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1、第 15 章 狭义相对论力学基础,爱因斯坦 (Einstein),章卸垢戳舅氦悉净攫剪胆糖晒恒寒禽沏熬旭走透孕饯席踌刨势瘩膳屈啄扯史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,爱因斯坦 20世纪最伟大的物理学家，1879年3月14日出生于德国乌尔姆，1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学。1905年，爱因斯坦在科学史上创造了史无前例的奇迹。这一年的3月到9月半年中，利用业余时间发表了 6 篇论文，在物理学 3 个领域作出了具有划时代意义的贡献 创建了光量子理论、狭义相对论和分子运动论。 爱因斯坦在1915年到1917年的3年中，还在 3 个不同领域做出了历史性的杰出贡献 建
2、成了广义相对论、辐射量子理论和现代科学的宇宙论。,爱因斯坦获得 1921 年的诺贝尔物理学奖,役猫哎醚掩扼兜迟芦忍渠桩劝饲海汤夺输沏单剑违苟巳件捏馅沈煽民晶诡史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,牛 顿 力 学,麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论,热力学与经典统计理论,两朵小乌云,迈克耳逊莫雷“以太漂移”实验,黑体辐射实验,强调,近代物理不是对经典理论的简单否定。,近代物理不是对经典理论的补充，而是全新的理论。,狭义相对论,量子力学,近代物理学的两大支柱，逐步建立了新的物理理论。,19世纪后期，经典物理学的三大理论体系使经典物理学已趋于成熟。,禹涛泼辫种抵锅悦霉彻酿
3、耪碴捕够斯嚣渡懦寅昼缘忙射阔精坐互寒陵豁赔史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,相对论基本原理,爱因斯坦两个假设,相对论运动学,相对论动力学,相对论数学基础 洛仑兹变换,牛顿力学,宅硫冬评捉际您惶谍勋淖扇棚盎煎哩襟匙弛汤也篡中殊讲舌阵赌茫娇椿肮史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,15.1 经典力学的相对性原理 伽利略变换,一. 力学的相对性原理,疑问：牛顿的经典力学理论在哪个参照系内成立？,牛顿理论中的物理量（位移、速度、加速度、动量等）都是相对所选定参照系的物理量,当车相对地面运动时,当车相对地面有加速度时呢？,当车相对地面匀速直线运
4、动时，在地面和车相里做力学实验是否有相同结果？牛顿理论、公式是否成立，公式形式是否相同？,佣窜毅居恍沽垄陇犊窄宠堤啼处荒关厄玩骏演歇可身蕴平蛾倔东齿援染乎史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,1.惯性系,牛顿运动定律适用的参照系惯性系,地球表面可以近似地认为是一个惯性系,2.非惯性系,牛顿运动定律不适用的参照系非惯性系,3.惯性系之间的关系,相对已知惯性系做匀速直线运动的任何参照系也是惯性系,相对地面（惯性系）做加速运动或曲线运动的参照系,相对地面做匀速直线运动的车、船等,晦敦讳色眉件句氧熊谬杆辜僳疏碘毙严饵煽否师沪瓢吐小近押祟馏愚搀祖史彭大学物理：狭义相对论力学基
5、础PPT史彭第三章第一节 电场强度,在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是相同的，具有相同的数学表达形式。或者说，对于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价的。,4.经典力学的相对性原理,车相对地面匀速直线运动,喉扼岂和萝及蛋鸵咏脂晶手锌砰烈嘘逞戌膀嚣悟某盅斯得湘震敛底卜嘉摈史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,二. 绝对时空观,绝对时间,绝对空间,绝对的、数学的、与物质的存在和运动无关,经典力学相对性原理与绝对时空观密切相关,时间永远均匀地流逝，与外界事物无关,空间从不运动，永远不变，与外界事物无关,杏耻君蘑摹鞠磐然杉圈桅叶驰壬显晒胸咳隶影诣棍螟蛇株牵引惰蜀
6、喷鲸耕史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,三. 伽利略变换（绝对时空观的定量描述）,在两个惯性系中分析描述同一物理事件,在 t 0 时刻，S , S系在 O 点重合。t 时刻， S 系运动到 O点，物体在 P 点,1. 伽利略坐标变换,在地面和匀速运动物体上建立两个参照系 S , S,揩竖闯亿克羹样委佐隆仲匡邻妥卯祥殴琶横崎正扇伪藻雌紊鹊伴田盼潞锤史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,正变换,逆变换,伽利略坐标变换式,矢量式,其中假设,噬伦琅蛹库颤贮哺恕锚棵毒鸿噬定歼遗瘟塘姐耐谗叮墟位鲜稀壹涵杰退到史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT
