相对论和时空.ppt

第,*,页 共,23,页,大学物理,同学们好,！,E,=,mc,2,1,第五节,狭义相对论力学基础,一、改造经典力学的两条原则,1.狭义相对性原理(对称性思想)的要求,改造后的力学定律必须是洛仑兹变换的不变式,2.对应原理的要求,新理论应该包容那些在一定范围内已被证明是正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。,即,：,相对论力学定律 经典力学定律,相对论力学量 经典力学量,思路,：,重新定义质量、动量、能量，使相应的守恒定律在相对论力学中仍然成立。,2,二、质量概念的修正,1.,质速关系,设在相对论中，质量与时间、长度一样，与惯性系的选择有关。,静系中：,动系中：,固接于粒子,A,的 系,理想实验：,全同粒子的完全非弹性碰撞,固接于粒子,B,的 系,3,在两坐标系中，粒子系统质量守恒、动量守恒。,质量守恒：,动量守恒：,固接于粒子,B,的 系,解得：,质量守恒：,动量守恒：,固接于粒子,A,的 系,4,代入洛仑兹速度变换,得质速关系：,满足对应原理的要求：,1.0,5,实验验证,：,测高速电子的荷质比,经典情况(质谱仪):,相对论情况:,考夫曼实验结果：,电子质量随速度变化,6,三、质能关系,将质速关系按幂级数展开，得,两边同乘以,c,2,得,相对论动能,定义,:,总能量,静能量,质能关系,7,E,v/c,o,E,0,E=mc,2,E,k,=,mc,2,-,m,0,c,2,实验验证,核嬗变：,由参加反应各原子质量，反应前后能量损失计算出的光速与实验值相符。,正负电子对湮灭：,由质能关系计算出的辐射波长与实验值相符。,8,质能关系的意义：,1,)质量概念进一步深化,相对论总能,E,包含了物体的全部能量(机械能、电磁能、原子能等)，解决了经典物理未能解决的物体总能问题。,质量是约束能量的形式，是能量的载体。质量、能量不可分割，没有脱离质量的能量，也没有无能量的质量。无论物质如何运动，二者只由常数,c,2,相联系。,2),质能关系统一了质量守恒定律和能量守恒定律,在经典物理中二者互相独立，在相对论中二者关联，平行进行。在孤立系统内，,静质量,动质量,静能,动能,总质量、总能量不变,9,3),质能关系是人类打开核能宝库的钥匙。,裂变：重核分裂为中等,质量的核。,聚变：轻核聚合为中等,质量的核。,质量亏损，释放结合能,应用：原子弹、氢弹、,核电站,10,四、能量与动量的关系,于是,1,.相对论动量,2.,能量与动量的关系,由,消去 得,11,当 时,讨论:,满足对应原理,12,五、相对论动力学基本方程,从相对论角度审视经典力学的基本定律：,1.,惯性定律对洛仑兹变换(为线性变换)保持不变，,在相对论中成立。,2.,牛顿第二定律,由：,相对论动力学基本方程,得：,满足对应原理,13,3.,确立,“,场,”,的实在地位,牛顿第三定律失去意义,牛顿第三定律建立在超距作用和绝对时空观基础之上，而相对论认为场是传递相互作用的媒介，是物质存在的形式：,粒子,粒子,场,小结：相对论动力学的三个主要关系,能量与动量的关系：,质速关系：,质能关系：,动能,总能,静能,14,练习,1,用相对论讨论光子的基本属性,1.光子的质量,由,可知,一切以光速运动的微观粒子，其静止质量必为零。,即：光子在任何参考系中均以光速运动，找不到与光子相对静止的参考系。,15,2.光子的动量,太阳辐射能流：,产生光压：,又由,可知,例如,一个静质量为 的粒子，以 的速率运动，并与静质量为 的静止粒子发生对心碰撞以后粘在一起，求合成粒子的静止质量。,练习2,问题,：,合成粒子的静止质量是 吗？,16,解：,设合成粒子的运动质量为,M,，,速率为,u,，,由动量,守恒和能量守恒：,由于,代入,(2),式得,再代入(1)式得,17,解：,(1)由题意,可得：,在什么速度下，粒子的动量等于其非相对论动量的两倍？又在什么速度下，粒子的动能等于其非相对论动能的两倍？,练习,3,(2),由题意,得,18,解：,由题意,可得,已知:,一个电子的静能为,0.511,MeV,，,经同步加速器加速后，能量增量为,20.00,MeV,，,求：,该电子质量与其静质量之比。,练习,4,19,狭义相对论的,意义和局限,一、相对论把对称性思想提高到作为构建物理理论的出发点的高度,1.,表面的相对性蕴藏着内在的绝对性,长度、时间、质量等的相对性来自具有绝对性的基本原理：,物理定律的数学形式,真空中的光速,不随参考系变化,2.,揭示出一些物理量的关联，建立起新的不变量，更深刻地反映了自然界的对称性。,四维时空，质能关系，能量、动量关系,20,3.相对论不变性成为约束其他理论的原则之一，用以排除、改造不符合相对性原理的规律。,二、相对论改变了人类的观念和生活,1,.宇宙观的发展,地球是宇宙的中心,地球(太阳系、银河系)是宇宙中特别优越的惯性系,一切惯性系等价，宇宙无中心，取消地球的特殊地位,人类以崭新观念探讨人与宇宙的关系，建立人与自然和谐发展的新自然观,21,3.科学观的革新,人们用于描述客体属性的概念并不完全是客体自身的实在性质，而是反映了客体与观察者的某种关系，均要受到人类认识手段和思维方式的限制，人类对自然的探索是永无止境的。,4.,扩大了人类实践活动的领域,低速,高速,宇观,微观,打开核能利用的大门,2.时空观、物质观的深化,22,三、相对论不是终极理论,1),未包容非惯性系和引力定律，对称性尚不完善,2),受决定论思想方法支配，未包容微观世界的统计规律,3),未能揭示时间箭头的物理意义,相对论只是物理理论发展中的一个台阶，它不能穷尽各层次事物间的相互联系和作用方式，相对论不是终极理论。,四、广义相对论的建立,目标：,实现惯性系和非惯性系的平权。,改造引力理论。,23,