第五篇近代物理基礎(chǔ)機械運動——牛頓力學(xué)熱運動——熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計物理電磁運動——麥克斯韋電磁場理論經(jīng)典物理“最終的理論”、“物理學(xué)科的終結(jié)”1900年，開爾文：“……，但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的烏云?！边~克爾遜——莫雷實驗黑體輻射實驗——相對論——量子理論近代物理狹義相對論基礎(chǔ)第十六章相對論的意義：對于日常生活中所遇到的大量實際問題，經(jīng)典力學(xué)是有效的，是與我們的經(jīng)驗相符的。然而，涉及到運動速度接近或等于光速的物理過程時，整個經(jīng)典力學(xué)的基本觀念受到了挑戰(zhàn)。時間和空間的絕對性及其分離的觀念，質(zhì)能分離的觀念，運動確定性描述的觀念，︰︰︰愛因斯坦1905年：狹義相對論（對慣性參照系而言）1915年：廣義相對論（對非慣性參照系而言）§16.1經(jīng)典力學(xué)的相對性原理伽利略變換一、相對量和絕對量相對量：隨參照系的變化而變化的量絕對量：不隨參照系的變化而變化的量經(jīng)典物理中：相對量：位移、速度、加速度、運動軌跡。絕對量：質(zhì)量、空間測量、時間測量。二、伽利略變換相對S沿x軸正向以

運動,慣性系：三個坐標(biāo)軸平行，兩慣性系重合時為記時零點1.坐標(biāo)變換:時間觀察在不同慣性系是等價的某一時刻，P點發(fā)生一事件，其時空位置：SyzxOut空間間隔的量度是絕對的時間間隔的量度是絕對的2.速度變換:將坐標(biāo)變換對時間求導(dǎo)再求導(dǎo)3.經(jīng)典力學(xué)的不變性原理伽利略變換下，牛頓第二定律具有不變性。（具有相同的表示形式）力學(xué)定律不變性——力學(xué)相對性原理§16.2狹義相對論的基本假設(shè)洛侖茲變換麥克斯韋電磁理論一、加利略變換的失效光速不變的結(jié)論——不服從伽利略變換任何慣性系中，光的真空速率都相等。假設(shè)2（光速不變原理）：二、愛因斯坦的基本假設(shè)假設(shè)1（狹義相對性原理）：物理定律在一切慣性系中都具有相同的數(shù)學(xué)形式，或所有慣性系都是等價的。狹義相對論時空觀——洛侖茲變換三、洛侖茲變換經(jīng)典的絕對時空觀——伽利略變換SyzxOut某一時刻，P點發(fā)生一事件，其時空位置：時空均勻性：相對性原理：光速不變原理：由（1）（2）（3）（4）得：由（1）、（2）、（5）得：同一事件時空坐標(biāo)變換：不同事件發(fā)生的時間間隔、空間間隔坐標(biāo)變換：洛變換退化為伽變換1、時間間隔與空間間隔均是u的函數(shù)，不再相互獨立討論：四、洛侖茲速度變換對洛侖茲變換取微分2.當(dāng)3.當(dāng)1.慣性系相對運動的方向上，速度分量改變垂直于相對運動的方向上，速度分量也改變討論：空間間隔的量度是絕對的時間間隔的量度是絕對的*牛頓的絕對時空觀*牛頓的絕對時空觀的數(shù)學(xué)表示——伽利略坐標(biāo)變換*伽利略速度變換例：實驗室測出，電子A:,向右運動；電子B:,向左運動。求:A相對B的速度。解：以實驗室為K系，電子B為系考察電子A的速度xxK例：問：在k系中的觀察者測得此光信號的傳播速度為多少？光速不變原理是指光的速率不變。地AB+地AB+§16.3狹義相對論的時空觀*高速運動物體的測量與物體有相對速度的參照系——運動參照系測得物理量——運動測量量相對速度u的函數(shù)與物體相對靜止的參照系——本征參照系測得物理量——本征物理量(固有物理量）運動測量量本征物理量u=0一、運動物體的長度縮短測得尺長:一把尺相對地面以u

