大物上11相對(duì)論

大學(xué)物理電子教案遼寧工程技術(shù)大學(xué)物理教研室2/3/20231①提高實(shí)驗(yàn)精度②擴(kuò)大理論應(yīng)用范圍，解釋自然現(xiàn)象相當(dāng)完善的程度物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成以后任務(wù)晴朗天空！近代物理經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)80年代4牛頓、惠更斯和菲涅耳——波動(dòng)光學(xué)牛頓——經(jīng)典力學(xué)2克勞修斯、玻耳茲曼——熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理3安培、法拉第和麥克斯韋——電磁場(chǎng)理論2/3/20232

人們對(duì)物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點(diǎn)，宇宙萬物必然按照由精美的數(shù)學(xué)方程所表達(dá)的物理學(xué)定律永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。著名德國物理學(xué)家基爾霍夫曾表示：“物理學(xué)將無所作為了，至多只能在已知規(guī)律的公式的小數(shù)點(diǎn)后面加幾個(gè)數(shù)字罷了?！痹趧倓偪缛?0世紀(jì)的第一天，英國著名的物理學(xué)家開爾文在《元旦獻(xiàn)詞》中曾經(jīng)說過：“在已經(jīng)建成的大廈中，后輩物理學(xué)家只能做一些零碎的修補(bǔ)工作?！迸c眾不同的是他又敏銳地發(fā)現(xiàn)，在物理學(xué)晴朗的天空里，還有兩朵小小的令人不安的烏云.2/3/20233晴朗天空！以太之謎紫外光災(zāi)難使物理學(xué)界大為震驚！X射線（倫琴1895）放射性（居里1896）電子（湯姆遜1897）打破原子不可分的神話物理學(xué)許多領(lǐng)域一系列理論與實(shí)驗(yàn)尖銳矛盾正當(dāng)歡欣鼓舞之時(shí)但是好景不長(zhǎng)！邁克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)相對(duì)論量子力學(xué)近代物理兩大理論支柱2/3/20234物理領(lǐng)域拓展宏觀低速——經(jīng)典物理微觀低速——經(jīng)典量子論微觀高速——相對(duì)論量子理論宏觀高速——相對(duì)論微觀：l<10–5m

高速：v>106m/s觀測(cè)角度不同，看到的現(xiàn)象不同，或者對(duì)事物的描述不同——相對(duì)性橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同?！K軾《題西林壁》2/3/20235廣袤的星空，神秘的宇宙，多少遐想在科學(xué)面前成為現(xiàn)實(shí)。相對(duì)論第三章2/3/20236

AlbertEinstein

1879—19551921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（光電效應(yīng)）1915——廣義相對(duì)論（非慣性系）從加速參照系與引力場(chǎng)等效的原理出發(fā)，提出新的引力理論和引力場(chǎng)中的時(shí)空結(jié)構(gòu)。1905——狹義相對(duì)論（慣性系）運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)出發(fā),提出了新的時(shí)空觀，建立了高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)規(guī)律，揭露了質(zhì)量和能量的內(nèi)在聯(lián)系。2/3/20237船走嗎?舟行而不覺也一、狹義相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景1.經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理力學(xué)現(xiàn)象對(duì)一切慣性系來說，都遵從同樣的規(guī)律，或者說在研究力學(xué)規(guī)律時(shí)一切慣性系都是等價(jià)的。3.1狹義相對(duì)論的基本原理(簡(jiǎn)稱:力學(xué)相對(duì)性原理)2/3/202382.伽利略變換變換——不同參照系對(duì)同一運(yùn)動(dòng)的描述之間的數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系。在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件：t時(shí)刻，物體到達(dá)P點(diǎn)。約定重合時(shí)任意時(shí)刻K系靜止2/3/20239(1)伽利略坐標(biāo)變換

或2/3/202310(2)伽利略速度變換

(3)伽利略加速度變換

伽利略坐標(biāo)變換

質(zhì)點(diǎn)的加速度對(duì)伽利略變換是不變的。2/3/2023113.力學(xué)基本規(guī)律對(duì)伽利略變換具有不變性例：牛頓第二定律對(duì)伽利略變換具有不變性在K系中在K’系中又：動(dòng)量、機(jī)械能守恒定律對(duì)伽利略變換具有不變性推廣:經(jīng)典力學(xué)中所有的基本規(guī)律對(duì)伽利略變換都具有不變性。2/3/202312（1）時(shí)間間隔：