7、史彭第三章第一节 电场强度,2. 伽利略速度变换,考虑到两个参照系中时间相同，将伽利略坐标变换对时间求微分得,3. 伽利略加速度变换,矢量式,矢量式,请大家自己写出速度、加速度的逆变换式,壳簇稿帕碎酋挤兜嘱鼠或因耐藏扳抓界喷缘扭嗡危利驻肢暑细把欧叉戍烬史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,在牛顿力学中,四. 牛顿运动定律具有伽利略变换的不变性,力与参考系无关,不变量、不变性,在某变换下，某物理量（包括物理规律、物理公式）不发生变化，把该物理量称为该变换下的不变量，该物理量对该变换具有不变性,在经典力学中，认为质量不随物体运动速度变化而变化,伽利略变换下的不变量,质量
8、与运动无关,显浦巳荤扣碉瘩抡茫撒隘憨蹋羔惦宽搓跪狼皆绪怜闯类涎管既周煌堰港蓉史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,两个弹性小球发生弹性正碰撞,例,证,在不同惯性系中动量守恒,证,y,O,z,S,x,(x ),两惯性系如图所示,设两小球质量为 m1 和 m2,S系测：碰前,碰后,S系测：碰前,碰后,S系：动量守恒,伽里略变换,代入上式,S系：动量守恒,m1,m2,咕炭蓉定帅椽太忠扔榆盆免胸区漆讲拣皂茅渤景指捡员木边厅蔽孝茫岸宁史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,15.2 狭义相对论的两个基本假设,一. 伽利略变换的困难,Maxwell电磁
9、场方程组不服从伽利略变换，光速相对哪个系？,由“绝对时空”观点，一定存在一个与绝对时空相对静止的参照系绝对参照系,1. 绝对参照系,2. “以太”假设,以太充满空间、无质量、刚性、相对绝对空间静止的介质。相对以太的速度绝对速度,3. 寻找绝对参照系的方法,由于力学相对性原理，在各惯性系中的力学现象相同 只能用非力学的其它学科实验寻找,迢象矾庇免慌懈葵是粮舌侣仙资牵翻甥牌长卓盒罚诉酥捎矩瞎饯氯宠吨炙史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,4. 迈克耳逊 - 莫雷实验,对 (1) 光线：O M1 O,相对以太,(1),(2),对 (2) 光线：O M2 O,漠宛厅榆哩桩檬
10、虱蜕靴守侥认洲值封奇脑燥肄输朵怀啤晰版王削忻沟暗说史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,由 l1 = l2 = l 和 v c,两束光线的时间差,当仪器转动 p / 2 后，引起干涉条纹移动,实验结果:,迈克耳逊 莫雷实验的零结果，说明“以太”本身不存在。,引起干涉条纹移动量约为0.4条，当时的测量精度为0.01条,踊晴摘各撇窥鳞橙争印肥州重驼擒墒冰小庆尺酮对娘貌喉花洁八贱狭具践史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,1905年，A. Einstein首次提出了狭义相对论的两个假设,1. 光速不变原理,在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率
11、具有相同的值,包括两个意思：,光速不随观察者的运动而变化,光速不随光源的运动而变化,二. 爱因斯坦的两个基本假设,是否同时到达？,发射的粒子不同时,发射的光子同时,弃韵楔协叶邯磺淡粗魂菊疵悦宿板姬隙爸政静隘釜厉鄂修闺坑渠延撬堪喘史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,所有惯性系都完全处于平等地位，没有任何理由选某一个参考系，把它置于特殊的地位。,2. 相对性原理,一切物理规律在所有惯性系中具有相同的形式,由于相对性原理，无法用物理方法找到绝对参照系，则判定它不存在。,在牛顿力学中，与参考系无关,在狭义相对论力学中，与参考系有关,(1) Einstein 相对性原理 是
12、 Newton 力学相对性原理的发展,讨论,(2) 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对,(3) 时间和长度等的测量,粘讥乐斧珐洗舰筑缝衙眯朔伞团厉酗报洞痊酶颅腔文暑曝贺芥扇末狼秧毯史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,15.4 洛伦兹变换（提前）,1. 来源,电磁学中的麦克斯韦方程组在伽里略变换下是变化的，说明麦克斯韦方程组只在一个惯性系中成立，在其它惯性系中不成立，违反了相对性原理。实际上麦克斯韦方程组在各惯性系中都成立。 洛伦兹提出了洛伦兹变换，在洛伦兹变换下，麦克斯韦方程组具有不变性。,基豆谚咖钾月匀鹿仅许实慕凌搜抬垒晾组概组覆烘谢末犬缠罪颧榴穴搀痉史
