相对论-大学物理

热学：黑体辐射（1899）量子物理Planck1900狭义相对论Einstein1905十九世纪八十年代，经典物理达到“黄金时代”光学：迈克耳逊－莫雷实验（1887）第三章相对论近代物理诞生的历史背景

-------世纪之交物理学六大悬案1.迈克尔逊-莫雷实验---寻找以太的企图失败(1887);2.固体和气体的热容量,理论和实验结果不一致;3.氢光谱的实验规律(1885)4.原子的组成及其稳定性(1896,1897,1911)5.1887年赫兹发现了光电效应---波动说之困难;6.热辐射中的紫外灾难第一个导致了1905年的狭义相对论后五个问题导致了量子论的诞生狭义相对论不考虑物质质量对时空的影响

1905年《论动体的电动力学》论文广义相对论考虑质量对时空的影响关于引力的理论狭义相对论:关于时、空与物质运动关系的理论1879年3月，出生在德国的一个犹太家庭。6岁学习小提琴。上学后，成绩平平，但爱动脑筋，12岁曾证明勾股定理。1896年，进入苏黎士工业大学。童年时的爱因斯坦

爱因斯坦(1879-1955)简介博闻苦思，好学进取“如果我以速度c追随一条光线运动，我应当看到什么现象呢？”年轻时的爱因斯坦16岁时,爱因斯坦就思考:A=X+Y+ZA-成就X-努力工作Y-懂得休息Z-少说废话成功秘诀

o与o’重合时，tt’zz’yy’vtxx’===-=zzyyxxvv’vv’vvv’==-=zyxxa’a’aa’===ayaz一、伽利略变换:P(x,y,z,t)(x’,y’,z’,

t’)vz’vtzS3-1狭义相对论产生的实验基础和历史条件力学规律在任何惯性系中形式相同。（或：在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的。）二、力学相对性原理,经典力学时空观经典力学认为：质量与坐标系无关即即牛顿运动方程对伽里略变换是不变的。注：以上推导已经不自觉地对时间和空间的性质作了某些假设。2、时间也是与物质的运动无关而永恒地、均匀地流逝着，是绝对不变的。1、空间的量度（如两点间距离）与惯性系无关，是绝对不变的。三、伽利略变换的困难(经典力学的困难)1)

光速c

2)速度合成法则实验预计：能观测到0.37条的条纹移动。实际结果：没有观测到条纹移动。即迈克尔孙－莫雷实验零结果。四、迈克尔孙－莫雷实验（1887年）ba1M2MPPM1=PM2900迈克尔孙－莫雷实验零结果意味着：

2、电磁现象也满足物理理论的相对性原理。1、根本就不存在一个假想的以太参照系。……形形色色的修补”以太风”学说3-2狭义相对论基本原理洛仑兹变换一、狭义相对论两个基本假设：1、相对性原理：物理学定律在任何惯性系中都是相同的。

2、光速不变原理：在所有惯性系中，测得光在真空中的速率都是相同的。或：二、洛仑兹变换：P(x,y,z,t)(x’,y’,z’,

t’)vz’vtzS1、在洛仑兹变换下，一切物理定律的数学表达式保持不变。3、光速是自然界的极限速度。2、相对论将时间和空间，时空与物质运动联系起来。4、在日常时间，v<<c，，洛仑兹变换过渡到伽利略变换。说明：四、洛仑兹速度变换将上式中u以-u代入可得：(S’S)(SS’)几点讨论：1.倒逆性：,则不论u多大，恒有,则不论u多大，恒有2.验证了光速不变原理：,则不论u多大，恒有,则不论u多大，恒有例2：设想一飞船以0.80c的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向发射一物体，物体相对飞船速度为0.90c

。问：从地面上看，物体速度多大？s解：选飞船参考系为S'系地面参考系为S系yxx1x2t1t2v爱因斯坦火车以v匀速通过车站（S系），S系：两闪电同时（t1=t2)击中车尾(x1)和车头(x2)问：S’系（火车）：两闪电是否同时击中车尾和车头？一、同时的相对性3-3狭义相对论时空观根据洛仑兹变换：可见：在S’系（火车）上观察，击中车头的闪电比击中车尾的闪电要早些。2、在一个惯性系中不同时，也不同地发生的两件事，在另一惯性系中倒有可能同时发生。1、在一个惯性系中同时不同地发生的两事件，在别的惯性系中就不同时发生。3、同时同地发生的两事件，在所有惯性系中都同时同地发生。结论：二、长度的相对性:长度缩短/动尺缩短yxt1t2x1x2在S系中观察者看来，此棒长为：x’x1’x2’y’vS’系中有一静止的棒，固有长度为L0,占有坐标为、即沿运动方向，物体的长度要收缩。说明：1、在相对物体为静止的惯性系中测得的物体长度是最长的，称固有长度。2、时，3、时，4、测量运动物体的长度，必须对其两端的坐标同时进行测量。[不能说“看到”]5、长度的收缩只发生在运动方向上，在与运动方向垂直的方向不发生长度收缩。例：立方体边长为a，则体积为a3，若该立方体沿一边长方向运动，则体积为多大？解：体积变小了.例：一根米尺沿着它的长度方向相对你以0.6c速度运动，米尺通过你面前所需时间是

