1、,1,大学物理,狭义相对论的建立经历了几十年的时间，1905年爱因斯坦发表了论动体的电动力学宣告了相对论的诞生。,十九世纪末二十世纪初，由于力学、电磁场理论和经典统计物理学的相继建立，不少物理学家认为物理学的大厦已基本建成，物理理论上的一些原则问题已经解决，今后的任务就是在已知规律的公式中的小数点后面加上几位数字就行了。,但是好景不长，在物理学晴朗的天空上出现了两朵乌云。,狭义相对论建立过程,黑体辐射实验,量子理论诞生,当时26岁的爱因斯坦是瑞士专利局的一名雇员，他建立狭义相对论，在国际理论学界已成为知名人士，但瑞士的教授们表示怀疑，不愿接纳这位怪人，在世界上他的知音也寥寥无几，只有德国的理论
2、权威，量子力学的创始人普朗克将爱因斯坦誉为二十世纪的哥白尼。,迈克尔逊干涉仪实验,相对论诞生,阿尔伯特爱因斯坦（AlbertEinstein）1879年3月14日出生在德国西南距离慕尼黑八十五哩的乌耳姆城(Ulm)。父母都是犹太人。父亲赫尔曼爱因斯坦和叔叔雅各布爱因斯坦合开了一个制造电器设备的小工厂。母亲玻琳是受过中等教育的家庭妇女，非常喜欢音乐，在小爱因斯坦六岁时就教导他拉小提琴。,这是一个和睦、愉快的家庭。亲人们深爱着小爱因斯坦，但都为他的智力发育感到担忧。爱因斯坦小时候并不活泼，三岁多还不会讲话，父母很担心他是哑巴，带他去给医生检查。还好小爱因斯坦不是哑巴可是直到九岁时讲话还不很通畅，所
3、讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考。小爱因斯坦是一个诚实的孩子，从不做违心的或骗人的事。,在四、五岁时，爱因斯坦有一次卧病在床，父亲送给他一个罗盘。当他发现指南针不断地指着固定的方向时，感到非常惊奇，觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。,他一连几天很高兴的玩这罗盘，还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。尽管他连“磁”这个词都说不好，但他却顽固地想要知道指南针为什么能指南。这种深刻和持久的印象，爱因斯坦直到六十七岁还能鲜明的回忆出来。,爱因斯坦在念小学和中学时，一般功课属平常，唯有数学成绩远在全班同学之上。由于他举止缓慢，不爱同人交往，老师和同学都不喜欢他。,爱因斯坦对于科学事业的伟
4、大贡献是多方面的。他不仅仅是相对论的创始人，而且是一位多学科的理论研究家。即使他不是相对论的创始人，他仍然是科学史上最伟大的物理学家之一。他的科学业绩主要包括四个方面：早期对布朗运动的研究；狭义相对论的创建；推动量子力学的发展；建立了广义相对论，开辟了宇宙学的研究途径。1905年创建的狭义相对论和1921年创建的广义相对论是爱因斯坦的最重要的科学研究成果，而1921年的诺贝尔物理学奖金则是由于他提出了光的量子概念和发现了光电效应定律而获得的。列宁高度称誉他是一位伟大的自然科学革新家。,12.1 爱因斯坦基本原理,12.2 爱因斯坦时空观,12.3 狭义相对论动力学,经典的时空观中时间、空间是不
5、相干的。,运动的描述是相对的，不同参照系下运动的描述不同。选取两个参照系，描述同一个质点运动的坐标、速度、加速度。,1.伽利略坐标变换,一个参照系静止- S 系,另一个参照系沿 ox 轴以 v 运动 - S 系,12.1.1 伽利略变换与时空观,时两坐标重合,t 时刻质点在两参照系下的坐标,2.经典力学的“假设”,.经典时空中长度的量度是绝对的。,如在 S 和 S 系中量度同一物体的长度是相同的。,.绝对同时性。,.经典时空中时间的量度是绝对的。,在 S 和 S 系中时间量度相同。,在 S 系同时发生的两个事件，在 S 系 中也是同时发生的。,由,3.伽利略速度变换,由坐标变换公式对时间求导,
6、经典时空中速度满足速度叠加原理。,经典时空中速度满足速度叠加原理。,4.伽利略加速度变换,由速度变换公式对时间求导,同样有,不同惯性系下，描写同一质点的加速度相同。,即经典时空中牛顿第二定律适用于任何惯性系。,在惯性系中所有力学规律相同,经典力学认为空间只是物质运动的“场所”，是与其中的物质完全无关而独立存在的，并且是永恒不变、绝对静止的。时间也是与物质的运动无关而在永恒地、均匀地流逝着的，时间是绝对的。,1.长度不变，,2.时间不变，,3.速度相加，,4.绝对同时性，,5.质量不变，,6.惯性系中所有力学规律相同。,12.2.2 狭义相对论产生的背景和条件,迈克耳孙是美国物理学家。1852