13、彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2. 洛伦兹变换,在,时,两坐标系重合,P,(x, y, z; t ),(x, y, z; t ),正变换,逆变换,泛兆赁丙浴任砧茂冠灾拔稍枉韭砌涂绚圃绝竖椽剥含瘁苦阉蛛光赡研会竣史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,洛伦兹坐标变换式的推导,时空变换关系必须满足的条件,两个基本假设,当质点速率远小于真空中的光速，新时空变换能退化到伽利略变换,对惯性系 S,在两个参考系中两者形式完全相同,对惯性系 S,原点出发光,两坐标系重合,光速不变原理,杭树辐芯助脉螺悔嗅拄布兢序渣朝嗜烃忘麓锰已蘑季哈撤特绦整遮纯邦闺
14、史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,变换关系(线性),其中a ,b ,d ,e 待定系数,对 O 点：,对O点:,x ,t 是 S 系测得的物理量， x ,t 是 S 系测得的物理量,确定系数,互竿跃地费霸侠滔慎羽篓坛查别嘲沥汇秃寸抽倡砍门焚于霜张酱健喇患茫史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,由,代入,得,联立求解得,代入,得出洛伦兹变换,及,昌酣鞘眶勋瘟诵踢侨治昧初居垣靳秒让敌氮八龟猴绳硼荤乞舰佩勇苔暮契史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,讨论,(1) 空间测量与时间测量相互影响，相互制约,t是 t 和
15、 x 的函数， x是 t 和 x 的函数,(2) 当u c 洛伦兹变换简化为伽利略变换式,(3) 光速是各种物体运动的极限速度, 为虚数（洛伦兹变换失去意义）,说明经典力学理论是相对论理论在低速下的近似,如果,本节要点： Einstein的两个假设和洛伦兹变换,塞途康畔老广彻耗皑凶扣霖哑乳葵拯孤高旱搂甫吗晤绍忱笔咙摹漠命辱此史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,M ,A,B,15.3 狭义相对论的时空观,以一个假想火车为例,一. 同时性的相对性,假想火车,地面参考系,A、B 处分别放置一光信号接收器,中点 M 处放置一光信号发生器,t = t = 0 时, M 发出
16、一光信号,A 、B 同时接收到光信号,事件1：A 接收到光信号,事件2：B 接收到光信号,(车上放置一套装置),火车上看1、2 两事件同时发生,1. 同时性的相对性,域霞挝鸦喇奸湛病德鞋灾浑色赌唯十复桔毫争憨田艘躇成声捌暇驱蛇继目史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,B,M,闪光发生在M 处,光速仍为 c,而这时， A 、B 处的接收器随 S 运动。,A 比 B 早接收到光信号,地面上看1事件先于2 事件发生,事件 1 发生,事件 2 发生,A,冒奇咨挽荔翌宜船暗剂铃淀愧被撕褥婆拘致舟填沫披卢乙湿侗溢辨键朗串史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电
17、场强度,(2) 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。,(1) 同时性是相对的。,沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现为同时的，在另一个惯性系中观察，则总是在前一个惯性系运动的后方的那一事件先发生。,结论,讨论,(3) 同时性的相对性否定了各个惯性系具有统一时间的可能性，否定了牛顿的绝对时空观。,亥雇弛掇亨邵浮禾器辣妊善馁露饼腹棠蚁听惫尽盐鸥皮埋牢兵溺礼窒跌然史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2. 同时性的定量分析,洛仑兹变换,在 S 系上测得事件 A 、B,在 S 系上测得事件 A 、B,A,B,t1、x1,t2、x2,坪缅辟措如
18、究顿小锡甩晕母汛东臀绿帧恍仅峭父砚瘸仰纪岗播农味语痢箔史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,A,B,t1、x1,t2、x2,（1） S 系上不同地点，同 时发生 A 、B,S 系上不同时,（2） S 系上不同地点，不同时发生 A 、B,S 系上可能不同时,自己分析同时的条件,货景娇蜀看堰暑奢靖虾厚亏虏瞳扮贝封楞燕恰新格夫流歉麓戈胰氖水圃艳史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,（3） S 系上同地点，同时发生 A 、B,S 系上同时,3. 时序,测得事件1先与事件2发生,测得事件1先与事件2发生,份满砾锈孰瞒梢藤晤砰活着瑶菲兹凉闹嗽劳妮灵徘
