第3次 相对论动力学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上次内容回顾,同时的相对性,运动时钟,运动长度,一）牛顿,力学（经典力学）,：,质点的动量 动量守恒（所有惯性系）,（1）质量是恒量；（2）遵循伽利略变换,牛顿定律,相对论动力学方程、质量、动量、能量,（Relativistic Dynamic Equation、Mass、Momentum、Energy）,用一恒力加速一个粒子，依牛顿定律其加速度为,即,，,按牛顿定律粒子速度可以超过光速。在经典力学中速度没有上限,。,人们曾在美国斯坦福直线加速器中加速电子，加速器全长2英里，每米加以七百万伏,电压。,斯坦福加速器全貌,斯坦福加速器内貌,全长2英里,依经典理论电子速,度应该,达到,：,而实测值为,：,结论：,牛顿定律与光速极限矛盾,牛顿力学,须改造,！,伽利略变换下,1）在,“,LT,”,下具有协变性,-满足相对性要求及光速不变原理。（各种物理规律包括,动量守恒,及,能量守恒,在,不同惯性系,中具有,相同,的,形式,。,）,2）满足渐进性要求,-,伽利略变换,如何改造呢？,改造,应满足：,经典,：,动量与速度成正比，且质量不变。,二）相对论性动量和质量,可以证明，如果,不改变定义,，动量守恒在洛伦兹变换下,不能对一切惯性系都成立！,c.f.,程守洙-江之永普通物理学1982 第三册,P,123,。,必须进行修正,怎么修正？途径？,1）可改变动量定义,2）可改变质量定义,采用后者,事实上：这一结论早在1905年考夫曼从放射性镭放出的高速电子的实验中,就被,发现。相对论问世以后再次由考夫曼、彼歇勒,（,1909年,）,、盖伊拉范采,（,1915年,）经,实验证实。,这样动量的,表达式,应,为（保留定义式）：,可见，质量随速度增大而增大。,经典中（伽利略变换下）质量不变，光速变。,不可能，,静止质量不为零的粒子不可能以光速运动！,若 ，则当 时，,洛伦兹变换下,动量形式不变,且动量守恒。,c.f.,程-江,三）相对论动力学方程,相对论中仍然,保持,了牛顿定律的原来框架。,其中,，,为质点的速度,。,注意：1）,2）方程虽保持了原牛顿定律的框架,但内容却有别,。,注意：,2）方程虽保持了原牛顿定律的框架,但内容却有别,。,经典力学,相对论力学,力的作用,产生,改变速度,的大小、方向,改变速度、改变,质量,F,长时间,作用,力的方向,决定于,决定于,的合矢量方向,四）相对论动能、质能关系,1）相对论动能,经典力学中一速度为,的粒子的动能为,相对论中动能的定义,依然,保留,：,为简单，设一力沿,x,轴作用于一静止的质点上，,速度由0增到,则其动能：,x,讨论：,a,）,回到了,经典物理,展开,=0,说明将一个静质量不等于零的粒子加速到光速须作,无穷大的功。或者说实物粒子速度有一极限速度,c,2）,质能公式,b,）,将动能公式变化一下：,式中,称为,总质量,称为,静质量,而将,称为,动质量,则：,则：,即相对论总质量是由两部,分组成。静质量、动质量,凡质量都有要受到引力的作用，有些物质如光子，其静质量为零，但具有动能，也就具有动质量，同样受到引力的作用，天文观察证明了这一点。如图,从星星A发出的星光本应,沿直线传播，但受太阳的,引力作用而发生偏转。,日,动质量对应一份能量，静质量呢？为此将上式两边,边同乘以,c,2,:,则：,上式各项都具有能量的量纲，爱因斯坦充分注意,到了这一点,，,他预言有质量的地方必有能量。,并定义：,物体相对论总能量,：,物体相对论静止能量,：,物体相对论动能,：,则：,物体相对论总能量,物体相对论静止能量,物体相对论动能,三者的关系是：,独到之处,是提出了物体静止质量也对应一份能量。原子弹的爆炸成功正是将静止能量开发出来的结果。也是对这一理论的有力证明。,几点说明：,1）静止能量实际上是物体的总内能,分子的内能、势能、原子的电磁能、质子中,子的结合能等。静止能量是相当可观的。,例,：,一公斤的物体的静止能量,相当于20吨汽油燃烧的能量。,100座楼，每楼200户，每天用电10小时，年耗电量,2,.,7210,15,J,。,大约可用,33年,。