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文檔簡介

熱學(xué):黑體輻射(1899)量子物理Planck1900狹義相對論Einstein1905十九世紀(jì)八十年代,經(jīng)典物理達(dá)到“黃金時代”光學(xué):邁克耳遜-莫雷實驗(1887)第三章相對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-莫雷實驗---尋找以太的企圖失敗(1887);2.固體和氣體的熱容量,理論和實驗結(jié)果不一致;3.氫光譜的實驗規(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)---波動說之困難;6.熱輻射中的紫外災(zāi)難第一個導(dǎo)致了1905年的狹義相對論后五個問題導(dǎo)致了量子論的誕生狹義相對論不考慮物質(zhì)質(zhì)量對時空的影響

1905年《論動體的電動力學(xué)》論文廣義相對論考慮質(zhì)量對時空的影響關(guān)于引力的理論狹義相對論:關(guān)于時、空與物質(zhì)運動關(guān)系的理論1879年3月,出生在德國的一個猶太家庭。6歲學(xué)習(xí)小提琴。上學(xué)后,成績平平,但愛動腦筋,12歲曾證明勾股定理。1896年,進入蘇黎士工業(yè)大學(xué)。童年時的愛因斯坦

愛因斯坦(1879-1955)簡介博聞苦思,好學(xué)進取“如果我以速度c追隨一條光線運動,我應(yīng)當(dāng)看到什么現(xiàn)象呢?”年輕時的愛因斯坦16歲時,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,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狹義相對論產(chǎn)生的實驗基礎(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,一切慣性系都是等價的。)二、力學(xué)相對性原理,經(jīng)典力學(xué)時空觀經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為:質(zhì)量與坐標(biāo)系無關(guān)即即牛頓運動方程對伽里略變換是不變的。注:以上推導(dǎo)已經(jīng)不自覺地對時間和空間的性質(zhì)作了某些假設(shè)。2、時間也是與物質(zhì)的運動無關(guān)而永恒地、均勻地流逝著,是絕對不變的。1、空間的量度(如兩點間距離)與慣性系無關(guān),是絕對不變的。三、伽利略變換的困難(經(jīng)典力學(xué)的困難)1)

光速c

2)速度合成法則實驗預(yù)計:能觀測到0.37條的條紋移動。實際結(jié)果:沒有觀測到條紋移動。即邁克爾孫-莫雷實驗零結(jié)果。四、邁克爾孫-莫雷實驗(1887年)ba1M2MPPM1=PM2900邁克爾孫-莫雷實驗零結(jié)果意味著:

2、電磁現(xiàn)象也滿足物理理論的相對性原理。1、根本就不存在一個假想的以太參照系。……形形色色的修補”以太風(fēng)”學(xué)說3-2狹義相對論基本原理洛侖茲變換一、狹義相對論兩個基本假設(shè):1、相對性原理:物理學(xué)定律在任何慣性系中都是相同的。

2、光速不變原理:在所有慣性系中,測得光在真空中的速率都是相同的?;颍憾⒙鍋銎澴儞Q: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、相對論將時間和空間,時空與物質(zhì)運動聯(lián)系起來。4、在日常時間,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’)幾點討論:1.倒逆性:,則不論u多大,恒有,則不論u多大,恒有2.驗證了光速不變原理:,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,如果這時從飛船上沿速度方向發(fā)射一物體,物體相對飛船速度為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(t1=t2)擊中車尾(x1)和車頭(x2)問:S’系(火車):兩閃電是否同時擊中車尾和車頭?一、同時的相對性3-3狹義相對論時空觀根據(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、在一個慣性系中不同時,也不同地發(fā)生的兩件事,在另一慣性系中倒有可能同時發(fā)生。1、在一個慣性系中同時不同地發(fā)生的兩事件,在別的慣性系中就不同時發(fā)生。3、同時同地發(fā)生的兩事件,在所有慣性系中都同時同地發(fā)生。結(jié)論:二、長度的相對性:長度縮短/動尺縮短yxt1t2x1x2在S系中觀察者看來,此棒長為:x’x1’x2’y’vS’系中有一靜止的棒,固有長度為L0,占有坐標(biāo)為、即沿運動方向,物體的長度要收縮。說明:1、在相對物體為靜止的慣性系中測得的物體長度是最長的,稱固有長度。2、時,3、時,4、測量運動物體的長度,必須對其兩端的坐標(biāo)同時進行測量。[不能說“看到”]5、長度的收縮只發(fā)生在運動方向上,在與運動方向垂直的方向不發(fā)生長度收縮。例:立方體邊長為a,則體積為a3,若該立方體沿一邊長方向運動,則體積為多大?解:體積變小了.例:一根米尺沿著它的長度方向相對你以0.6c速度運動,米尺通過你面前所需時間是