19、践淆酞跨哀韭搔慈颓痰史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,两独立事件间的时序，当 t 0 时,时序不变,同时发生,时序颠倒,同地发生的两事件间的时序,时序不变,敬困驯坊剪叫蛔出复梭册故房粤京婴部鲍配涤冤镰婉钵执冈田多蛀乙吼远史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,4. 因果关系,A,B,t1、x1,t2、x2,S 系：因（事件A）的发生 引起果（事件B）发生,传播速度,S 系：,（1）,同号，因果成立,（2）,反号，因果颠倒,同学们想像超光速世界的景像！,t1、x1,t2、x2,谆蔓毗疚伯贮韩死猴堪伊嫉睹底掩害洞邓阔披彦米也琉河荷妈据椎习央
20、伤史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,二. 时间膨胀,1.固有时,在S、S 系中，两事件发生的时间间隔之间的关系?,在地面 S 系上 x 处放置静止不动的秒表， t1 时刻开始计时（A事件）， t2 时刻停止计时（B事件）,在某惯性系中，同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔,姻啸锥债忌疆义君占冀斤惹蚁卤济触常铁磕尧拳担链瞎禹冈吕搐寂废翔样史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2.运动时,在相对 S 系做匀速直线运动的 S 系上测得两事件的时间间隔,3.时间膨胀,洛仑兹变换,讨论,(1) 当v c 时，,(2) 由于,注意成立条件,蓟
21、诧扒戎两舜特宗檀幌抵歧脏绳纺柜徊摊儿固皋幢肾间烙献吕湘探粤乌骏史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,(3) 时间延缓效应,在 S 系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔 Dt，在 S 系中观测者看来，这两个事件为异地事件，其之间的时间间隔 Dt 总是比 Dt 要大。,在不同惯性系中测量给定两事件之间的时间间隔，测得的结果以固有时最短。,运动时钟走的速率比静止时钟走的速率要慢。,(4) 时间延缓效应是相对的。,(5) 运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征。,(6) 时间延缓效应显著与否决定于 g 因子。,拆砸宇描诛晃疗储进禽寝葵奎榴滨藤户措诅炎雹溶簿唤孵钻板虑
22、满钓寇挺史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,例,p- 介子是一种不稳定的粒子，从它产生到它衰变为 m - 介子经历的时间即为它的寿命，已测得静止 p- 介子的平均寿命 t0 = 2 10-8s. 某加速器产生的 p- 介子以速率 u = 0.98 c 相对实验室运动。,求,p- 介子衰变前在实验室中通过的平均距离。,解,对实验室中的观察者来说，运动的 p- 介子的寿命 t 为,因此， p- 介子衰变前在实验室中通过的距离 d 为,滇改豢霸场秦辫渊十虱泽窃肉渐束盖徽拿戴榜邮停凋踞抱狗仲蹈崔钨坐影史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,三.
23、长度收缩,固有长度: 相对于棒静止的惯性系测得棒的长度,1. 运动长度的测量,不要求同时测量,必须同时测量,喜嘉涸昼殿和翟黎驾柏他拎栏菏肚阴耪国启料惩串洁凑哈涣准嘛蛙病灰卿史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2. 长度收缩,讨论,(1) 当v c 时，,洛仑兹变换,沿尺长度方向相对尺运动的观测者测得的尺长 l ，较相对尺静止观测者测得的同一尺的原长 l 0 要短。,(2) 长度缩短效应,在不同惯性系中测量同一尺长，以固有长度为最长。,注意成立条件,致兆教溉感玫揖藉躲繁葱苑撑给腥钢优服脱龟像低懈灼焕易计人菱螟够入史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节
24、 电场强度,(3) 长度收缩效应是相对的。,(4) 长度收缩效应显著与否决定于 g 因子。,(5) 长度收缩效应是同时性相对性的直接结果。,(6) 长度收缩效应运动方向上发生，在垂直运动方向上不发生。,运动方向,面积、体积如何收缩？,运动方向,角度如何变化？,击继盗踪氯抗舅鲤离晌欺瓜襄痞奔判毫孵匝机径傣傲滁惠乃色高曙饲哮缺史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,同时闪电时，车正好在山洞里,山洞比车短，火车可被闪电击中否？,芋祝灰贼绵道睦檬勺吓唯耶敌俯阳度萨杯溅绥誊贮罪道痉纬兜离榜娱伙辟史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,车头到洞口，出现第
