2022-2023年高中物理競賽 相對論中的動量與能量課件(重點難點易錯點核心熱點經(jīng)典考點)

5/7/202311:13:40AM1第七章相對論7-3狹義相對論的動力學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM2一.動量與質(zhì)量

在牛頓力學(xué)中質(zhì)量為m的質(zhì)點以速度v運動，其動量為

依照牛頓運動定律，作用在質(zhì)點上的作用力，無論力的大小有多大，只要作用的時間足夠長，質(zhì)點的運動速度都有可能超過光速。這顯然是不符合實驗事實的。基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM3

愛因斯坦認(rèn)為，質(zhì)點運動的動量應(yīng)該在洛倫茲變換下協(xié)變（即洛倫茲變換下動量的表達形式不變），這與狹義相對論的基本原理一致。因此愛因斯坦將質(zhì)點的動量表達式修正為其中m為運動質(zhì)點的質(zhì)量，與質(zhì)點的運動相關(guān)?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)v=0，m=mo為質(zhì)點的靜止質(zhì)量。v≠0，m為運動質(zhì)點的質(zhì)量。5/7/202311:13:40AM4

1901年，實驗物理學(xué)家考夫曼(W.Kaufmann，1871-1947)從鐳輻射測射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)電子質(zhì)量隨速度變化。基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)

經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)點的運動速度遠(yuǎn)小于光速，

v2/c2<<1，

m≈mo5/7/202311:13:40AM51908年，德國物理學(xué)家布雪勒（A.H.Bucherer，1863-1927)用改進了的方法測量電子的質(zhì)量，證實了愛因斯坦理論?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM6

質(zhì)點的質(zhì)量與質(zhì)點的運動狀態(tài)有關(guān)，隨著運動速度的增加，質(zhì)點的慣性也增加。用有限大小的作用力永遠(yuǎn)不能將質(zhì)點在有限長的時間內(nèi)加速到速度超過光速。實驗測得在加速器中被加速質(zhì)子的質(zhì)量實驗結(jié)果與理論結(jié)果一致?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM7二.狹義相對論力學(xué)的基本方程

由牛頓力學(xué)，作用在質(zhì)點上的作用力等于質(zhì)點動量的變化率?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)對于質(zhì)點系，系統(tǒng)的總動量如果質(zhì)點系所受到的合外力為零，系統(tǒng)的總動量守恒5/7/202311:13:40AM8三.質(zhì)量與能量的關(guān)系

如同經(jīng)典力學(xué)一樣，外力所作的功為

設(shè)質(zhì)點沿x

軸運動，外力所作的功等于質(zhì)點動能的增加基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM9基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM10

經(jīng)典力學(xué)中動能的表達式和上式的形式差距很大，但是當(dāng)

v<<c時基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM11質(zhì)點以速度v運動時的總能量。質(zhì)點速度為零時的能量，靜能量。

質(zhì)點靜止時仍然具有能量moc2，在幾個粒子相互作用（相互碰撞）的過程中，能量的守恒表現(xiàn)為基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM12

在狹義相對論中，能量的守恒與質(zhì)量的守恒完全統(tǒng)一了。這里的質(zhì)量應(yīng)該是運動粒子的動質(zhì)量。

粒子的質(zhì)量是粒子運動慣性的量度，粒子的能量是粒子運動能量的量度。質(zhì)量和能量這兩個物理量間有著密切的聯(lián)系。

就一個粒子來說，如果由于自身的過程使它的能量減少，它的靜質(zhì)量也將相應(yīng)減少。基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM131932年，英國物理學(xué)家考克錢夫和愛爾蘭物理學(xué)家瓦爾頓利用他們設(shè)計的質(zhì)子加速器進行人工核蛻變，為此獲得1951年的諾貝爾物理學(xué)獎。J.D.Cockcroft,1892-1967E.T.Walton,1903-1995基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM14核反應(yīng)前后，粒子的靜止質(zhì)量減少了。基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM15

這與實驗測得的氦原子核（粒子）的總能量17.3MeV相符?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM16四.核能利用1934年，意大利科學(xué)家費米(E.Fermi,1901-1954）利用穿透性很強的中子轟擊原子核，實驗發(fā)現(xiàn)許多核捕獲中子后成為放射性核。為此費米榮獲1938年諾貝爾物理學(xué)獎。但是費米希望利用中子轟擊鈾，再通過衰變獲得（Z>92）超鈾元素的期望并沒有成功。www.nobel.se/physics基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM171934年約里奧·居里夫人(Joliot.Curie,1897-1956）用慢中子照射鈾鹽時，分離出了一種類似于“鑭”(Ｚ=57)的放射性核素，它有放射性，半衰期為3.5小時。但是居里夫人對中子與鈾（Z>92）發(fā)生反應(yīng)，生成電荷數(shù)不同的鑭核非常不理解其實這表明中子使鈾核產(chǎn)生了裂變。約里奧·居里夫人離新發(fā)現(xiàn)僅一步之遙，她錯失了良機。基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM181939年，哈恩（O.Hahn,1879-1968）和斯特拉斯曼（F.Strassman,1902-1980）重復(fù)居里夫人的實驗，在肯定了鑭存在的同時，還發(fā)現(xiàn)了Z=56的放射性核素鋇。梅特納（L.Meitner,1878-1968）和弗里什（O.R.Frisch,1904-1979)對此做出了正確的解釋，這是鈾在中子的轟擊下分裂成兩個原子核，稱作原子的核裂變?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM19

我國物理學(xué)家錢三強、何澤慧夫婦通過實驗進一步發(fā)現(xiàn)了核裂變的三裂變和四裂變現(xiàn)象。對核裂變的理論研究提供了重要信息?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM20

粒子或原子核在核反應(yīng)前后，系統(tǒng)總能量不變，即系統(tǒng)總的質(zhì)量保持不變。但是反應(yīng)前后的靜止能量會發(fā)生變化。由于粒子的靜止能量反應(yīng)了粒子結(jié)合能的大小，它與粒子的靜止質(zhì)量成正比，粒子靜止質(zhì)量的虧損，反映了在粒子內(nèi)部有一部分能量被釋放出來。

兩個輕原子聚合成一個較重的原子或一個重原子分裂成兩個較輕的原子，在核反應(yīng)前后，都有靜止質(zhì)量的虧損。伴隨質(zhì)量虧損釋放的這部分能量就是核能?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM21

原子彈和核反應(yīng)堆就是利用放射性原子的核裂變釋放出的核能。大亞灣核電站基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM22秦山核電站中景基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM23核電站的核反應(yīng)堆基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM24我國第一顆原子彈爆炸成功基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM25鈾235在熱中子的轟擊下裂變：1克鈾235全部裂變釋放的能量基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM26

氫彈、太陽等恒星上的熱核反應(yīng)、正在研究中的受控核聚變則是利用氕、氘、氚等氫原子的核聚變釋放核能?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM27

我國第一顆氫彈爆炸成功。這是氫彈爆炸形成的蘑菇云?；A(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM28

利用激光產(chǎn)生局部高溫高壓，“點燃”受控核聚變的核燃料。基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM29氘核的核聚變：1克氘核全部聚變釋放的能量基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM301kg優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒釋放的能量比較1克鈾235完全裂變比較1克氘完全聚變基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)5/7/202311:13:40AM31四.動量與能量

狹義相對論中的動量與能量間有基礎(chǔ)物理學(xué)教程§7-3狹義相對論的動力學(xué)光子的動量和動質(zhì)量分別