ch08-4 狭义相对论动力学基础.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,*,?,对,人,本身及其命运的关心，必须永远成为一切技术努力的主要兴趣所在,以使我们心灵的创造成为人类的幸事而不是灾祸。绝对不要迷失在你的图形和方程式中。,爱因斯坦,同学们好！,下次课交作业,!,内容回顾,（,1,）时间量度的相对性：,原时、观测时间（非原时）、时间膨胀,事件的事件间隔,（,2,）空间量度的相对性：,原长、观测长度（非原长）、尺缩效应,事件发生的空间间隔,原长,0,观测长度（非原长）,0,原时,非原时,在一切时间测量中，原时最短！,在一切长度测量中,原长最长！,不同惯性系中观察者时空观念的关联,注意：,系,系,事件,事件空,间间隔,事件时,间间隔,变换,例,4.,一宇宙飞船的船身固有长度为 ，,相对地面以 的匀速率在一观测站的,上空飞过。,（,1,）观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？,（,2,）宇航员测得飞船的船身通过观测站的时间间隔是多少？,（,2,）宇航员测得飞船船身通过观测站的时间间隔,解：,（,1,）由相对论效应，观测站测出船身的长度为,观测站测得飞船的船身通过观测站的时间间隔,思考,:,有无其它解法？,8.4,狭义相对论动力学基础,一,.,改造经典力学的两条原则,改造后的力学定律必须是洛仑兹变换的不变式,.,1.,狭义相对性原理（对称性思想）的要求,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。,二、质量速关系,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：,理想实验：,全同粒子的完全非弹性碰撞,相对于,A,静止,的,系,相对于,B,静止的,系,在两坐标系中，粒子系统质量守恒、动量守恒。,固结于粒子,A,的 系,固结于粒子,B,的 系,质量守恒,动量守恒,解得：,代入洛仑兹速度变换：,得质速关系：,满足对应原理的要求：,如果物体以小于一百多,km/s,速率运动，其质量在,10,6,的精度内不变。,练习：,虽然低速下是一个非常小的效应，但要求我们的观念发生深刻的变化。,物体质量并不恒定，它随速率增大而增大。因此物体不能被无限加速,.,三,.,质能关系,将质速关系按幂级数展开，得,两边同乘以 得,相对论动能,定义,:,总能量,静能量,质能关系,质能关系的意义：,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,1,）质量概念进一步深化,相对论总能,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 相联系。,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,目前：,全世界运行核电机组：,450,多座,总装机容量：,3.5,亿千瓦,；,占发电量：,17,法国核电占总发电量,70%,我国核电占总发电量,1%,，计划,2020,年达到,5%,以上,目前世界最大的核电站日本福岛核电站,广岛：,1945,年,8,月，投下的原子弹释放出,1.2,万吨当量的核能，当场死亡,14,万人，,5,千米跨度的城市化为废墟。到,1950,年，总死亡人数,20,万人，占广岛总人数,50,。,对,人,本身及其命运的关心，必须永远成为一切技术努力的主要兴趣所在,以使我们心灵的创造成为人类的幸事而不是灾祸。绝对不要迷失在你的图形和方程式中。,爱因斯坦,1948,年,4,月,28,日，爱因斯坦在接受一个世界奖时发表讲话，对军备竞赛的危险提出警告。,四、能量与动量的关系,1.,相对论动量,2.,能量与动量的关系,当 时,讨论,满足对应原理,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.,惯性定律保持不变，在相对论中成立。,2.,牛顿第二定律,相对论动力学基本方程,得：,注意动量与速度,v,的关系，不再是线性关系。,当,v,c,时，相对论动量与经典动量一致。,讨论：,（,1,）力既可以改变物体的速度，也可改变物体的质量,（,2,）力,与,加速度 的方向一般不会相同；,满足对应原理,3.,牛顿第三定律失去意义，,确立,“,场,”,的实在地位,.,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,质速关系,能量与动量的关系,质能关系,动能,总能,静能,练习,1,用相对论讨论光子的基本属性,1.,光子的能量,2.,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。,光子的质量,又由,可知,3.,光子的动量,太阳辐射能流,产生光压,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？,v,=0.8,c,3m,0,m,（,v,）,M,（,u,）,u？,思路：,动量守恒,能量守恒,M,（,u,）？,u,？,M,0,？,非弹性碰撞，为什么能量守恒？,总能守恒,由于,代入（,2,）式得,解：,设合成粒子的运动质量为 ，速率为 ，,由动量守恒和能量守恒：,再代入（,1,）式得,又由,得,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,可得,对不对？,不对！,（,2,）由题意,于是,得,8.6,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.,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,爱因斯坦式的工作程序：,科学观念,原理,逻辑结论和可观测事实,实验检验,4.,相对论不变性成为约束其它理论的原则之一，用以排除、改造不符合相对性原理的规律。,3.,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,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,一切参考系等价,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,物质观的深化：,质量是约束能量的形式，是能量的载体。无论物质如何运动，二者只由常数 相联系。,确定了,“,场,”,的实在地位，场是物质存在的基本形式之一。,2.,时空观、物质观的深化,时间与空间的测量与参考系有关,不存在绝对的时间,和绝对的空间,.,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。,3.,科学观的革新,自从广义相对论出现以来，不能再把空间时间看做舞台，把物质看做演员；两者的性质如此密切相关，人们几乎可以把它们称作同一种事物的不同名称。,薛定谔,三,.,相对论不是终极理论,1.,狭义相对论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。,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,