7、年12月19日出生于普鲁士斯特雷诺（现属波兰），后随父母移居美国，毕业于美国海军学院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席,美国科学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员，1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。,迈克耳孙主要从事光学和光谱学方面的研究，他以毕生精力从事光速的精密测量，在他的有生之年，一直是光速测定的国际中心人物。,迈克耳孙莫雷实验,他发明了一种用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪（迈克耳孙干涉仪），在研究光谱线方面起着重要的作用的基础。1887年他与美国物理学家E.W.莫雷合作，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验，这是一个最重大的否定性实验，它动摇了经典物理学他研制
8、出高分辨率的光谱学仪器，经改进的衍射光栅和测距仪。迈克耳孙首倡用光波波长作为长度基准，提出在天文学中利用干涉效应的可能性，并且用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。,由于创制了精密的光学仪器和利用这些仪器所完成的光谱学和基本度量学研究，迈克耳孙于1907年获诺贝尔物理学奖金。,机械波的传播需要媒质，当时物理学家们认为光波的传播也需要一种媒质-以太。,迈克尔逊为证明以太的存在，设计了测量地球在以太中运动速度的实验。,地球相对以太以 v 运动，以太风从右边吹来。,1.在实验室S系观察,光速 c v 顶风，,光速 c +v 顺风，,来回时间,2.在实验室S系观察,光速,光速,来回时间,两束光
9、到望远镜的时间差,展开, 光的光程差,3.将仪器旋转90两路光的光程差变化为,干涉条纹移动数目为,可推算出以太风的速度，干涉仪可测出0.01个条纹的移动，但实验没有发现移动。,后来又在德国、美国、瑞士多次重复该实验，得到的仍然是 “0结果”。迈克尔逊在 70 高龄时仍在做这方面的工作。,4.结论, 以太不存在，光的传播不需任何媒质，可在真空中传播，以太不能作绝对参照系。, 地球上各方向光速相同，与地球运动状态无关。,迈克尔逊干涉仪由于可进行精密测量，1907年迈克尔逊获诺贝尔物理学奖。,诺贝尔物理学获奖证书,相对性原理,物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式， 即所有的惯性参考系对运动的
10、描述都是等效的 。,光速不变原理,在所有惯性系中，光在真空中的速率相同，与惯性系之间的相对运动无关，也与光源、观察者的运动无关。,12.1.3 狭义相对论的基本原理,1.一切物理规律（力、热、声、光、电）在惯性系中都相同。,2.光速不变否定了绝对时空概念。,狭义相对论否定了伽利略变换，爱因斯坦找出了洛仑兹变换，发表于1905年的论动体的电动力学论文中。,洛仑兹坐标变换,明确几点,P 点坐标在 S 系和S系中坐标变换分别为,S为静系，S以v沿ox轴向右运动。,令,膨胀因子,这个公式洛仑兹1904年在爱因斯坦发表相对论之前就推导出来，他已经走到了相对论的边缘，但是由于受到根深蒂固的绝对时空观的影响
11、，面对已发现的相对时空表示式，没有从中找到正确的物理含义。他说 t 是真正时间，t 是辅助量，仅为数学方便而引入的。洛仑兹到 1909 年还不能使自己完全相信相对论，他说：“在今天很多人提出了与昨天他们说的话完全相反的主张，我不知道科学是什么了，为怨恨自己不能在 500 年前死去，在他逝世前一年（1927 年）他更肯定地说，对于他只有一个真正时间 t 。,例 观察者甲、乙，分别静止在惯性系 S、S 中， S 相对 S 以 u 运动， S 中一个固定光源发出一束光与 u 同向, B ,正确的答案是：(A) (1),(2),(3); (B) (1),(4)(C) (2),(3); (D) (1),