有兩個(gè)事件（兩次閃光）系：系：閃光1閃光2由伽利略變換：結(jié)論：（絕對(duì)時(shí)間）不同的慣性系中，時(shí)間及間隔相同，與參照系選取無關(guān)。4、經(jīng)典的時(shí)空觀2/3/202313（2）空間間隔：結(jié)論：不同的慣性系中，空間間隔不變，與參照系選取無關(guān)。（絕對(duì)空間）(3)時(shí)間與空間相互獨(dú)立,彼此無關(guān)2/3/2023145.伽利略變換與電磁理論的矛盾光速的數(shù)值起了特別重要的作用(1)伽利略變換下的光速2/3/202315(2)麥克斯韋電磁理論中的光速(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn))光或電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略變換當(dāng)時(shí)科學(xué)家解釋：1.存在一種只適用于力學(xué)規(guī)律的相對(duì)性原理，但不適用電磁學(xué)。電磁規(guī)律在“以太”中成立。2.存在適用于二者的相對(duì)性原理，但電磁說得加以修正。3.存在適用于二者的相對(duì)性原理，但牛頓理論得加以修正。2/3/202316

邁克耳遜—莫雷（Michelson—Morleg）實(shí)驗(yàn)以伽利略變換為基礎(chǔ)來觀測(cè)地球上各個(gè)方上光速的差異。由于地球自轉(zhuǎn)，據(jù)伽利略變換，地球上各個(gè)方向上光速是不同的，在隨地球公轉(zhuǎn)的干涉儀中應(yīng)可觀測(cè)到條紋的移動(dòng)。

邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)沒有觀測(cè)到預(yù)期的條紋移動(dòng)，稱為零結(jié)果，說明光速不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：沒有測(cè)出以太速度，光速和麥?zhǔn)侠碚撘恢聦?shí)驗(yàn)?zāi)康模簩ふ乙蕴珣T性系，測(cè)出地球相對(duì)以太速度2/3/202317二、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)(兩個(gè)基本原理)1.狹義相對(duì)性原理在所有慣性系中,一切物理學(xué)定律都具有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。2.光速不變?cè)碓谒袘T性系中，光在真空中的速率都相等(等于C)。確認(rèn)兩個(gè)假設(shè),就必徹底拋棄絕對(duì)時(shí)空觀,修改伽利略變換2/3/202318三、洛侖茲坐標(biāo)變換1.表達(dá)式或其中2/3/2023192.三點(diǎn)說明(1)當(dāng)時(shí),經(jīng)典極限條件(2)時(shí)間、空間相互關(guān)聯(lián)并與參照系的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。(3)真空中的光速是一切實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)速度的上限。2/3/2023203.四點(diǎn)注意(1)適用條件:當(dāng)時(shí),與重合并且(2)洛侖茲變換是指同一事件在不同慣性系中兩組時(shí)空坐標(biāo)的變換。(3)各慣性系中的時(shí)間、空間的量度基準(zhǔn)必須一致。2/3/202321(4)時(shí)間間隔和空間間隔2/3/202322四、洛侖茲速度變換2/3/202323由洛侖茲時(shí)空坐標(biāo)變換式知同理2/3/202324洛侖茲速度變換式逆變換正變換2/3/202325一維洛侖茲速度變換式2/3/202326例1：在慣性系K中，有兩個(gè)事件A、B同時(shí)發(fā)生在X軸上相距1000m的兩點(diǎn)，而在另一慣性系K’中測(cè)得這兩事件發(fā)生的地點(diǎn)相距2000m,求在K’系中測(cè)得這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔。K系：K’系：解:又則2/3/202327例2：觀察者甲和乙分別靜止于兩個(gè)慣性系K和K’中，甲測(cè)得在同一地點(diǎn)發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔為4s,而乙測(cè)得這兩個(gè)事件的時(shí)間間隔為5s,求乙測(cè)得這兩個(gè)事件發(fā)生的地點(diǎn)的距離。甲:乙：解:又則甲乙2/3/202328例3：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？s2/3/202329解：選飛船參考系為S'系地面參考系為S系2/3/202330一、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)(兩個(gè)基本原理)1.狹義相對(duì)性原理在所有慣性系中，一切物理學(xué)定律都具有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式2.光速不變?cè)碓谒袘T性系中，光在真空中的速率都相等(等于C)小結(jié)2/3/202331二、洛侖茲坐標(biāo)變換逆變換正變換空間間隔與時(shí)間間隔2/3/202332三、洛侖茲速度變換逆變換正變換2/3/202333一維洛侖茲速度變換式2/3/202334X射線的發(fā)現(xiàn)（倫琴1895）