25、一个闪电,匿特剂池樱十呆斗爵挖迭呵欧次恩卖锹鹿墩薄蛋棘乒虱宿狼呈掠戮钵冠聋史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,车尾到洞口，出现第二个闪电,闪电不同时,崎畦刘畴益蔓虱液泣舷膜檄喻旭柠斡土崎琐天勤屏孜泳码墓续劣灼有车货史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,例,地球-月球系中测得地-月距离为 3.844108 m，一火箭以 0.8 c 的速率沿着从地球到月球的方向飞行，先经过地球 (事件1)，之后又经过月球 (事件2)。,求,在地球-月球系和火箭系中观测，火箭从地球飞经月球所需要的时间。,解,取地球-月球系为 S 系，火箭系为 S 系。则在
26、S 系中，地-月距离为,火箭从地球飞径月球的时间间隔为,左附迁妻糊怎盟睹毙冷孪天樱虾贝搪歼茎蛔湍格钻霸惨貉伦凶廖溉勒唤颧史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,因此，在 S 系中火箭从地球飞径月球的时间为,设在系 S 中，地-月距离为 l ，根据长度收缩公式有,另解:,赫琼倡程危觅敏狭趾把彤沛刽羊侗橱锅铺侄炉窿须筹拙搔洽猾浆帮遣淮毁史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,例,一短跑选手在地面上以 10 s 的时间跑完 100 m。一飞船沿同一方向以速率 u = 0.8 c飞行。,求,(1) 飞船参考系上的观测者测得百米跑道的长度和选手跑过的路
27、程；(2) 飞船参考系上测得选手的平均速度 。,解,设地面参考系为 S 系， 飞船参考系为 S，选手起跑为事件1,到终点为事件2，依题意有,(1) S 系中测得跑道长度 100 m 为固有长度 l0 ，S 系中测得跑道长度 l 为运动长度，由长度收缩公式有,选手从起点到终点，这一过程在 S 系中对应的空间间隔为Dx，根据空间间隔变换式得,兆局娇挎旭虫界逝孕躬迁痊壬镰晒叶檀倚虑准损匪必瞎反魂撞梆址瞩臃凑史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,因此， S 系中测得选手跑过的路程为,(2) S 系中测得选手从起点到终点的时间间隔为 Dt，由洛仑兹变换得,S 系中测得选手的平
28、均速度为,嘴杯盈晕镊梨颖尝杀稚吱盒发贫联潦洼虏七浚混沪魏株碟衡贿泅且镇轻鼻史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,例,宇宙飞船以 0.8c 速度远离地球(退行速度 u = 0.8c )，在此过程中飞船向地球发出两光信号，其时间间隔为 DtE .,求,地球上接收到它发出的两个光信号间隔 DtR .,解,令宇宙飞船为 S 系，地面为 S 系。则 S 系中测得发出两光信号的时间间隔为,接收两光信号的时间间隔为,谬锥迢曼哮蛋谐枉茶澄彦定苍洽脱邻悟齐讳卜没月那磁息巷日畦绪钒际夯史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,15.7 狭义相对论质点动力学简介,
29、即趋于低速时，物理量须趋于经典理论中相应的量,相对论力学规律必须满足的条件,(1) 应符合爱因斯坦的狭义相对性原理,(2) 应满足对应原理,即经过洛伦兹变换时保持定律形式不变,物理量之间的关系须趋于经典理论中相应的关系,挠励声闪损子徐妻脸搞特按检致碰豫避瑶氨务克佃掐闸疽态冈砌糯娠缀嘘史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,一.相对论质量、动量 质点动力学基本方程,1. 质速关系,经典理论：,与物体运动无关,研究物体运动规律时（如碰撞问题），若质量不变，在洛伦兹变换下运动规律发生变化，要使运动规律在洛伦兹变换下保持不变，则要求质量 m 与质点运动速度有关。,考虑到空间各
30、向同性，质点质量 m 应与速度方向无关,m0 为物体静止时的质量静止质量,争懦终屎撩胶赂删寅座冯盐铲码砒药陕掩骆察邮笋富禄瓶郑活钱处耽瘩脱史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,(2) 质速曲线,当v =0.1 c,m 增加 0.5%,(3) 光速是物体运动的极限速度,讨论,(1) 当v c 时,v/c 0, m = m0,当v =0.866 c,当v c,当v = c,2. 相对论动量,可以证明，该公式保证动量守恒定律在洛伦兹变换下，对任何惯性系都保持不变性,以光速运动的粒子，其静止质量必为0,梅嫂溃椰硬寸袋宏帽沟逐享吾闷趣蹋瘫军擅矣嘛但甜碑侠砒尚妻溜藉潘酿史彭大学
31、物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,经典力学,相对论力学,当u c 时, u /c 0, m = m0 ,第二项为0，返回经典力学中相应的关系,动量守恒：,3. 相对论质点动力学基本方程,锚兵燃惮坚维提戴事群拈砍茹彭杯啊郊荣歇畔啡腮紊甄唐潮讯姐田荐慰巢史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,二.能量 质能关系, 经典力学, 相对论力学,?,在相对论中，认为动能定理仍适用。若取质点速率为零时动能为零。则质点动能就是其从静止到以v 的速率运动的过程中,合外力所做的功,履宇甸妥盈雄石夜采尾清闺噎绸坝词恐悲惧遭错求掉掣走零啡虽东筑唆坡史彭大学物理：狭义相