解一錯誤!解二)s(

1044×.0c6.0t

9-==lD正確!附:高速運動物體的測量形象與視覺形象三、時間間隔的相對性:

時間延緩——運動時鐘變慢在S’系:x’處固定有一只鐘,測得該處兩個事件發(fā)生的時間分別為t1’、t2’。在S系:觀察者測得兩個事件發(fā)生的時間分別為t1、t2。

由即:S系測得的時間要長些,說明S’系上的鐘“走慢了”。SS’SS’SS’討論:時間膨脹又叫時鐘變慢。

vvSOS3OS系上的人測出該過程經(jīng)歷了’S3O’SO系上的人測出該過程也經(jīng)歷了’S相對于自己運動的人的手表走得慢。1、在相對于某個慣性系靜止的一點,觀察兩個事件的時間間隔最短,稱為固有時間。說明:2、時鐘變慢是相對的,并非機械故障。不能說明哪個時鐘是正確的或錯誤的。3、時,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=9×103m/s的速率相對于地面勻速飛行。飛船上的鐘走了5s,地面上的鐘經(jīng)過了多少時間?思路:飛船上的鐘走了5s,比地面上的鐘經(jīng)過的時間要慢。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:觀察者甲測得同一地點發(fā)生的兩個事件的時間間隔為4秒,乙相對甲以0.6c的速度運動,則乙觀察這兩個事件的時間間隔為:5秒三、相對論時鐘延緩和長度收縮的近代實驗驗證*不穩(wěn)定的基本粒子(如m、p粒子)產(chǎn)生后經(jīng)一定時間自動衰變?yōu)槠渌W印_@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,實驗室測得+介子在衰變前通過的距離是多少?2、若考慮相對論效應(yīng),則有3、實驗室測得結(jié)果:解:1、若不考慮相對論效應(yīng),則有例3:半人馬星座a星是距太陽最近的恒星,它距地球,設(shè)有一宇宙飛船自地球飛到該星,飛船對地速度v=0.99c,地球上的鐘測得多少年?若以飛船上的鐘計算,又為多少年?解:以地球上的鐘計算:以飛船上的鐘計算:說明此題與實際不符,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?時序:兩個事件發(fā)生的時間順序。在s中:t1t2>前事件1:t1x1(),開槍后,事件2:t2x2()鳥死子彈v

四、時序與因果律v=t1t2x1x2()()子彈速度信號傳遞速度所以由因果率聯(lián)系的兩事件的時序不會顛倒。在s中:仍然是開槍在前,鳥死在后。在s中:cut1=2t1β12x1cut2=2t2β12x2=t2t1β12c2)()1(>0uvt2t1vc2u>因為所以,t2t1>3-4狹義相對論動力學(xué)

一、動量、質(zhì)量、速度的關(guān)系1、動質(zhì)量公式:討論(1)m:相對論質(zhì)量,m0:靜質(zhì)量。(2)v:物體相對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)以光速運動的粒子(如光子、中微子等),它們的靜質(zhì)量必為零。2、動量公式:牛頓第二定律的原始形式:運動物體在恒力作用下,沒有恒定的加速度。3、相對論中的動能

物體的動能就是使物體從靜止開始運動到速度為v時,合外力所作的功。力的沖量等于動量的改變量.相對論動能討論4、靜能、總能靜能:總能:動能: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,它就會釋放出的巨大能量。例、試計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。這些粒子具有動量、能量,但沒有靜質(zhì)量(),即:E=cp結(jié)論:一個靜質(zhì)量為零的粒子,在任一慣性系中都只能以光速運動,永遠(yuǎn)不會停止。對光子:動量基本方程動能總能(質(zhì)能關(guān)系)動量與能量的關(guān)系質(zhì)量靜能相對論動力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)對比例:一電子以v=0.99c的速率運動,求:1)電子的總能量。

2)電子的經(jīng)典力學(xué)動能Ek0

與相對論動能Ek之比。(me=9.1×10-31kg)解:1)2)1955年4月18日,由于大動脈破裂,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”愛因斯坦溘然長逝;50年后的這一天一項最重

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