,（1焦耳=2.7777777777778,10,-7,千瓦时,1千瓦时=3,600,000 焦耳,）,2）质能相互依存，且同增减,从质能公式,可知总能量正比于质量,哪,儿有能量，,哪,儿就有质量，,哪,儿有质量,的变化，,哪,儿就有能量的变化。即：,注意是,伴随,不是,转化！,3）,尽管质能互相依存，但在一个弧立系统内总,能量和总质量分别守恒（不是仅仅静质量守恒）,以原子核反应为例：,反应前的总能量=反应后的总能量,反应前的总质量=反应后的总质量,（弧立系统）,（弧立系统）,即由,n,个质量组成的系统中：,也就是说在总质量守恒的条件下，系统内的核反,应中静质量和动质量可以互相转化，当静质量减,少，动质量增加时，系统以动能的形式放出能量,这种反应称为,放能,反应。,相反动质量也可以减少，而静质量增加，系统,吸收能量以静能的形式存储起来。这种反应称,为,吸能,反应。,例：两粒子（静止质量为,m,0,）以大小相等方向,相反的速度接近，发生完全非弹性碰撞（粘）。,求碰后粒子质量。（=2,m,0,？）,解：因为动量守恒，复合粒子静止，设静止质量,为,M,0,。则总能量（等于静止能量）,碰撞时动能转为静止能量,质能公式在原子核裂变和聚变中的应用,质量亏损,原子质量单位,放出的能量,1,g,铀 235 的原子裂变所释放的能量,1,核裂变,1941年12月6日，美国总统罗斯福根据爱因斯坦的思想，批准了代号“曼哈顿工程”的研究项目。由,奥本海默,领导了一批世界著名的物理、化学、数学、气象学家和工程专家，进行原子弹研究。,1945年7月16日5:30 第一颗原子弹爆炸。,开启天堂的钥匙,也能打开地狱的大门,原子弹,广岛、长崎落下两枚原子弹，瞬间夺去,2,0万人的生命。,核轰炸的消息传来，杜鲁门和许多官员兴高采烈，大多数参加“曼哈顿计划”的科学家们却心情沉重。爱因斯坦便痛心地说，当初致信罗斯福提议研制核武器，是我一生中最大的错误和遗憾。他甚至懊悔当初从事的科研，“早知如此，我宁可当个修表匠。”,我们要利用爱因斯坦公式为人类创造更美好的家园，而不是毁灭我们自己居住的这颗行星。,我国于,1958,年建成的首座重水反应堆,2,受控,核聚变,（轻核）,1 受控核聚变的基础知识,核聚变反应，取之不竭的能源,达到核聚变的条件劳逊判据,关键的困难：,加热,与,约束,太阳是一个巨大的聚变反应堆,氢弹聚变能的不可控释放,2,磁约束,聚变,多途径的探索：箍缩，仿真器,托卡马克成为集中发展的主要途径,3 聚变电工,强脉冲电源 辅助加热 磁体系统 等离子体控制,4 惯性核聚变,托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字,Tokamak,来源于环形(,to,roidal)、真空室(,ka,mera)、磁(,ma,gnit)、线圈(,k,otushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的,。,合肥EAST超导托卡马克,正在建造（2004.8）,JT-60,例：在一种热核反应中，各种粒子的静质量如下：,求：反应释放的能量。,氘核,氚核,氦核,中子,反应质量亏损,：,释放,的,能量,：,1,kg,核燃料释放能量,：,教材288页例2,另解,五）相对论动量、能量的关系,两式大小相除：,设一静质量为 ，速度为 的粒子,或：,整理,，得,：,利用三角形有助记忆：,六）静质量为零的粒子,发现有五种静质量为零的粒子-光子、电子型中微子、电子型反中微子、,型中微子、反中微子。,（近据报导,，,国外发现中微子质量不为零,。,这里以光子为例,。,）,能量为E的光子具有动量：,总质量：,故总能量：,光子有动量,已,从天文上得到证实,。,日,扫帚星的形成,小,结,1,.,动量,2,.,动力学方程,3,.,质速关系,4,.,质能关系,5,.,动量,与,能量关系,6.光子,1）静止质量为零：,2）运动质量,3）动量,这正是光的波（,波长、频率,）粒（,动量、能量,）二象性的体现。,经典力学 相对论力学,动量,动力学方程,动能,动量能量关系,本次作业,17-29、17-30、17-32、17-36、17-38、17-39,