火車(chē)上分別放置信號(hào)接收器。發(fā)一閃光信號(hào)。在兩接收器的中點(diǎn)放置光信號(hào)發(fā)生器。例1愛(ài)因斯坦火車(chē)事件1接收到閃光;事件2接收到閃光研究的問(wèn)題——兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔。40事件1、事件2不同時(shí)發(fā)生。事件1先發(fā)生。M'處閃光光速也為c。S系中的觀察者：M'發(fā)出的閃光光速為c。同時(shí)接收到光信號(hào)。事件1、事件2同時(shí)發(fā)生。隨S'運(yùn)動(dòng)。A'迎著光，比B'早接收到光。411.同時(shí)的相對(duì)性是光速不變?cè)淼闹苯咏Y(jié)果；2.發(fā)生在不同地點(diǎn)的兩件事的同時(shí)性是相對(duì)的概念;

沿兩個(gè)慣性系運(yùn)動(dòng)方向，不同地點(diǎn)發(fā)生的兩個(gè)事件，在其中一個(gè)慣性系中是同時(shí)的，在另一慣性系中觀察則不同時(shí)，所以同時(shí)具有相對(duì)意義；3.只有在同一地點(diǎn)，同一時(shí)刻發(fā)生的兩個(gè)事件，在其他慣性系中觀察也是同時(shí)的。4.當(dāng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于c時(shí)，兩個(gè)慣性系結(jié)果相同。42三、長(zhǎng)度的收縮(動(dòng)尺變短)1.原長(zhǎng)(固有長(zhǎng)度)棒靜止時(shí)測(cè)得的它的長(zhǎng)度。也稱(chēng)靜長(zhǎng)。棒靜止在S'系中，靜長(zhǎng)l0。2.當(dāng)S'以速度

v

相對(duì)S系運(yùn)動(dòng)，S系測(cè)得棒的長(zhǎng)度值是什么呢？3.同時(shí)測(cè)的條件是:

t=0。434.原長(zhǎng)最長(zhǎng)由洛侖茲變換l<l0,這一現(xiàn)象稱(chēng)為物體沿運(yùn)動(dòng)方向“長(zhǎng)度收縮效應(yīng)”。事件1：測(cè)棒的左端事件2：測(cè)棒的右端棒長(zhǎng)44討論(1)在相對(duì)物體靜止的慣性系中測(cè)得物體的長(zhǎng)度最長(zhǎng),稱(chēng)為固有長(zhǎng)度或靜止長(zhǎng)度。(2)相對(duì)論長(zhǎng)度收縮只發(fā)生在運(yùn)動(dòng)方向上，在與運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向上不發(fā)生長(zhǎng)度收縮。(3)僅當(dāng)u與c可以比擬時(shí)“長(zhǎng)度收縮”才明顯。(4)相對(duì)論“長(zhǎng)度收縮”是相對(duì)論效應(yīng)，是時(shí)空的屬性。與物體的具體組成和結(jié)構(gòu)及物之間的相互作用無(wú)關(guān)。(5)運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，S'系中觀察者看S系中的尺縮短了，同時(shí)，S系的觀察者看S'系中的尺也縮短了。(6)時(shí)間與長(zhǎng)度隨慣性系的運(yùn)動(dòng)速率

v

而變化，這與牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀是不相容的。在低速下

伽利略變換。45例1

設(shè)想有一光子火箭，相對(duì)于地球以速率v=0.95c直線飛行，若以火箭為參考系測(cè)得火箭長(zhǎng)度為15m，問(wèn)以地球?yàn)閰⒖枷担嘶鸺卸嚅L(zhǎng)？火箭參照系地面參照系解：從地球側(cè)的火箭的長(zhǎng)度為4.68m。46例2

長(zhǎng)為1m的棒靜止地放在O'x'y'平面內(nèi)，在S'系的觀察者測(cè)得此棒與O'x'軸成450角，試問(wèn)從S系的觀察者來(lái)看，此棒的長(zhǎng)度以及棒與

Ox軸的夾角是多少？設(shè)S'系相對(duì)S系的運(yùn)動(dòng)速度解：在S'系，在S

系：47四、時(shí)間的延緩(運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢)48S'系中同一地點(diǎn)x'處發(fā)生了兩個(gè)事件,S'系的觀測(cè)者測(cè)量的兩個(gè)事件經(jīng)歷的時(shí)間間隔為：時(shí)間間隔：S系中的觀測(cè)者記錄的上述兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻:49固有時(shí)間(原時(shí))某一參考系中同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為固有時(shí)間(或稱(chēng)為原時(shí))。用τ0表示。鐘慢效應(yīng)