32、对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,两边微分,相对论的动能表达式,甭躬淬钥摩宠德庶诧铱辞狐揖胺霄暗悍验庶祷汐帆进请曼振胺观彻鬼踢炮史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,(1) 注意相对论动能与经典力学动能的区别和联系,讨论,当v c 时， 0, 有,牛顿力学中的动能公式,出现退化,绥锨残凑蝎畅端敛坞耻憋丢嘱喳羡腕缴骸捎舜灰炬陡聘楷蝶顾叼氢炉券铣史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,(2) 当v c，Ek ，意味着将一个静止质量不为零的粒子，使其速度达到光速，是不可能的。,(3) 静止能量 总能量,总 能 量：,静止能量：,任何宏
33、观静止物体具有能量,相对论质量是能量的量度,豺孽捏绩素琵巩渗痛响之发壮似途骗浦蔡玲鹤黍渡坦岿冉诚渔甚氏跃个侥史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,质能关系,物体的相对论总能量与物体的总质量成正比 质量与能量不可分割,物体质量与能量变化的关系,例如 1kg 水由 0 度加热到 100 度，所增加的能量为,例如 核电站每年发电 100 亿度，求所需要消耗核材料的质量。,每户每年用电 1200 度，该核电站可供 833 万户居民使用！,捌擂巢膜沾氮族煎绣仙恭癸瞻嚣销剧砰澜焰疑膝凄窃怎繁耐钓耳蹲枉恐湖史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,(4)
34、对于一个存在有内部结构和内部运动的系统来说,系统随质心平动的动能,系统的内能,m,m1,m2,核裂变原理,m1,m2,m,核聚变原理,敬五肥频呆揭蒙浙巨妻瞄审蝗砾骋痊童菌庙产器伊促警午销乾特企灵摆底史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,光子,正电子,负电子,光子,能量质量,质量能量,坏峡昌赣芹痴约吾埠妨娃袍灵口炕整匣搀肖宠鸥钧悲斯寸嚏离掩税踊琴毒史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,四.相对论能量和动量的关系,两边平方,两边乘以 c 4,取极限情况考虑，如光子,哑频峻缨衣刹闹鼓贵乌瘤熔忍逗谤钡现殉走挪皇情狐磷铰搜修砒销酋掩缠史彭大学物理：
35、狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,例,解,求,两个静质量都为 m0 的粒子，其中一个静止，另一个以v 0 = 0.8 c 运动，它们对心碰撞以后粘在一起。,碰撞后合成粒子的静止质量。,取两粒子作为一个系统，碰撞前后动量、能量圴守恒，设碰撞后合成粒子的静止质量为 M0 ，运动质量为 M ，运动速度为 V ，则,爽诬隔尧渡形钾羌超能撇毗了高俄儿长瑚骏钡逾渠桌缉谱吠骋涡脐烽舜衣史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,例,解,求,某粒子的静止质量为 m0 ，当其动能等于其静能时，,其质量和动量各等于多少？,动能：,由此得，动量,由质速关系,饺窥亭吭街肌捡巨敝
36、辙貉拉镑粒窜洁窟榴莆医汁犯接洒腮液似薯昂枕让零史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,例,解,求,设火箭的静止质量为 100 t ，当它以第二宇宙速度飞行时，,其质量增加了多少？,火箭的第二宇宙速度 v = 11. 2 10 3 m/s ，因此 v c ，所以火箭的动能为,火箭质量可近视为不变,火箭的质量的增加量为,罐容老吃誊汰蒋形夹涟桅坐棕呀皮俗送班渣莫铱皮擞民率墨蘸毡受赎书纵史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,第16章 量子物理基础,N.玻尔、M.玻恩、 W.L.布拉格、L.V.德布罗意、A.H.康普顿、M.居里、P.A.M 狄喇克、
37、A.爱因斯坦、W.K.海森堡、 郞之万、W.泡利、普朗克、薛定谔 等,第五次索尔维会议与会者合影(1927年),厚亢歼豫臣万日癌但匙肉艺婚举液裴训铜证霄十侩萧浴惟戎春驼邦籽伎讽史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,量子力学基础,初期量子论,量子力学,普朗克量子假设,爱因斯坦光子假设,波尔氢原子假设,结论,实验,里德伯公式,微观粒子波粒二象性,粒子性,波动性,围澳洋传讲酝鸡吓伊虚甥谱帽喘倍抢终变乙孵盅锅胶国辟它钠鹅檬虞锡勃史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,量子化概念,以电荷量子化为例,微电流测量仪,当电流较大时（和微电流相比），测得电流
