第十四章相对论课件.ppt

1、物理学物理学第五版第五版本章目录本章目录14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观14-2 14-2 迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量第十四章第十四章 相对论相对论14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观物理学物理学第五版第五版2x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx xt v

2、z z yy 系相对于系相对于 系以匀速沿系以匀速沿 轴运动，轴运动，两参照系中同一事件的时空关系两参照系中同一事件的时空关系:SSXttzzyyvtxx第十四章第十四章 相对论相对论14-1 14-1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观物理学物理学第五版第五版3vxxuuyyuu zzuu 速度变换速度变换zzaa yyaa xxaa 加速度变换加速度变换aaamFamF 在两相互作匀速直线运动的惯性系中在两相互作匀速直线运动的惯性系中,牛顿牛顿运动定律具有相同的形式运动定律具有相同的形式-力学的相对性原理力学的相对性原理第十四章第十四章 相对论相对论14-1 14-

3、1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观物理学物理学第五版第五版4二二 经典力学时空观经典力学时空观绝对空间绝对空间:空间与运动无关空间与运动无关,空间绝对静止空间绝对静止.空间的度量与惯性系无关空间的度量与惯性系无关,绝对不变绝对不变绝对时间绝对时间:时间均匀流逝时间均匀流逝,与物质运动无关与物质运动无关,所有惯性系有统一的时间所有惯性系有统一的时间.牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理,在宏观、低速在宏观、低速的范围内的范围内,与实验结果相一致的与实验结果相一致的.物理学物理学第五版第五版 伽利略变换的困难伽利略变换的困难:1)1)电磁场方程组不服从伽利略变换电磁

4、场方程组不服从伽利略变换2)2)光速光速c c ucAB火车火车Xucc0122222tcx系S02122222222222 xcutxcutcx系S3)3)实验观测：速度为实验观测：速度为0.99975c0.99975c的的 衰变后变为衰变后变为能量为能量为6GeV6GeV的辐射光子的辐射光子,实验测得的光速仍为实验测得的光速仍为c c。0第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学第五版第五版6麦氏方程组不满足伽氏变换的原因分析：麦氏方程组不满足伽氏变换的原因分析：伽利略变换伽利略变换 相对性原理相对性原理 麦克斯韦方程麦克斯韦方程推测：推测：存在绝对静止的参照系存在绝对静止的参照系-以太以

5、太。电磁。电磁波在以太中以光速传播。波在以太中以光速传播。第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学第五版第五版7证明绝对静止参考系证明绝对静止参考系“以太以太”存在的实验存在的实验l12GMGMvsGM1M2T 实验结果实验结果 0N结论结论：作为绝对参考系的：作为绝对参考系的以太以太不存在不存在.14-2 14-2 迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版8爱因斯坦爱因斯坦 20世纪最伟大的物理世纪最伟大的物理学家学家,1905年、年、1915年先年先后创立

6、狭义和广义相对论后创立狭义和广义相对论,1905年提出了光量子假设年提出了光量子假设,1921年获得诺贝尔物理学年获得诺贝尔物理学奖奖,还在量子理论方面还在量子理论方面有重要贡献有重要贡献.（1879-1955）第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版9 真空中的光速是常量，沿各个方向都等于真空中的光速是常量，沿各个方向都等于c，与光源或观测者的运动状态无关，与光源或观测者的运动状态无关.1 相对性原理相对性原理 物理定律在所有惯性系中都具有相同的物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式表达形

7、式.2 光速不变原理光速不变原理一狭义相对论的基本原理一狭义相对论的基本原理第十四章第十四章 相对论相对论14-3 14-3 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式洛伦兹变换式物理学物理学第五版第五版10二二 洛伦兹变换式洛伦兹变换式)tx(xv yy zz )xct(t2v 正正变变换换)tx(x v yy zz )xct(t 2v 逆逆变变换换cv 211 x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yy第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版11S 系系(地面参考系地

8、面参考系)事件事件 2),(2222tzyx),(1111tzyx事件事件 1设设 S系中系中x1 1、x2 2两处发生两事件两处发生两事件,时间间隔时间间隔为为 .问问 S系中这两事件发生的时系中这两事件发生的时间间隔是多少？间间隔是多少？12ttt1ttt2 x y o12xyov123691236912369一一 同时的相对性同时的相对性 第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版12),(1111tzyx 系系(车厢参考系车厢参考系),(2222tzyxS221xcttvv x y o121236912369)xct(

