第十四章相对论15 相对论性动量和能.ppt

1、15.6 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，并在极限条件下回到旧理论。,即：,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、物理规律的协变性及质量、动量概念的修正,在时间、空间构成的四维空间中，时空四矢量 及其微分 均为洛仑兹协变矢量。,2,动能定理,功,3,4,(1)相对论动量遵循洛伦兹变换,当 时,一动量与速度的关系,(2)相对论质量,静止质量：m0,5,动量定义,牛顿力学：质量与速度无

2、关,相对论力学：质量与速度有关，否则动量守恒定律不能在洛仑兹变换下保持形式不变。质量与速率的关系为：,式中 m0 质点静止的质量，称静止质量此式称为相对论的质速关系式。,6,物体相对于惯性系静止时的质量 .,静质量 :,结论: 质量具有相对意义.,可以认为质点的质量是一个常量,牛顿力学仍然适用.,当 时,7,相对论质量,说明质量与速度有关 .,8,9,德国物理学家考夫曼（Kaufmann）利用镭的放射性衰变中射线的高能电子作实验，发现随速度增加，电子越来越难以加速m 越来越大。,电子加速运动实验,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

3、没有上限,10,12,二狭义相对论力学的基本方程,相对论力学的基本方程,相对论中仍然保持了牛顿定律的原来框架。,13,三质量与能量的关系,动能定理,15,相对论动能,静能量,物体静止时所具有的能量.,当 时，,17,相对论质能关系,质能关系指出： 物质的质量和能量之间有密切的联系 .,总能量,相对论能量和质量守恒是一个统一的物理规律.,18,相对论的质能关系为开创原子能时代提供了理论基础 , 这是一个具有划时代意义的理论公式 .,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

4、物体静止时候的总内能,例一公斤的物体的静止能量,相当于20吨汽油燃烧的能量。,2）质能相互依存，且同增减,即那儿有能量，那儿就有质量，而且那儿有质量 的变化，那儿就有能量的变化。即：,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）,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

5、形式存储起来。这种反应称 为吸能反应。,23,惯性质量的增加和能量的增加相联系，能量的改变必然导致质量的相应变化，这是相对论的又一极其重要的推论.,24,25,26,27,质能关系指出： 物质的质量和能量之间有密切的联系 .,相对论能量和质量守恒是一个统一的物理规律.,说明：,(a) 物体处于静止状态时，物体也蕴涵 着相当可观的静能量。,(b) 相对论中的质量不仅是惯性的量度， 而且还是总能量的量度,（c）如果一个系统的质量发生变化，能量必 有相应的变化,（d）对一个孤立系统而言，总能量守恒，总 质量也守恒,29,30,31,32,四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,

6、放出的能量,1 核裂变,1g 铀 235 的原子裂变释放的能量,33,原子弹爆炸（核裂变）,34,我国于 1958 年建成的首座重水反应堆,35,秦山核电站 全景图,在建的 阳江核电站 效果图,36,在建的 江苏连云港 田湾核电站,37,2 轻核聚变,轻核聚变条件 温度达到 时，使 具有 的动能，足以克服两 之间的库仑排斥力.,38,1967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功,39,40,41,1941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

7、:30 第一颗原子弹爆炸。,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。,42,43,五 动量与能量的关系,44,极端相对论近似,对于以光速运动的物体：,光子：,46,光子,光的波粒二象性,光压：光射到物质表面时，将对这一表面施加压力。 典型的太阳光对地球所形成的光压为4.5*10(-6)N/m2 彗星尾巴背着太阳就是太阳的光压造成的。,由于光具有粒子性，所以在达到物体上时，根据动量定理，会对此物体产生一定的压力。大量光子长时间作用就会形成一个稳定的压力。,47,小 结,1）动量,2）动力学方程,3）质速关系,4）质能关系,5）动量能量关系,48,例1 设一

8、质子以速度 运动. 求其总能量、动能和动量.,解 质子的静能,49,动量也可如此计算,例1 设一质子以速度 运动. 求其总能量、动能和动量.,50,解 核聚变反应式,例2 已知一个氚核 和一个氘核 可聚变成一氦核 , 并产生一个中子 , 试问这个核聚变中有多少能量被释放出来 .,51,氘核和氚核聚变为氦核的过程中， 静能量减少了,52,狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律的实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而“不受外力”是什么意思?只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时