12、(3),(4),(1)乙测得光速为 c . (2)甲测得光速为 c+u; (3)甲测得光速为 c-u ； (4)甲测得光相对于乙的速度为 c-u。,录像：同时的相对性（1:43） 单击图片，播放/停止 播放时单击空格/回车，下一张PPT,爱因斯坦列车,由于光速不变，在S系中不同地点同时发生的两个事件，在S系中不再是同时的了。,在列车中部一光源发出光信号，在列车中 AB 两个接收器同时收到光信号，,但在地面来看，由于光速不变，A 先收到，B 后收到 。,12.2.1 同时的相对性,1. 在 S 系中不同地点同时发生的两事件，,由,在 S 系中这两个事件不是同时发生的。,2. 在 S 系中相同地点
13、同时发生的两事件，,由,在 S 系中这两个事件是同时发生的。,. 在 S 系中不同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件不是同时发生的。,.在 S 系中相同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件是同时发生的。,.当 vc 时，,低速空间“同时性”与参照系无关。,明确几点,.同时性没有绝对意义。,.有因果关系的事件，因果关系不因坐标系变化而改变。无因果关系的事件无所谓谁先谁后。超光速信号违反因果率。,当,时,在S中：,先开枪，后鸟死,是否能发生先鸟死，后开枪？,由因果律联系的两事件的时序是不会颠倒的,开枪,鸟死,在S中：,时序: 两个事件发生的时间顺序。,在S中：,在S中,例 （1）
14、某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、同地点发生，则在其它惯性系中，它们不同时发生。,（3）在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，在其它惯性系中必不同时发生。,（2）在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事，在其它惯性系中必同时发生。,正确的说法是： (A) (1).(3) (B) (1).(2).(3) (C) (3) (D) (2).(3), C ,录像：长度收缩（1:15） 单击图片，播放/停止 播放时单击空格/回车，下一张PPT,假设尺子和 S 系以 v 向右运动，,在 S 系中同时测量运动的尺子的两端,由,有,S 系中测量相对静止的尺子长度为,12.2.2 长度收缩,l0 称为固有长度
15、，即相对物体静止的参照系所测量的长度。,l 称为相对论长度，即相对物体运动的参照系所测量的长度。,明确几点,.观察运动的物体其长度要收缩，收缩只出现在运动方向。,.同一物体速度不同，测量的长度不同。物体静止时长度测量值最大。,.低速空间相对论效应可忽略。,.长度收缩是相对的，S系看S系中的物体收缩，反之，S系看S系中的物体也收缩。,地球上宏观物体最大速度103m/s，比光速小5个数量级，在这样的速度下长度收缩约10-10，故可忽略不计。,例1 宇宙飞船相对于地面以速度 v 作匀速直线飞行，某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光讯号，经过 Dt （飞船上的钟）时间后，被尾部的接收器收到，则
16、由此可知飞船的固有长度为, A ,例2 一固有长度为 L0=90 m的飞船，沿船长方向相对地球以 v =0.80 c 的速度在一观测站的上空飞过，该站测的飞船长度及船身通过观测站的时间间隔各是多少？船中宇航员测前述时间间隔又是多少？,录像：时钟变慢（3:55） 单击图片，播放/停止 播放时单击空格/回车，下一张PPT,在 S 系同一地点 x 处发生两事件。 S 系记录分别为 t1 和 t2。,两事件时间间隔,t0 固有时间：相对事件静止的参照系所测量的时间。,如在飞船上的钟测得一人吸烟用了5分钟。,12.2.3 时钟延缓,在 S 系测得两事件时间间隔由,在 S 系中观察 S 系中的时钟变慢了-