作高速運動，在尺上建立系,小結(jié)地面參照系S中，測得尺長：前提：S系中同時測量尺的兩端讀數(shù)——運動物體的長度縮收1）原長是物體相對某參照系靜止時兩端的空間間隔，是絕對的。2）與物體有相對運動的觀察者測出的長度總是比相對物體靜止的觀察者測出的長度要短。4）當(dāng)3）長度收縮僅發(fā)生在運動方向上。..弟弟..哥哥弟弟在地球上測量到哥哥手中的圓變成橢圓沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束....哥哥弟弟沿著運動方向的長度發(fā)生縮短火箭變短！目錄結(jié)束例1：一宇宙飛船的固有長度為，相對地面以u=0.99c的速度在一觀察站的上空飛過，求：（1）觀察站測得飛船船身通過觀察站的時間間隔；（2）宇航員測得船身通過觀察站的時間間隔。解：（1）觀察站測得飛船船身的長度為船身通過觀察站的時間間隔為（2）宇航員測得飛船船身的長度船身通過觀察站的時間間隔為例：二、“同時”的相對性設(shè)有二事件：甲（1）、乙（2）*在一個參照系看不同地點同時發(fā)生的兩事件，在另一參照系看不同時發(fā)生。*在一個參照系看同時同地發(fā)生的兩事件，在另一參照系看一定也是同時、同地發(fā)生。*同時性的相對性否定了各個慣性系具有統(tǒng)一時間的可能性，否定了牛頓的絕對時空觀。例1：K系中測得兩事件相距600km，同時發(fā)生。在相對K運動的系中測得這兩事件相距1200km。問：系中看，兩事件是否同時發(fā)生？間隔多少？解：*狹義相對論的兩條基本原理2.光速不變原理1.相對性原理洛侖茲坐標(biāo)變換時空均勻性：洛侖茲速度變換*狹義相對論的時空觀一.運動物體的長度縮短——固有長度最長前提：動系中同時測量二.“同時”的相對性三、運動的鐘“變慢”——時間延長S系中：相對

S靜止的某一點前后發(fā)生兩事件，空間間隔——固有時間時間間隔——時間延長（膨脹）系中：小結(jié)1）原時是在靜止參照系中同一地點發(fā)生的兩個事件之間的時間間隔——原時最短2）與發(fā)生事件有相對運動的觀察者測出的時間總是比相對事件靜止的觀察者測出的時間要長非本征觀察時間總是大于本征觀察時間中國神話傳說“天上一日，人間一年”解：子相對地面高速運動，地面觀察：靜止壽命——在相對子靜止的參照系中測得的固有時間壽命延長例：靜止的

μ子，平均壽命為今在1km高空的宇宙射線中產(chǎn)生了一個速度為0.9c的子。問：此子能否到達(dá)地面？——可以到達(dá)地面l0uv已知：車長l0,u車地，v球車求：小球沿車前進方向從后壁射向前壁，地面上的觀察者測得小球通過的距離及所需的時間。注意：“長度收縮”和“時間延長”公式只在一定條件下適應(yīng)，而反映時空變換的一般關(guān)系式是洛侖茲變換式。前提：前提：動系中同時測量正確解：l0uv已知：車長l0,u車地，v球車四、時序與因果律事件A事件B都可能時序顛倒事件1：前t1x1()，事件2：開槍鳥死子彈v后，t2x()2由因果律聯(lián)系的兩事件的時序是否會顛倒？所以由因果率聯(lián)系的兩事件的時序不會顛倒。=t2t1β12uc2)()1(v在k中：仍然是開槍在前，鳥死在后?！鋢xt1t2t2t1=t2t1β12uc212()()()1′′xxv=t1t212()()子彈速度信號傳遞速度>0五、相對論的時空觀（1）時間、空間是相互聯(lián)系、無法分割的時空整體。（2）時間、空間的測量值都是“相對的”，與物體的相對運動密切相關(guān)§16.4相對論動力學(xué)一、相對論中的質(zhì)量、動量和動力學(xué)基本方程1.質(zhì)速關(guān)系其定律表達(dá)式在洛侖茲變換下是不變式經(jīng)典力學(xué)定律是相對論動力學(xué)定律在低速下的特例繼續(xù)保留質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等基本定律質(zhì)量守恒定律動量守恒定律洛氏速度變化m0:靜止(固有)質(zhì)量m:相對論（運動）質(zhì)量u：物體運動速度真空中的光速是現(xiàn)實世界中一切物體運動速度的極限例1：電子靜止質(zhì)量，質(zhì)子靜止質(zhì)量，要使，求：電子的運動速度。