S系中的觀測(cè)者把相對(duì)于它運(yùn)動(dòng)的S'系中那只種和自己系中的一系列鐘相比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的鐘(S'系)要比靜止的鐘(S系)走的慢。這以現(xiàn)象稱(chēng)為時(shí)間延緩效應(yīng)或鐘慢效應(yīng)。50討論1.在慣性系中，同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔最短。它是靜止于此慣性系中的鐘測(cè)出的。在其它運(yùn)動(dòng)的慣性系中測(cè)得該時(shí)間間隔變長(zhǎng)。2.S系中的觀測(cè)者把相對(duì)于他運(yùn)動(dòng)的那只S'系的鐘和自己的一系列位于不同地點(diǎn)的同步鐘對(duì)比，發(fā)現(xiàn)S'系的鐘走慢了。同樣S'系中的觀測(cè)者把相對(duì)于他運(yùn)動(dòng)的那只S系的鐘和自己的一系列位于不同地點(diǎn)的同步的鐘對(duì)比，發(fā)現(xiàn)S系的鐘走慢了。不同慣性系的共同結(jié)論是：對(duì)本慣性系作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢。513.運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢實(shí)際上不僅限于計(jì)時(shí)裝置變慢，是指一切發(fā)生在運(yùn)動(dòng)物體上的過(guò)程相對(duì)靜止的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)都變慢了。即運(yùn)動(dòng)參考系中的時(shí)間節(jié)奏變慢了，在其中的一切物理、化學(xué)過(guò)程，乃至觀測(cè)者的生命節(jié)奏都變慢了。4.運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢，是光速不變?cè)淼闹苯油普?，是時(shí)空的屬性，是時(shí)間量度的相對(duì)性的客觀反映，并不涉及時(shí)鐘的任何機(jī)械原因和原子內(nèi)部的任何過(guò)程。例如，1971年曾有人將調(diào)準(zhǔn)的兩臺(tái)銫原子鐘，其中一臺(tái)置于地球，另一臺(tái)隨飛機(jī)繞地球航行一周后降落于原處，然后對(duì)兩臺(tái)鐘的讀數(shù)作比較，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)上的鐘比地面上的鐘慢，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值相符合。52例3

設(shè)想一光子火箭以v=0.95c速率相對(duì)地球作直線運(yùn)動(dòng),火箭上宇航員的計(jì)時(shí)器記錄他觀測(cè)星云用去10min,則地球上的觀察者測(cè)此事用去多少時(shí)間？運(yùn)動(dòng)的鐘似乎走慢了。解:設(shè)火箭為S'系、地球?yàn)镾系:5314-5光的多普勒效應(yīng)1.多普勒效應(yīng)

如果波源或觀察者相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波的頻率將不同于波源的振動(dòng)頻率，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)(多普勒1842年首先發(fā)現(xiàn))。2.光的多普勒效應(yīng)A、B重合時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)54(1)在S'系中,光源B在

tB時(shí)間內(nèi)發(fā)射了NB個(gè)頻率為νB

的波前,這些波前都以光速傳播。第NB個(gè)波前傳播的距離:c·

tB55(2)在S系中,

W測(cè)得的信號(hào)持續(xù)時(shí)間為:A開(kāi)始接收光信號(hào)的時(shí)刻為:A接收最后一個(gè)光信號(hào)的時(shí)刻為:56整個(gè)光信號(hào)被探測(cè)器接收所經(jīng)歷的時(shí)間為57(3)發(fā)出和接收的波前數(shù)應(yīng)該相等(4)若光源與探測(cè)器相向運(yùn)動(dòng),探測(cè)器接收到的頻率為583.結(jié)果分析(1)本征頻率光源發(fā)出的光頻率稱(chēng)為本征頻率。(2)紅移現(xiàn)象當(dāng)光源和探測(cè)器相互遠(yuǎn)離時(shí),探測(cè)器測(cè)得光的頻率要小于光的本征頻率,這種現(xiàn)象稱(chēng)為紅移。(3)藍(lán)移現(xiàn)象當(dāng)光源和探測(cè)器相向運(yùn)動(dòng)時(shí),探測(cè)器測(cè)得光的頻率要大于光的本征頻率,這種現(xiàn)象稱(chēng)為藍(lán)移。4.應(yīng)用5914-6相對(duì)論性動(dòng)量和能量

一、質(zhì)量和動(dòng)量1.牛頓第二定律與洛倫茲變換相矛盾如果m是常量，當(dāng)F與v方向一致時(shí)，只要時(shí)間t足夠長(zhǎng)，速度v

總會(huì)達(dá)到并超過(guò)光速c，這與相對(duì)論結(jié)論不符，也與高能物理實(shí)驗(yàn)相矛盾。2.相對(duì)論性動(dòng)量動(dòng)量守恒與能量守恒應(yīng)具有洛倫茲變換不變性，相對(duì)論性動(dòng)量表達(dá)式應(yīng)為：60(質(zhì)速關(guān)系)3.相對(duì)論性質(zhì)量12340.20.41.000.60.856761任何運(yùn)動(dòng)學(xué)方法都不能使物體獲得超光速的運(yùn)動(dòng)。由于空間的各向同性，質(zhì)量與速度方向無(wú)關(guān)，質(zhì)量具有相對(duì)意義。v

