第十四章相對論

第十四章相對論第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四本章目錄14-1伽利略變換式牛頓的絕對時(shí)空觀14-2邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)14-3狹義相對論的基本原理洛倫茲變換式14-4狹義相對論的時(shí)空觀物理學(xué)第五版14-6相對論性動(dòng)量和能量第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四*系相對于系以勻速沿軸運(yùn)動(dòng)，兩參照系中同一事件的時(shí)空關(guān)系:3第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四速度變換加速度變換在兩相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中,牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有相同的形式------力學(xué)的相對性原理4第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四二經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀絕對空間:空間與運(yùn)動(dòng)無關(guān),空間絕對靜止.空間的度量與慣性系無關(guān),絕對不變．絕對時(shí)間:時(shí)間均勻流逝,與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無關(guān),所有慣性系有統(tǒng)一的時(shí)間.牛頓力學(xué)的相對性原理,在宏觀、低速的范圍內(nèi),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的.5第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四伽利略變換的困難:1)電磁場方程組不服從伽利略變換2)光速c

火車3)實(shí)驗(yàn)觀測：速度為0.99975c的衰變后變?yōu)槟芰繛?GeV的輻射光子,實(shí)驗(yàn)測得的光速仍為c。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四麥?zhǔn)戏匠探M不滿足伽氏變換的原因分析：

麥克斯韋方程不正確

伽利略變換不正確

電磁運(yùn)動(dòng)不服從相對性原理

伽利略變換

相對性原理

麥克斯韋方程推測：存在絕對靜止的參照系---以太。電磁波在以太中以光速傳播。7第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四證明絕對靜止參考系“以太”存在的實(shí)驗(yàn)GM1M2T

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論：作為絕對參考系的以太不存在.14-2邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)8第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四愛因斯坦20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家,1905年、1915年先后創(chuàng)立狹義和廣義相對論,1905年提出了光量子假設(shè),1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),還在量子理論方面有重要貢獻(xiàn).（1879-1955）9第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四真空中的光速是常量，沿各個(gè)方向都等于c，與光源或觀測者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān).1相對性原理物理定律在所有慣性系中都具有相同的表達(dá)形式.2光速不變原理一狹義相對論的基本原理10第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四二洛倫茲變換式正變換逆變換*11第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四S系(地面參考系)事件2事件1設(shè)S系中x1、x2兩處發(fā)生兩事件,時(shí)間間隔為

.問S′系中這兩事件發(fā)生的時(shí)間間隔是多少？一同時(shí)的相對性12第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四

系(車廂參考系)同時(shí)的相對性13第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四同時(shí)的相對性：結(jié)論:同時(shí)性具有相對意義事件1:車廂后壁接收器接收到光信號事件2

:車廂前壁接收器接收到光信號14第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四二長度的收縮(動(dòng)尺變短)棒沿

軸對系靜止放置,在系中同時(shí)測得兩端坐標(biāo)則棒的固有長度為：問在S系中測得棒有多長?15第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四設(shè)在S系中某時(shí)刻

t

同時(shí)測得棒兩端坐標(biāo)為x1、x2，則S系中測得棒長l=x2-x1，l與l0的關(guān)系為：結(jié)論：長度具有相對意義物體在運(yùn)動(dòng)方向上長度收縮16第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四例1一光子火箭，相對于地球以速率直線飛行，若以火箭為參考系測得火箭長度為15m，問以地球?yàn)閰⒖枷担嘶鸺卸嚅L？解固有長度運(yùn)動(dòng)長度17第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四三時(shí)間的延緩(動(dòng)鐘變慢)18第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)射光信號接受光信號時(shí)間間隔系同一地點(diǎn)B

發(fā)生兩事件B19第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四B固有時(shí)間：同一地點(diǎn)發(fā)生的兩事件的時(shí)間間隔.時(shí)間延緩：運(yùn)動(dòng)的鐘走得慢.20第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四狹義相對論的時(shí)空觀

(1)空間和時(shí)間都是相對的，與參照系的選擇（即運(yùn)動(dòng)）有關(guān).

(2)時(shí)間與空間不互相獨(dú)立，而是不可分割的整體，構(gòu)成四維時(shí)空。

21第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四例3設(shè)想一光子火箭以速率相對地球作直線運(yùn)動(dòng)，火箭上宇航員的計(jì)時(shí)器記錄他觀測星云用去10min,則地球上的觀察者測此事用去多少時(shí)間？運(yùn)動(dòng)的鐘似乎走慢了.解設(shè)火箭為系、地球?yàn)镾系22第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四(1)相對論動(dòng)量遵循洛倫茲變換當(dāng)時(shí)一動(dòng)量與速度的關(guān)系(2)相對論質(zhì)量靜止質(zhì)量：m023第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四相對論質(zhì)量說明質(zhì)量與速度有關(guān).m0m12340.20.41.000.60.8vc24第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四物體相對于慣性系靜止時(shí)的質(zhì)量.靜質(zhì)量:結(jié)論:質(zhì)量具有相對意義.,可以認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量是一個(gè)常量,牛頓力學(xué)仍然適用.當(dāng)時(shí)25第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四三質(zhì)量與能量的關(guān)系動(dòng)能定理設(shè)

積分26第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四相對論動(dòng)能當(dāng)時(shí)，靜能量物體靜止時(shí)所具有的能量.27第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四相對論質(zhì)能關(guān)系

質(zhì)能關(guān)系指出：物質(zhì)的質(zhì)量和能量之間有密切的聯(lián)系.總能量相對論能量和質(zhì)量守恒是一個(gè)統(tǒng)一的物理規(guī)律28第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四物理意義

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，這是相對論的又一極其重要的推論.

相對論的質(zhì)能關(guān)系為開創(chuàng)原子能時(shí)代提供了理論基礎(chǔ),這是一個(gè)具有劃時(shí)代意義的理論公式.29第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四四質(zhì)能公式在原子核裂變和聚變中的應(yīng)用質(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30第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四原子彈爆炸（核裂變）1967年6月17日，中國第一顆氫彈爆炸成功31第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四五動(dòng)量與能量的關(guān)系極端相對論近似32第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四光子光的波粒二象性33第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四“Ifrelativityisprovedright,theGermanswillcallmeaGerman，theSwisswillcallmeaSwisscitizen，andtheFrenchwillcallmeagreatscientist.IfrelativityisprovedwrongtheFrenchwillcallmeaSwiss，theSwisswillcallmeaGerman，andtheGermanswillcallmeaJew.”

—Albert·Einstein34第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四狹義相對論自測題35第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四36第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四37第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四38第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:39第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:40第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:41第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:42第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四由能量守恒解:43第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四相對的運(yùn)動(dòng)44第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:由:得:45第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解法1:利用長度收縮效應(yīng)：設(shè)宇宙飛船的速度為u,從飛船的角度來講,空間相對它以u的速度運(yùn)動(dòng).牛郎星與地球間的距離變短了。解法2:利用動(dòng)鐘變慢效應(yīng)：從地面上的角度來講,宇宙飛船上的鐘走的慢了。46第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:47第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:48第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:解:49第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:450第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四解:51第51頁