解：設(shè)電子運動速度為u，運動質(zhì)量2.相對論動量3.相對論動力學(xué)基本方程(牛頓力學(xué)是相對論力學(xué)在低速情況下的近似)三、相對論中的質(zhì)量能量關(guān)系經(jīng)典力學(xué)：相對論：以速率v運動的粒子的總能量：2）相對論中：一定質(zhì)量對應(yīng)一定能量，質(zhì)、能不可分結(jié)論1）質(zhì)能關(guān)系：例2：1kg甘油炸藥爆炸時釋放的能量為求：1）釋放能量占總能量的百分比2）炸藥虧損的質(zhì)量解：1kg炸藥的總能量%四、相對論中的動量能量的關(guān)系pcE例:設(shè)快速運動的介子的能量約為E=3000MeV,而這種介子在靜止時的能量為E=100MeV,若這種介子的固有壽命τ0=210-6s,求它運動的距離.例:參照系K中，靜止質(zhì)量為的粒子A、B，分別以v沿同一直線相向運動，碰撞后合成為一個粒子。求：這個粒子的靜止質(zhì)量解：K系，碰前：A,vm0v,Bm0M,u碰后：能量守恒：動量守恒：總質(zhì)量守恒Ek為兩粒子碰前的動能M0=2m0v122cE2k2c==2mm0()2c2cM02m0=2m02m0v122c(M0-2m0)是兩個粒子的動質(zhì)量靜質(zhì)量增加了，但相對論質(zhì)量保持守恒！對應(yīng)動能的這部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為靜止質(zhì)量，>復(fù)合粒子質(zhì)量M02m0靜質(zhì)量不守恒*狹義相對論的時空觀1.運動物體的長度縮短——固有長度最長前提：動系中同時測量2.運動的時間延長——固有時間最短前提：3.“同時”的相對性4.無因果率聯(lián)系的兩事件的時序是相對的。有因果率聯(lián)系的兩事件的時序是絕對的。l0uv已知：車長l0,u車地，v球車求：小球沿車前進方向從后壁射向前壁，地面上的觀察者測得小球通過的距離及所需的時間。注意：“長度收縮”和“時間延長”公式只在一定條件下適應(yīng)，而反映時空變換的一般關(guān)系式是洛侖茲變換式。正確解：l0uv已知：車長l0,u車地，v球車*相對論動力學(xué)三個表達(dá)式二個關(guān)系式空間間隔的量度是絕對的時間間隔的量度是絕對的*牛頓的絕對時空觀*牛頓的絕對時空觀的數(shù)學(xué)表示——伽利略坐標(biāo)變換*伽利略速度變換麥?zhǔn)戏匠探MC——絕對量矛盾！*狹義相對論的兩條基本原理2.光速不變原理1.相對性原理洛侖茲坐標(biāo)變換時空均勻性：洛侖茲速度變換*相對論動力學(xué)三個表達(dá)式二個關(guān)系式同一事件時空坐標(biāo)變換：不同事件發(fā)生的時間間隔、空間間隔坐標(biāo)變換：洛侖茲速度變換例：地面上測得一列車沿直線從甲處到達(dá)相距100m的乙處所花時間為10－5s,如果從一個與列車運動方向相同的假想速率為u=0.6c的宇宙飛船中觀測，列車由甲處到達(dá)乙處所走過的路程、時間間隔和速率各為多少？例：遠(yuǎn)方的一顆星以0.8c的速度離開我們，接受到該星的閃光按5晝夜的周期變化，求：固定在此星上的參照系測得閃光周期。*狹義相對論的兩條基本原理2.光速不變原理1.相對性原理洛侖茲坐標(biāo)變換時空均勻性：洛侖茲速度變換.36129弟弟..36912哥哥注意！運動的鐘走得慢361293612936129361293612936129開始時先校正好時針.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢.36129弟弟..36912哥哥361293612936129361293612936129注意！運動的鐘走得慢注意！運動的鐘走得慢.3