理學狹義相對論講義

理學狹義相對論講義理學院孫秋華一、相對論動量經(jīng)典力學中的動量：P=mvm=C相應的守恒定律在伽利略變換下保持不變。但該定義下的動量守恒定律在洛侖茲變換下不具不變性，可能的辦法：（1）修改動量的定義；（2）放棄“質量不隨運動狀態(tài)改變”的觀念，理論和實驗均表明：定義式可不變，但要考慮質量隨運動狀態(tài)改變。理學院孫秋華牛頓力學：質量與速度無關相對論力學：質量與速度有關，否則動量守恒定律不能在洛侖茲變換下保持形式不變。推導：設A、B兩小球，靜止質量都為m0，且A相對S′靜止；B相對S系靜止，S′系相對S系以運動,如圖所示。vABSS′二、相對論質量設：A、B發(fā)生完全非彈性碰撞由質量守恒：所以：在S系中：設：A的運動質量為m,碰后運動質量為MvABS碰前碰后v,由動量守恒：理學院孫秋華在S′系中：-uABS′碰前碰后v′由（1）（2）得：利用洛侖茲變換：由（3）（4）得：由（1）代入（5）得：動量：定義該式具有洛侖茲變換不變性，且v<<c時還原經(jīng)典力學力學方程：當v<<c時有6.8力和加速度的關系理學院孫秋華討論：1、宏觀物體一般v=104m/s,此時：微觀粒子速率接近光速如中子v時牛頓力學是相對論力學在低速情況下的近似v>c時，m成為負數(shù)，無意義所以光速是物體運動的極限速度。2、理學院孫秋華6.9相對論的動能仍用力對粒子做功計算粒子動能的增量，并用EK表示粒子速率為v時的動能，則有理學院孫秋華將兩邊求微分:即相對論動能公式。理學院孫秋華則：又回到了牛頓力學的動能公式。當v<<c時:理學院孫秋華根據(jù)可以得到粒子速率由動能表示的關系為：表明：當粒子的動能由于力對其做功而增大時，速率也增大。但速率的極限是c

，按照牛頓定律，動能增大時，速率可以無限增大。實際上是不可能的。理學院孫秋華靜止能量動能總能量為粒子以速率v運動時的總能量動能為總能和靜能之差。結論：一定的質量相應于一定的能量，二者的數(shù)值只相差一個恒定的因子c2

。為相對論的質能關系式相對論中能量守恒應表示為理學院孫秋華6.10相對論能量質能公式在原子核裂變和聚變中的應用反應前：反應后：靜質量m01總動能EK1

靜質量m02總動能EK2能量守恒：因此：核反應中釋放的能量相應于一定的質量虧損。總動能增量總靜止質量的減小質量虧損理學院孫秋華例1、在一種熱核反應中各種粒子的靜止質量為：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求:這一熱核反應釋放的能量是多少？理學院孫秋華相應釋放的能量為：1kg這種核燃料所釋放的能量為：這相當于同質量的優(yōu)質煤燃燒所釋放熱量的1千多萬倍！解：質量虧損為：理學院孫秋華例2、在S參照系中有兩個靜止質量均為m0的粒子A、B

。分別以速度、相向運動，相撞后合在一起成為一個靜止質量為M

0的粒子。求：(1)求M

0

;在此題中設有S’系以速度

運動，

證明在此參照系中A、B在碰撞前后動量守恒。理學院孫秋華解：設合成粒子質量M、速度V據(jù)動量守恒據(jù)能量守恒：即：可見：理學院孫秋華證明：用速度變換可以得到合成粒子在S′系的速度：碰前總動量為：理學院孫秋華可證明：所以：碰后合成粒子的總動量為：理學院孫秋華M'可以通過能量守恒求出：可見：理學院孫秋華可見在S'系中動量守恒的表達式形式與S系中相同。同時證明動量守恒的不變性和能量守恒的不變性是相互聯(lián)系在一起的。理學院孫秋華6.11動量與能量的關系理學院孫秋華由上式得：即相對論的動量能量關系式PcEm0c2以E、Pc、m0c2表示三角形的三邊，可構成直角三角形。動能為EK的粒子：代入上式得：回到了牛頓力學。理學院孫秋華相對論動力學的主要結果1、主要結論理學院孫秋華2、極限情況（1）當v<<c時，上述各式（除E、E0)均能還原成經(jīng)典力學中的相應公式，經(jīng)典力學只是相對論動力學在低速下的近似。（2）當vc時，若說明靜止質量不為零的物體速度不可能大于光速。理學院孫秋華該粒子具有：光子即如此：若說明只有靜止質量為零的粒子才能以c運動理學院孫秋華例、兩個質點A和B，靜止質量均為m0．質點A靜止，質點B的動能為6m0c2．設A、B兩質點相撞并結合成為一個復合質點．求復合質點的靜止質量．解：設復合質點靜止質量為M0，運動時質量為M．由能量守恒定律可得其中mc2為相撞前質點B的能量設質點B的動量為pB，復合質點的動量為p．由動量守恒定律：利用動量與能量關系，對于質點B可得對于復合質點可得1、有下列幾種說法：

(1)所有慣性系對物理基本規(guī)律都是等價的．

(2)在真空中，光的速度與光的頻率、光源的運動狀態(tài)無關．（3）在任何慣性系中，光在真空中沿任何方向的傳播速率都相同．若問其中哪些說法是正確的,答案是

(A)只有(1)、(2)是正確的．

(B)只有(1)、(3)是正確的．

(C)只有(2)、(3)是正確的．

(D)三種說法都是正確的．2、在狹義相對論中，下列說法中哪些是正確的？

(1)一切運動物體相對于觀察者的速度都不能大于真空中的光速．

(2)質量、長度、時間的測量結果都是隨物體與觀察者的相對運動狀態(tài)而改變的．

(3)在一慣性系中發(fā)生于同一時刻，不同地點的兩個事件在其他一切慣性系中也是同時發(fā)生的．

(4)慣性系中的觀察者觀察一個與他作勻速相對運動的時鐘時，會看到這時鐘比與他相對靜止的相同的時鐘走得慢些．

(A)(1)，(3)，(4)．(B)(1)，(2)，(4)．

(C)(1)，(2)，(3)．(D)(2)，(3)，(4)．1、狹義相對論的兩條基本原理中，相對性原理說的是___________________；光速不變原理說的是__________________________．

2、以速度v相對于地球作勻速直線運動的恒星所發(fā)射的光子，其相對于地球的速度的大小為______．3、+介子是不穩(wěn)定的粒子，在它自己的參照系中測得平均壽命是