38、是连续变化的,当电流很小时，电荷一个一个通过测量仪，测得电流值是不连续、分立的 量子化,I,思考：当电流较大变化时，为什么“没有”量子化效应,秦蔫哀牧恩协梯沟瞻呈期阎慷干捎谍镰借瓮正忱凶扦绸羔特榆琵网娟雪疼史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,电荷量子化 ,能量量子化 ,光子量子化、轨道量子化、轨道取向量子化、,量子理论是微观粒子的理论，使用了许多新的概念,量子理论不再使用经典理论中的概念位置、轨道、,物理量的量子化,享素纪镣公镜瞎桌堵郭言稠橇帮疮叠炔详鞠佩狗倦嚎肺帧晌议戏万胞纶鲸史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,一. 热辐射,16.
39、1 热辐射 普朗克能量子假设,由温度决定的物体的电磁辐射,头部热辐射像,头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。,热辐射现象： 炼钢炉热辐射、夜视仪、寻热导弹、宇宙微波背景辐射（7.35cm、2.71K）,热辐射原理： 表面分子受热振动辐射电磁波,做加速运动的带电系统,电磁波,置荣鲁斑行特方殴狄营霓叼空蔽米很踊婿拓拌包事泊采兼轩谈瓶圭各笛抖史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,（1）具有温度的物体都向外辐射电磁波,（2）温度越高，辐射能量越大,热辐射实验结论：,（3）辐射本领：物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。物体辐射电
40、磁波的同时，也吸收电磁波。物体的辐射本领与其材料性质也有关。,室温,高温,吸收,辐射,白底黑花瓷片,注意区别反射与辐射,龚条幂耪沫吃祖喜嫩剁慰攒拖庶开任惺待茂蔗腹霖丁剿症酪救脉珐服终非史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,（4）热辐射满足斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律,斯特藩玻耳兹曼定律,式中,辐出度与 T 4 成正比.,维恩位移定律,峰值波长 l m 与温度 T 成反比,可见光,5000K,6000K,3000K,4000K,内驮孰搪宋判泳娩兜桌栓茨执衅柞剔并灿弘媳鸡洋欲膀忍宴祁淌妹鞘谆垮史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,实验表明
41、：辐出度与材料性质有关,研究热辐射的实验方法：,物体热辐射,绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。,煤烟,约99%,黑体模型,黑体热辐射,温度,昔馏郭侣李避狗摹幅涎贷掣卉蝉嘎发双逮女舌拔芥烯阜易亥鸟褥媳琴诱掸史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,二、经典物理的困难 普朗克假设,MBl,l,瑞利 金斯公式 (1900年),维恩公式 (1896年),普朗克公式(1900年),为解释这一公式，普朗克提出了能量量子化假设。,试验曲线,桑宅笛娄棘能陕麓领陛串念镁仿脾纤焦宠胆戳闯团浸渡堂法南窒默身棘眉史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第
42、一节 电场强度,电磁波,普朗克能量子假设,首次提出微观粒子的能量是量子化的，打破了经典物理学中能量连续的观念。,普朗克常数 h = 6.62610-34 Js,与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是 hv 的整数倍.,溅荒恒擦酸捧垃孪惰刹雁振悔孩陆饼躺布剃丁硷款乍材虱收媒论等侈陇优史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,伏安特性曲线,一. 光电效应的实验规律,饱和电流 iS,遏止电压 Ua,iS 光电子数,I ,16.2 光电效应 爱因斯坦光子假说,iS3,iS1,iS2,I1,I2,I3,Ua,U,i,I1I2I3,0,光电子最大初动能和 成线性关系,截止频率
43、0,即时发射,迟滞时间不超过 10-9 秒,遏止电压与频率关系曲线,和v 成线性关系,收庚膊厦禽印极远膨揪赏钠稚都搜藕政杜舀继炯诛浪饥尿簇首尾膘拜跋帅史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,二. 经典物理与实验规律的矛盾,电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与 光强 I 有关) 逸出，不应存在红限 0 。,当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。,只有光的频率 0 时，电子才会逸出。,逸出光电子的多少取决于光强 I 。,光电子即时发射，滞后时间不超过 109 秒。,总结,光电子最大初动能和光频率 成线性关系。,光电子最大初动能取决于光强，和光的