的上限是c。m0—靜止質(zhì)量(不變質(zhì)量)相對(duì)論性動(dòng)量62二、狹義相對(duì)論力學(xué)的基本方程由可得：相對(duì)論力學(xué)基本方程1.相對(duì)論力學(xué)基本方程632.動(dòng)量守恒定律

如果作用在質(zhì)點(diǎn)系上的合外力為零,則系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。64三、質(zhì)量與能量的關(guān)系1.相對(duì)論動(dòng)能

動(dòng)能定理應(yīng)該是合理的。設(shè)計(jì)質(zhì)點(diǎn)從靜止，通過(guò)力作功，使動(dòng)能增加。①②平方可得微分并除以2m，可得65經(jīng)典動(dòng)能由利用泰勒展開(kāi)式：課堂討論相對(duì)論動(dòng)能物理本質(zhì)探析662.相對(duì)論能量EK—運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量m0c2—靜止時(shí)的能量除動(dòng)能以外的能量任何宏觀靜止的物體具有能量。相對(duì)論質(zhì)量是能量的量度。物質(zhì)的質(zhì)量和能量之間有密切的聯(lián)系?？偰芰肯鄬?duì)論質(zhì)能關(guān)系673.質(zhì)量虧損孤立系統(tǒng)中，E=EK+m0c2=常數(shù)。重核裂變、輕核聚變,發(fā)生靜止質(zhì)量減少的現(xiàn)象—“質(zhì)量虧損”。慣性質(zhì)量的增加和能量的增加相聯(lián)系，能量的改變必然導(dǎo)致質(zhì)量的相應(yīng)變化，這是相對(duì)論的又一極其重要的推論。68質(zhì)量虧損原子質(zhì)量單位放出的能量1.核裂變1g

鈾—235的原子裂變釋放的能量四、質(zhì)能公式在原子核裂變和聚變中的應(yīng)用69原子彈爆炸（核裂變）70我國(guó)于1958年建成的首座重水反應(yīng)堆71秦山核電站全景圖在建的陽(yáng)江核電站效果圖72在建的江蘇連云港田灣核電站732.輕核聚變釋放能量質(zhì)量虧損輕核聚變條件:溫度達(dá)到108K時(shí)，使21H具有10keV的動(dòng)能，足以克服兩21H之間的庫(kù)侖排斥力。氘核氦核741967年6月17日，中國(guó)第一顆氫彈爆炸成功75例2：兩全同粒子以相同的速率v相向運(yùn)動(dòng)，碰后復(fù)合。求：復(fù)合粒子的速度和質(zhì)量由能量守恒損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成靜能。解：設(shè)復(fù)合粒子質(zhì)量為M，速度為。碰撞過(guò)程，動(dòng)量守恒：761.能量守恒

能量守恒(孤立系統(tǒng))是總能量守恒：而系統(tǒng)或物體的靜能與動(dòng)能在過(guò)程前后都可以發(fā)生變化。質(zhì)量和能量之間存在一定的當(dāng)量關(guān)系，這意味著哪里有質(zhì)量，哪里就有能量，反之亦然，質(zhì)能關(guān)系的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)、不可分割的辯證唯物主義的結(jié)論。2.質(zhì)能不可分討論77五、動(dòng)量與能量的關(guān)系兩邊平方后乘c2得:動(dòng)量靜能動(dòng)量:78光子:光子動(dòng)量又只有靜止質(zhì)量為零的粒子,才能以光速運(yùn)動(dòng)。79例1設(shè)一質(zhì)子以速度v=0.80c運(yùn)動(dòng)。求其總能量、動(dòng)能和動(dòng)量。解:質(zhì)子的靜能80動(dòng)量也可如此計(jì)算:81解:

核聚變反應(yīng)式:例2

已知一個(gè)氚核和一個(gè)氘核可聚變成一氦核,并產(chǎn)生一個(gè)中子,試問(wèn)這個(gè)核聚變中有多少能量被釋放出來(lái)。82氘核和氚核聚變?yōu)楹ず说倪^(guò)程中，靜能量減少了:83例3

靜止的帶電

＋介子的半衰期為1.77×10-8s(不穩(wěn)定粒子數(shù)目減少一半經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為半衰期，即當(dāng)t=T1/2時(shí)，N=N0/2)。今有一束平行運(yùn)動(dòng)的

＋介子，速率為0.99c，在離

＋介子源(加速器中的靶)39m處，發(fā)現(xiàn)它的強(qiáng)度已經(jīng)減少為原來(lái)強(qiáng)度的一半，試解釋這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果。解:(