17、运动的时钟变慢。,1971年美国科学家在地面对准精度为10-9秒铯原子钟，把4台原子钟放到喷气式飞机上绕地球飞行一圈，然后返回地面与地面静止的比较，结果慢了59毫微秒。与相对论值只差用10，后来将原子钟放到飞船上实验精度进一步提高。,在地面上测得这个人吸烟可能用了8分钟。,明确几点, 运动的时钟变慢。不同系下事件经历的时间间隔不同。时间空间是相互联系的。, 静止的时钟走得最快。固有时间最短。, 低速空间相对论效应可忽略。, 时钟变慢是相对的，S系看S系中的时钟变慢，反之 S系看S系中的时钟也变慢。,双生子佯谬,例2 长为 1 m 的棒静止地放在Oxy 平面内，在 S系的观察者测得此棒与 Ox
18、轴成 45角，试问从 S 系的观察者来看，此棒的长度以及棒与 Ox 轴的夹角是多少？设 S 系相对 S 系的运动速度 .,解 在 系,在 S 系,例2 观测者甲和乙分别静止与两个惯性参照系 K 和 K 中，甲测得在同一地点发生的两个事件间隔为 4s，而乙测得这两个事件的时间间隔为 5s， 求：K 相对于 K 的运动速度.,解 因两个事件在 K 系中同一地点发生,则根据时钟变慢公式,有,甲相对事件是静止的测量的是固有时间Dt0=4s，乙相对事件是运动的，测量的是相对论时间 Dt =5s,解得,例3 设想有一光子火箭，相对地球以速率v = 0.95c作直线运动。若以火箭为参考系测得火箭长为15m。
19、问以地球为参考系，此火箭有多长?,解,例4 设想有一光子火箭以v = 0.95c的速率相对地球作直线运动。若火箭上宇航员的计时器记录他观测星云用去10min，则地球上的观察者测得此事用去了时间?,解,1.牛顿力学动量,2.相对论动量,质量,3. 动量守恒与经典力学相同,12.3.1 质量与速度的关系,m0为静止质量。,明确几点,4.质速关系, 物体质量与速度有关，,物体静止时质量最小。, 低速物体, 当,时, 经典力学中m不变，由,只要时间足够长， v 可超过光速。,相对论中,物体运动极限速度为光速。光子静止质量为0，可达光速。,质量不变,仍成立。,相对论性的动量概念、质量概念，以及相对论的力
20、学方程式和动量守恒定律式具有普遍的意义，而牛顿力学则只是相对论力学在物体低速运动条件下的很好的近似。,12.3.2 狭义相对论动力学基本方程,1.表述,任何具有质量为 m 速度为 v 的物体，必具有能量,2.证明,设质点沿 x 轴从静止开始作一维运动，,E0 为静止能量。,12.3.3 质能关系,物体速度从,作功为,E0为静止能量,相对论能量,3.明确几点, E 称为物体的总能量，包括动能和静止能量两部分。,证毕, 原子核反应, 物体静止时，v=0，, 物体动能,能量可以转变成质量,能量,质量,能量,质量,核反应堆,1克铀裂变释放的能量是1克煤的250万倍。,1克氘聚变释放能量是铀的4倍，煤的
21、1000万倍。,核电站,例：把电子从v1 =0.9c 加速到 v2=0.97c 时电子的质量增加多少？,解： v1 时的电子能量为,v2 时的电子能量为,能量增量,例：在核电站中将 1kg 的铀全部裂变可产生多大能量？,解：,1、核裂变,2、轻核聚变,12.3.4 质能公式在原子核裂变和聚变中的应用,1.表述,由相对论能量,两边平方,2.证明,12.3.5能量与动量关系,有,3.明确几点, 对 m0=0 的光子其速度才能达到 c，光子能量, 由爱因斯坦光量子假设，,普朗克常数, 光子频率,光子能量,光子质量,光子动量,例1 设一质子以速度v = 0.80c运动，求其总能量、动能和动量。,解：质子的静能量为,所以，质子的总能量为,质子的动能为,质子的动量,质子的动量也可以这样求,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( )。试问在这个核聚变中有多少能量被释放出来。,解：核聚变的反应式,（1875.628+2808.944)MeV=4684.572MeV,氘核和氚核的静能量之和为,氦核和中子的静能量之和为,(3727.409+939.573)MeV=4666.982MeV,在氘核和氚核聚变为氦核的过程中，静能量减少了,