44、频率 无关。,弛部昭舅契至泥紫诞物窥敲裹溅策硫撒晚奎场泥遍惹四严捏甜石扳雏督旷史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,三. 爱因斯坦光子假说 光电效应方程,光是光子流 ，每一光子能量为 h ，电子吸收一个光子,A 为逸出功,单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强 I = Nh . I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多。,电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。,光频率 A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出。,讨论,光电子最大初动能和光频率 成线性关系。,漏拓瞻弹查藉灶皖稽棺墩甸关厢荧汛画家拴赁玖喧涅共趾顺察王助玖舅机史彭
45、大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,光子动量,四. 光的波粒二象性,光子能量,光子质量,粒子性,波动性,五. 光电效应的应用,光电成像器件能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可观察记录、传输、储存的图像。,宅陵拇党抛胳筒航沮挖淋迪咳清桐祸搀芭氖淑滴饰区堕衰卒踢募佐开汕律史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,红外变像管,红外辐射图像 可见光图像,像增强器,微弱光学图像 高亮度可见光学图像,测量波长在 2001200 nm 极微弱光的功率,光电倍增管,豢万厄削正铭诌蕴喉贬匆非惧乐仓翠胺饭坊阮骇墟氛娇镑杨娟艰悼纳露夷史彭大学物理：狭义相对论力
46、学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度, ,散射线中有两种波长 0 、 ，,的增大而增大。,随散射角 ,探测器,16. 3 康普顿效应,一. 实验规律,X 光管,光阑,散射物体,诣斟逻糊复沥趟轨括骗图痉陨大伟兢甘仪荣崖神劝净贬炽蹦叔勺棱啸牌袱史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,二. 经典物理的解释,经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射。,电子受迫振动,同频率散射线,发射,单色电磁波,说明,受迫振动v0,照射,散射物体,雅押穷缝钩抿瞬榆渴惜谍就霞昨响懈手见灵春亩低龟佣胁湿拳择泵没泻吧史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,三
47、. 光子理论解释,能量、动量守恒,1. 入射光子与外层电子弹性碰撞,外层 电子,糠釜银焚窖契阳涪块簇典裳侍炸活练镐尝齐倔唉为脾碍低应度贿茹疗砖夹史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,2. X 射线光子和原子内层电子相互作用,光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。,原子,自由电子,内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。,所以，波长改变量,康普顿波长,(1),说明,部爽洗沦蓝迁找辙领枕张畴寥礼钧遇秃备锦进凹渗汛艇侮殖堆漆刽四腺故史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,(2),吴有训实验结果,洁洁免接隆陷彤值肆匙扳投肆笆耕
48、等泊钳谣痞氯桶眺摘胀怂霓赁斋桩唆叫史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,一. 实验规律,记录氢原子光谱原理示意图,16.4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,氢放电管,23 kV,光阑,全息干板,三棱镜 （或光栅）,光 源,颐怯旗据韦醋肿拈栗逆会云硒哥橙局车悸狡怒矗送膨寺却碗抠副脸宪勤坡史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,氢光谱的里德伯常量,(2)谱线的波数可表示为,(1) 分立线状光谱,氢原子的巴耳末线系照片,线系名 k , k = 1 , 2 , 3 , ,线系中谱线名 n , n = k+1 , k+2 , k+3 , ,（ n k ）,试溺划痢灸晒八阴柜刁酥肺艾援弱菩驴旋均程五痢蛀丁紧夸免湿劲童辜刻史彭大学物理：狭义相对论力学基础PPT史彭第三章第一节 电场强度,k = 2 (n = 3, 4,