9、t2v 000ttx 同时的相对性同时的相对性第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版13同时的相对性：同时的相对性：结论结论:同时性具有相对意义同时性具有相对意义事件事件 1:车厢车厢后后壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号事件事件 2:车厢车厢前前壁接收器接收到光信号壁接收器接收到光信号第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版14二二 长度的收缩长度的收缩(动尺变短动尺变短)xyozs1 x2 x0l y xv o z s1x2x棒沿棒沿 轴对轴对

10、 系静止系静止放置放置,在在 系中系中同时同时测测得两端坐标得两端坐标21,xxxO SS120 xxl则棒的则棒的固有长度固有长度为：为：问问 在在S系中测得棒有多长系中测得棒有多长?第十四章第十四章 相对论相对论物理学物理学第五版第五版15)()(12120txtxxxlvv设设 在在S系中某时刻系中某时刻 t 同时测得同时测得棒两端坐标为棒两端坐标为x1、x2，则，则S系中测得棒长系中测得棒长 l=x2-x1，l与与l0的关系为：的关系为：12xx)tx(xv 2201cllv2211cv221clv结论：结论：长度具有长度具有相对相对意义意义物体在运动方向上长度收缩物体在运动方向上长度

11、收缩第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版16例例1 一光子火箭，相对于地球以速率一光子火箭，相对于地球以速率 直线飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为直线飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为 15m，问以地球为参考系，此火箭有多长问以地球为参考系，此火箭有多长？c95.0v解解固有长度固有长度llm150运动长度运动长度21 llm68.4m95.01152l第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版17三三 时间的延缓时间的延缓(动钟变慢动钟变慢)第十

12、四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版18),(1tx发射光信号发射光信号),(2tx接受光信号接受光信号12ttt时间间隔时间间隔s系系同一同一地点地点 B 发生两事件发生两事件 yx xvosdB12369xyosd12369123691x2x12369)(2cxttv)(2cxttv0 x21tt第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版19xyosd12369123691x2x12369 yx xyvoossdB1236921tt固有固有时间时间：同一

13、同一地点发地点发生的生的两两事件的时间间隔事件的时间间隔.时间延缓时间延缓：运动：运动的钟走得慢的钟走得慢.0ttt第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第五版20狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观 (1)空间和时间都是相对的，与参照系空间和时间都是相对的，与参照系的选择（即运动）有关的选择（即运动）有关.(2)时间与空间不互相独立，而是不可时间与空间不互相独立，而是不可分割的整体，构成分割的整体，构成四维四维时空。时空。第十四章第十四章 相对论相对论14-4 14-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观物理学物理学第五版第

14、五版21 例例3 设想一光子火箭以设想一光子火箭以 速率相对速率相对地球作直线运动地球作直线运动，火箭上宇航员的计时器记录，火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去他观测星云用去 10 min,则地球上的观察者测则地球上的观察者测此事用去多少时间此事用去多少时间？c.950 vmin01.32min95.0110122tt运动的钟似乎走慢了运动的钟似乎走慢了.min10t解解 设火箭为设火箭为 系、地球为系、地球为 S 系系S 第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版22(1)相对论动量遵循洛伦兹变换相对论动量遵循洛伦兹变换v

15、vvmmmp0201当当 时时cvvv0mmp一动量与速度的关系一动量与速度的关系(2)相对论质量相对论质量201mm静止质量：静止质量：m0第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版23相对论质量相对论质量201mm 说明说明质量与速度有质量与速度有关关.)(vmm0m12340.20.41.000.60.8v c第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版24物体相对于惯性系静止时的质量物体相对于惯性系静止时的质量.0m静质量静质量 :结论结论:质量具有相对

16、意义质量具有相对意义.,可以认为质点的可以认为质点的质量是一个常量质量是一个常量,牛顿力学仍然适用牛顿力学仍然适用.当当 时时cv0mm 第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版25三质量与能量的关系三质量与能量的关系动能定理动能定理pxxxpxtpxFE000kdddddv设设 201vmppppdd)(dvvvv2vvvv022020kd11cmmE积分积分202020k11cmcmmE2222vvvcc第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版260m

17、m202020k11cmcmmE2222vvvcc)111(220202kcmcmmcE相对论相对论动能动能20k21vvmEc当当 时，时，静能量静能量200cmE物体物体静止静止时所具有的时所具有的能量能量.第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版272mcE 相对论相对论质能质能关系关系 质能关系质能关系指出指出：物质的质量和能量之间有密切的联系物质的质量和能量之间有密切的联系.总能量总能量相对论能量和质量守恒是一个相对论能量和质量守恒是一个统一统一的物理规律的物理规律22mccmEE0K第十四章第十四章 相对论相对论