19世紀(jì)末，陰極射線是物理學(xué)研究課題，許多物理實(shí)驗(yàn)室都開展了這方面的研究。1894年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴將陰極射線管放在一個(gè)黑紙袋中，關(guān)閉了實(shí)驗(yàn)室燈源，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)開啟放電線圈電源時(shí)，一塊涂有氰亞鉑酸鋇的熒光屏發(fā)出熒光。用一本厚書，2-3厘米木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它們也是“透明的”，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過，只要它們不太厚。倫琴意識(shí)到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線，它具有特別強(qiáng)的穿透力。他一連許多天將自己關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里，集中全部精力進(jìn)行徹底研究。6個(gè)星期后，倫琴確認(rèn)這的確是一種新的射線。2/3/2023351895年12月22日，倫琴和他夫人拍下了第一張X射線照片。1895年12月28日，倫琴向德國維爾茲堡物理和醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)遞交了第一篇研究通訊《一種新射線——初步研究》。倫琴在他的通訊中把這一新射線稱為X射線，因?yàn)樗?dāng)時(shí)無法確定這一新射線的本質(zhì)。X射線發(fā)現(xiàn)才4天，美國醫(yī)生就用它找出了病人腿上的子彈。企業(yè)家蜂擁而至，出高價(jià)購買X光射線技術(shù)。50萬，100萬，出價(jià)越來越高?！澳呐率?000萬，”，倫琴淡淡的一笑答道：“我的發(fā)現(xiàn)屬于全人類。但愿這一發(fā)現(xiàn)能被全世界科學(xué)家所利用。這樣，就會(huì)更好地服務(wù)于人類……”因此，倫琴?zèng)]有申請(qǐng)專利權(quán)。他知道，如果這項(xiàng)技術(shù)被一家大公司獨(dú)占，窮人就出不起錢去照X光照片。愛迪生得知這個(gè)消息后深受感動(dòng)。他為接收X光發(fā)明了一種極好的熒光屏，和X光射線管配合使用，也沒有申請(qǐng)專利權(quán)。在諾貝爾逝世五年以后，首次頒發(fā)他所奠基的諾貝爾獎(jiǎng)。倫琴是第一個(gè)獲物理獎(jiǎng)的人。他高興地接收了諾貝爾獎(jiǎng)金，但是卻把數(shù)額為5萬瑞典克羅納的獎(jiǎng)金轉(zhuǎn)贈(zèng)給沃茲堡大學(xué)。

2/3/202336放射性（居里1896與夫人)

倫琴的發(fā)現(xiàn)，使貝克勒爾聯(lián)想到，天然物體是否也能產(chǎn)生Ｘ光那樣的放射現(xiàn)象呢？由于有著家庭的背景，貝克勒爾捷足先登，從諸多發(fā)光物體中，最后選擇到鈾鹽。最初他認(rèn)為是由太陽激發(fā)鈾鹽的熒光，但是，由于天連續(xù)陰雨綿綿，貝克勒爾不得不把用黑紙包的感光底片與鈾鹽一起鎖進(jìn)了抽屜，結(jié)果底片仍舊被鈾鹽感光了，鈾元素自身也能產(chǎn)生輻射的現(xiàn)象，再一次引起了人們的關(guān)注。貝克勒爾射線的發(fā)現(xiàn)，是人類第一次發(fā)現(xiàn)某些元素自身也具有自發(fā)輻射現(xiàn)象，引起了人們對(duì)原子核問題的關(guān)注。貝克勒爾獲1903年諾貝爾獎(jiǎng)2/3/202337

居里夫人認(rèn)為:不應(yīng)只有一種元素能自發(fā)輻射，其他元素是否也有同樣的性質(zhì)?她進(jìn)行了艱苦的提煉工作，終于從鈾礦渣中提煉出了釙，它比純鈾放射性強(qiáng)400倍!1898年7月，為紀(jì)念自己的祖國波蘭，居里夫人宣布這種元素為“釙”。1898年12月，居里夫人又宣布發(fā)現(xiàn)了鐳(radium)!2/3/202338在陰極射線的爭(zhēng)論中，J.J.湯姆生認(rèn)為帶電微粒說更符合實(shí)際。X射線的發(fā)現(xiàn)宣布后，他立即用X射線轟擊氣體。從X射線能使氣體電離的現(xiàn)象中他更加深刻地認(rèn)識(shí)到陰極射線的粒子性，下決心以更鮮明的實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這一特性。為此，他做了如下實(shí)驗(yàn)：測(cè)陰極射線的電荷使陰極射線在靜電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)電子（湯姆遜1897）1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

2/3/202339紫外災(zāi)難是指用于計(jì)算黑體輻射強(qiáng)度的瑞利－金斯定律在輻射頻率趨向于無窮大時(shí)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法吻合的物理史事件。普朗克于1918年獲諾貝爾獎(jiǎng)

2/3/202340o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678普朗克量子假設(shè)2/3/202341能量子假說：輻射黑體中分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子。但是這些諧振子的能量只能是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)