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1、第十五章狭义相对论基础一、基本要求1 .理解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。2 .了解洛仑兹变换及其与伽利略变换的关系；掌握狭义相对论中同时的相对性，以及长度收缩和时间膨胀的概念，并能正确进行计算。3 .了解相对论时空观与绝对时空观的根本区别。4 .理解狭义相对论中质量和速度的关系，质量和动量、动能和能量的关系，并能分析计算一些简单问题。二、基本内容1.牛顿时空观牛顿力学的时空观认为，物体运动虽然在时间和空间中进行，但时间的流逝和空间的性质与物体的运动彼此没有任何联系。按牛顿的说法是“绝对空间，就其本性而言，与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的。”，“绝对的，真正的和数学的时间自己流逝
2、着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”以上就构成了牛顿的绝对时空观，即长度和时间的测量与参照系无关。2.力学相对性原理所有惯性系中力学规律都相同，这就是力学相对性原理（也称伽利略相对性原理）。力学相对性原理也可表述为：在一惯性系中不可能通过力学实验来确定该惯性系相对于其他惯性系的运动。3.狭义相对论的两条基本原理（1）爱因斯坦相对性原理：物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的（例 如“绝对静止”的）惯性系。爱因斯坦相对论原理是伽利略相对性原理（或力学相对性原理）的推广，它使相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于所有物理现象。（2）光速不变原理：在任何惯性系中，
3、光在真空中的速度都相等。光速不变原理是当时的重大发现，它直接否定了伽利略变换。按伽利略变换,光速是与观察者和光源之间的相对运动有关的。这一原理是非常重要的。没有光速不变原理，则爱因斯坦相对性原理也就不成立了。这两条基本原理表示了狭义相对论的时空观。4.洛仑兹变换（K 系-K 系）当 -0,y=l 得尤=x-加，y=y,z，=z,f =f,洛仑兹变换就变成伽利略变换。“c,1-尸2 0,洛仑兹变换失去意义。故相对论指出，物体运动速度不能超过真空中光速。在狭义相对论中洛仑兹变换是两条基本假设的直接结果。5.狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观认为，时间和空间有密切的联系，时间、空间与物质运动是不可
4、分割的，根本不存在脱离了物质运动的绝对时间和绝对空间。其中包括同时的相对性，长度的收缩，时间的延迟等都反映了狭义相对论的时空观。(1)同时性的相对性在某惯性系中同时发生的两个事件，在另一相对它运动的惯性系中并不一定同时发生。如两事件在K系中同时异地的发生，在 系 中 的 观 察 者 观 测 这 两 事件必定不是同时发生的。由洛仑兹变换式可得一）-%）C显然，L=4，X 产/，则。一 尸 0,两事件在K，系中不同时发生。所以同时性是相对的。(2)时间膨胀一个事件所经历的时间的量度也与参照系有关。若一事件在K系中X =5 处发生，起始于L 时刻、终止于时刻、经历时间为加=-0。定义在相对于事件发生
5、的地点为静止的参照系（如K系）中测得的时间间隔为固有时（或原时）,用 飞 =，2 -则在相对K系匀速运动的K，系中测得此时间间隔为 =,称广为运动时，用7表示，则由洛仑兹变换式得运动的钟变慢的公式显然7 品，称为运动的时钟变慢或时间膨胀效应。时间膨胀是一种相对论效应，不是钟的内部结构有了什么变化。若在K系中测得时间为7,则在K系中测得时间间隔为T,仍有7=,这与第一条基本假设一致。在。6 时,r=r0,与牛顿绝对时空观相符。（3）长度收缩设一固定在K系中的物体，它沿x 轴的长度，在K系测得为/=2-七（K系相对于物体沿x 方向无相对运动），/称为该物体的固有长度。则在相对K系沿x方向相对匀速运