解一错误！解二)s(

1044×.0c6.0t

9-==lD正确！附:高速运动物体的测量形象与视觉形象三、时间间隔的相对性:

时间延缓——运动时钟变慢在S’系：x’处固定有一只钟，测得该处两个事件发生的时间分别为t1’、t2’。在S系：观察者测得两个事件发生的时间分别为t1、t2。

由即：S系测得的时间要长些，说明S’系上的钟“走慢了”。SS’SS’SS’讨论：时间膨胀又叫时钟变慢。

vvSOS3OS系上的人测出该过程经历了’S3O’SO系上的人测出该过程也经历了’S相对于自己运动的人的手表走得慢。1、在相对于某个惯性系静止的一点，观察两个事件的时间间隔最短，称为固有时间。说明：2、时钟变慢是相对的，并非机械故障。不能说明哪个时钟是正确的或错误的。3、时，日常生活中观察不出这种效应，并非没有此效应。例2、一飞船以u=9×103m/s的速率相对于地面匀速飞行。飞船上的钟走了5s,地面上的钟经过了多少时间？思路：飞船上的钟走了5s，比地面上的钟经过的时间要慢。孪生子佯谬孪生子效应可用仪器来模拟1971年铯原子钟向东绕的钟慢59纳秒向西绕的钟快27纳秒例：观察者甲测得同一地点发生的两个事件的时间间隔为4秒，乙相对甲以0.6c的速度运动，则乙观察这两个事件的时间间隔为:5秒三、相对论时钟延缓和长度收缩的近代实验验证*不稳定的基本粒子（如m、p粒子）产生后经一定时间自动衰变为其他粒子。这些粒子在它们自身的惯性系中有各自确定的平均寿命，称固有寿命t。例1、+介子固有寿命为2.6×10-8s,在高能加速器中+介子获得0.75c的速度,实验室测得+介子在衰变前通过的距离是多少？2、若考虑相对论效应，则有3、实验室测得结果：解：1、若不考虑相对论效应，则有例3：半人马星座a星是距太阳最近的恒星，它距地球,设有一宇宙飞船自地球飞到该星，飞船对地速度v=0.99c，地球上的钟测得多少年？若以飞船上的钟计算，又为多少年？解：以地球上的钟计算：以飞船上的钟计算：说明此题与实际不符，全球的能量供给飞船，也不可能达到0.999c。飞船若以20km/s飞行，需要6.8万年。在s中：先开枪，后鸟死在s中：是否能发生先鸟死，后开枪？时序:两个事件发生的时间顺序。在s中：t1t2>前事件1：t1x1()，开枪后，事件2：t2x2()鸟死子弹v

四、时序与因果律v=t1t2x1x2()()子弹速度信号传递速度所以由因果率联系的两事件的时序不会颠倒。在s中：仍然是开枪在前，鸟死在后。在s中：cut1=2t1β12x1cut2=2t2β12x2=t2t1β12c2)()1(>0uvt2t1vc2u>因为所以，t2t1>3-4狭义相对论动力学

一、动量、质量、速度的关系1、动质量公式：讨论（1）m:相对论质量,m0:静质量。（2）v：物体相对于某一参照系的速度。（3）可认为质量与速度无关，等于其静质量。（4）以光速运动的粒子（如光子、中微子等），它们的静质量必为零。2、动量公式：牛顿第二定律的原始形式：运动物体在恒力作用下，没有恒定的加速度。3、相对论中的动能

物体的动能就是使物体从静止开始运动到速度为v时，合外力所作的功。力的冲量等于动量的改变量.相对论动能讨论4、静能、总能静能：总能：动能：5、质能关系式6、原子能的预言Einstein指出：如果使粒子系统的静质量减少，它就会释放出的巨大能量。例、试计算氢弹爆炸中核聚变反应之一所释放出的能量，其聚变方程为各种粒子的静止质量为：氘核：m1=3.3437×10-27kg氚核：m2=5.0049×10-27kg氦核：m3=606425×10-27kg中子：m4=1.6750×10-27kg解：质量亏损为：相应释放的能量为：1kg这种核燃料所释放的能量为：这相当于同质量的优质煤燃烧所释放热量的1千多万倍！二、能量与动量关系式注：存在“无质量”粒子的可能性。这些粒子具有动量、能量，但没有静质量（），即：E=cp结论：一个静质量为零的粒子，在任一惯性系中都只能以光速运动，永远不会停止。对光子：动量基本方程动能总能（质能关系）动量与能量的关系质量静能相对论动力学与经典力学对比例：一电子以v=0.99c的速率运动，求：1）电子的总能量。

2）电子的经典力学动能Ek0

与相对论动能Ek之比。（me=9.1×10-31kg)解：1）2）1955年4月18日，由于大动脉破裂，爱因斯坦去世,享年76岁。

1955年4月18日，百年科学巨匠、物理“至尊”爱因斯坦溘然长逝；50年后的这一天一项最重