18、14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版28物理意义物理意义2mcE 2)(cmE 惯性质量的增加和能量的增加相联系，惯性质量的增加和能量的增加相联系，能量的改变必然导致质量的相应变化，这是能量的改变必然导致质量的相应变化，这是相对论的又一极其重要的推论相对论的又一极其重要的推论.相对论的质能关系为开创原子能时代提供了相对论的质能关系为开创原子能时代提供了理论基础理论基础,这是一个具有划时代意义的理论公式这是一个具有划时代意义的理论公式.第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版29四质

19、能公式在原子核裂变和聚变中的应用四质能公式在原子核裂变和聚变中的应用n2SrXenU109538139541023592u22.0m质量亏损质量亏损原子质量单位原子质量单位 kg 1066.1u127放出的能量放出的能量MeV2002cmEQ1 1 核裂变核裂变1g 铀铀 235 的原子裂变释放的能量的原子裂变释放的能量J105.810Q第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版30原子弹爆炸（核裂变）原子弹爆炸（核裂变）1967年年6月月17日，中国日，中国第一颗氢弹爆炸成功第一颗氢弹爆炸成功 第十四章第十四章 相对论相对论

20、14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版31五五 动量与能量的关系动量与能量的关系222021ccmmcEv2201cmmpvvv22222022)()(cmcmmcvE200cmE pc22202cpEE 极端相对论近似极端相对论近似pcEEE,0第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版32光子光子cmv00mccEp光的波粒二象性光的波粒二象性/hphE第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版33“If rela

21、tivity is proved right,the Germans will call me a German，the Swiss will call me a Swiss citizen，and the French will call me a great scientist.If relativity is proved wrong the French will call me a Swiss，the Swiss will call me a German，and the Germans will call me a Jew.”Albert Einstein第十四章第十四章 相对论相

22、对论34狭义相对论自测题狭义相对论自测题第十四章第十四章 相对论相对论35第十四章第十四章 相对论相对论36第十四章第十四章 相对论相对论37第十四章第十四章 相对论相对论38解解:202cmmcEk202201cmcm)111(220cmMeV1.3)199.011(51.02第十四章第十四章 相对论相对论39解解:202cmmcEk20202023cmcmcm第十四章第十四章 相对论相对论40解解:5.0511.025.0)(02020000EEcmcmmmmmmmk第十四章第十四章 相对论相对论41解解:)1)(11(220202cvcmcmmcEk第十四章第十四章 相对论相对论42由能

23、量守恒由能量守恒2022cMmc 解解:第十四章第十四章 相对论相对论432222)(ctzyx2222)(t czyx相对的相对的运动运动第十四章第十四章 相对论相对论44解解:2201cvll2021llcv由由:得得:c23c866.018sm106.28106.2第十四章第十四章 相对论相对论45解法解法1:1:利用长度收缩效应：利用长度收缩效应：设宇宙飞船的速度为设宇宙飞船的速度为u,从从飞船的角度来讲飞船的角度来讲,空间相对它以空间相对它以u的速度运动的速度运动.牛牛郎星与地球间的距离变短了。郎星与地球间的距离变短了。cl16020)/(1cull4u解法解法2:2:利用动钟变慢效

24、应：利用动钟变慢效应：从地面上的角度来讲从地面上的角度来讲,宇宙宇宙飞船上的钟走的慢了。飞船上的钟走的慢了。2)/(1cutuc1618sm109.21716cu18sm109.21716cu第十四章第十四章 相对论相对论46解解:2201cut288.01106.281033.4s1033.48第十四章第十四章 相对论相对论47解解:u2201cull28.0150cm30llV2033m075.0cm750003050503m075.0第十四章第十四章 相对论相对论482201cula解解:2021lacu解解:45202020202020cmcmcmcmcmmcEEk第十四章第十四章 相

25、对论相对论49解解:45202020202020cmcmcmcmcmmcEEk4第十四章第十四章 相对论相对论5020)/(1cuummup解解:um02cu232020220202)/(1cmcmcucmcmmcEkcu23第十四章第十四章 相对论相对论51解解:已知已知:cukgm8.010对甲对甲:20cmE J109)103(11628对乙对乙:2mcE 220)(1cucm2168.01109J105.11791016 J1.51017 J第十四章第十四章 相对论相对论52解解:对甲对甲:对乙对乙:20)/(1cullSlm22)/(1)/(1/cuSlcum)/(1 2cuSlmSlm925第十四章第十四章 相对论相对论53解解:2mcE 220)/(1cucm2283199.01)103(1011.9J108.5132022021cmmcum)1)/(11(2122020cucmum%820)/(1cumm相非EECF第十四章第十四章 相对论相对论14-6 14-6 相对论性动量和能量相对论性动量和能量物理学物理学第五版第五版54谢谢 谢谢 河南理工大学物理化学学院河南理工大学物理化学学院