6、动的K系中，在某时刻 测得该物体长度r=x h-居（应在同时测出则有P=Q 1 -即r/。这个效应称为长度收缩。注意：长度收缩为一相对论效应，物体运动速度越大，此效应越显著。当oc时，=/,收缩效应几乎显示不出来。在与相对速度。垂直方向上=/,即与相对速度垂直的方向上无长度收缩效应。一般说来，这个长度收缩效应用肉眼很难看到。因为用肉眼看物体时，除有相对论效应外，还有光学效应。6.质量与速度的关系注意：物体的运动质量相与物体相对观察的运动速度U 相关。此处加与经典力学中变质量问题不同。当。?日FFt Ft-C-m-Q-c-r x m(.c c=crFtl/Ft、2 21 +()mcmocI=Q1
7、l+(与1 =应&F mQc F mQc1 5-1 9 一立方体，沿其一棱方向以速率“相对于观察者运动，试证明体积和其中加。、匕各为其静质量、静体积。解：设立方体截面积为S,一棱长为/。，静体积=S/。沿此棱方向以速率相对于观察者运动，据长度收缩效应，则观察者测得此棱的长度/会缩短。1=尸。立 方 体 的 体 积 为V=/S =S/20J l-=V0J l-4立方体的质量密度1 5-2 0氢原子的结合能（从氢原子移去电子所需的能量）为1 3.6 e V。当电子和质子结合为氢原子时损失了多少质量？解：电子和质子结合为氢原子时损失了能量A =1 3.6 eV =2.1 7 6 x 1 0*1由质能
8、关系 bE=c1 Zn损失的质量为 A m =华=2.4 2 x 1 Of依C1 5-2 1试证：带电粒子在匀强磁场月中与月垂直的平面上作圆运动时的轨道半径为 R=QEE廿EQ?qBc其中4、既、4分别为粒子的静止能量、动能、电量。证明：（1）带电粒子在磁场中作圆周运动，向心力为洛仑兹力V2qvB=mR带电粒子的运动质量m故”,2假设带电粒子的轨道半径为 一(2EQEk+Ek2)2qBc由 E。=mQc2 Ek=me2-moc2=z/zoc2(7 -1)=叱 犷 _炉=芷4_=吗 三 族 qBc qBc v2 qBc c2-v1-T C,1由于式和式结果相同 故R =Q E/KEQ 2成立。q
9、Bc1 5-2 2 已知静止质量为(：)=1.0 0 7 8 3 w,(；L z)=7.0 1 6 0 1 =4.0 0 2 6 0 u,计算下列核聚变释放的能量(1 =1.6 6 xIO?必).:H+；L J：H e+；He解：核聚变前的总质量加0 =1.0 0 7 8 3 u+7.0 1 6()1 u=8.()2 3 8 4 u=1.3 3 1 9 6 x l O_2 6A:g核聚变后的总质量m=4.0 0 2 6 0 u+4.0 0 2 6 0 a=8.0 0 5 2 0 u=1.3 2 8 8 6 x 1 0-2 6核聚变释放的能量 A E =c2 Am=(咻-m)c2=(1.3 3
10、1 9 6 x I O-2 6-1.3 2 8 8 6 x l 0-2 6)x(3 x l 08)2 J=2.79X1()T2J1 5-2 3 已知静止质()=1.0 0 8 7 ”,(竟U)=2 3 5 339”,(累&)=140.9139M,德K)=9 1.8 9 7 0 o计算下列铀裂变所释放的能量：(慢中子)+2和 累&+懿+3(：n解：核裂变前总质量为m0=1.0 0 8 7 u+2 3 5.0 4 3 9 u=2 3 6.0 5 2 6 u=3.9 1 8 5 x l O-2 5A:gm=1 4 0.9 139u+9 1.8 9 7 0 w +3 x 1.0 0 7&，-25核聚变后的总质量为=2 3 5.8 3 7 0 “+=3.9 1 4 9 x l O铀核裂变所放出的能量、E =cm=(-根)c2=(3.9 1 8 5 x 1 0-2 5 -3.9 1 4 9 x l 0-2 5)x(3 x 1 08)2 J=3.2 4 x 1 0，
