《大学物理王洪涛41》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理王洪涛41（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、China University of Mining and TechnologyCollege of ScienceDepartment of PhysicsH.T.Wang第四章第四章 狭义相对论基础狭义相对论基础2China University of Mining and Technology H.T.Wang 1879.3.141879.3.141955.4.191955.4.19爱爱因因斯斯坦坦与与相相对对论论3China University of Mining and Technology H.T.Wang v18791879年年3 3月月1414日出生在德国日出生在德国乌尔姆
2、乌尔姆。v18961896年进入年进入苏黎士工业大学苏黎士工业大学。v19021902年年伯尔尼联邦专利局伯尔尼联邦专利局的检验员。的检验员。v19051905年发表了有关狭义相对论的三篇年发表了有关狭义相对论的三篇文章。文章。v19131913年任年任柏林威廉皇家物理研究所柏林威廉皇家物理研究所所所长兼柏林大学教授。长兼柏林大学教授。v19161916年建立广义相对论。年建立广义相对论。v19211921年获诺贝尔物理奖（光电效应）。年获诺贝尔物理奖（光电效应）。 v19331933年受德国纳粹迫害，移居美国，年受德国纳粹迫害，移居美国，为为普林斯顿研究所普林斯顿研究所研究员。研究员。v19
3、551955年年4 4月月1919日去世，享年日去世，享年7676岁。岁。爱爱因因斯斯坦坦生生平平4China University of Mining and Technology H.T.Wang q普遍读不懂，不理解普遍读不懂，不理解在法国，在法国，19101910年几乎没有人提到爱因斯坦。年几乎没有人提到爱因斯坦。 J JJ J汤姆逊，汤姆逊，19091909年：年：“以太以太对我们来说，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。就象我们呼吸空气一样不可缺少。”马吉，马吉，19111911年：年：“我相信，现在没有一个活我相信，现在没有一个活着的人会断言，时间会是速度的函数。着的人会断
4、言，时间会是速度的函数。”q普朗克支持普朗克支持 “如果相对论是正确的，爱因斯坦就是如果相对论是正确的，爱因斯坦就是2020世纪的世纪的Copernicus(哥白尼哥白尼) )。”q实验验证实验验证19061906年，考夫曼得出了否定相对论的结果，年，考夫曼得出了否定相对论的结果，相对论受到考验！但相对论受到考验！但19071907年，爱因斯坦发表文章，年，爱因斯坦发表文章，坚信相对论是正确的。坚信相对论是正确的。狭狭义义相相对对论论之之路路5China University of Mining and Technology H.T.Wang q天才的预见，相对论成功了天才的预见，相对论成功了
5、 19161916年年, ,爱因斯坦又完成了广义相对论，提出爱因斯坦又完成了广义相对论，提出了三大天文效应，其中之一，引力场将使星光弯了三大天文效应，其中之一，引力场将使星光弯曲的现象。曲的现象。 19191919年，英国爱丁顿，率领一支考察队，利年，英国爱丁顿，率领一支考察队，利用日全食用日全食, ,观察到这一现象，并拍摄了照片。相对观察到这一现象，并拍摄了照片。相对论的成功震惊了世界论的成功震惊了世界! ! 爱因斯坦成为全世瞩目的人物。爱因斯坦成为全世瞩目的人物。 小插曲：小插曲：19051905年爱因斯坦写的文年爱因斯坦写的文稿只有三页，当时可以说一文不稿只有三页，当时可以说一文不值，值
6、，19361936年，却价值连城，卖了年，却价值连城，卖了400400万美元，武装了一支支援西万美元，武装了一支支援西班牙反对法西斯独裁的军队。班牙反对法西斯独裁的军队。6China University of Mining and Technology H.T.Wang p使牛顿的理论二百多年来第一次得到使牛顿的理论二百多年来第一次得到修正，牛顿力学成为相对论的一个分支。修正，牛顿力学成为相对论的一个分支。p使人们对质量、能量、时间、空间和使人们对质量、能量、时间、空间和速度等物理量有了一个全新的认识速度等物理量有了一个全新的认识. .p质能关系式质能关系式E=mcE=mc2 2为核能的开发
7、利用奠为核能的开发利用奠定了基础。定了基础。p象征着人类在探索自然过程中登上的象征着人类在探索自然过程中登上的一座高峰。一座高峰。一个以伟大的创造性观念造福于世界的人，不需要后一个以伟大的创造性观念造福于世界的人，不需要后人的赞扬，他的成就本身就已给了他一个更高的报答。人的赞扬，他的成就本身就已给了他一个更高的报答。 爱因斯坦爱因斯坦相相对对论论的的重重要要意意义义7China University of Mining and Technology H.T.Wang 4-1 4-1 4-1 4-1 牛顿绝对时空观和伽利略相对性原理牛顿绝对时空观和伽利略相对性原理牛顿绝对时空观和伽利略相对性原理
8、牛顿绝对时空观和伽利略相对性原理一、牛顿绝对时空观一、牛顿绝对时空观一、牛顿绝对时空观一、牛顿绝对时空观牛顿绝对时空观认为时间与空间相互独牛顿绝对时空观认为时间与空间相互独立，与物质的存在和运动无关。时间、立，与物质的存在和运动无关。时间、空间是绝对的。空间是绝对的。绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝着。流逝着。 牛顿牛顿绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始终如一和静止不动的物，总是始终如一和静止不动的 牛顿牛顿
9、8China University of Mining and Technology H.T.Wang 考虑两个参考系中的坐考虑两个参考系中的坐标系标系和和，它们相它们相对作匀速直线运动。对作匀速直线运动。在时刻坐标原点在时刻坐标原点重合，对于同一个质点重合，对于同一个质点，在任意时刻两个坐，在任意时刻两个坐标系中的质点对应的位标系中的质点对应的位置矢量：置矢量：二、伽利略变换二、伽利略变换二、伽利略变换二、伽利略变换1 1 伽利略坐标变换伽利略坐标变换yxzyzxPOO9China University of Mining and Technology H.T.Wang K系原点相对系原点相
10、对K系原点的位矢：系原点的位矢：从图中很容易看出矢量关系：从图中很容易看出矢量关系：成立的条件成立的条件: :绝对时空观！绝对时空观！空间绝对性空间绝对性: :空间两点距离的测量与坐标系无关。空间两点距离的测量与坐标系无关。时间绝对性时间绝对性: :时间的测量与坐标系无关。时间的测量与坐标系无关。10China University of Mining and Technology H.T.Wang P P点点在在K K系系和和K系系的的空空间间坐坐标标、时间坐标的对应关系为：时间坐标的对应关系为：因此，满足经典时空观的条件时因此，满足经典时空观的条件时此即伽利略坐标变换式此即伽利略坐标变换式
11、11China University of Mining and Technology H.T.Wang 2. 2. 伽利略速度变换伽利略速度变换在直角坐标系中在直角坐标系中写成分量形式为：写成分量形式为：此即伽利略速度变换此即伽利略速度变换 分别表示质点在两个坐标系中的速度分别表示质点在两个坐标系中的速度12China University of Mining and Technology H.T.Wang 3. 3. 加速度变换加速度变换 K系相对于系相对于K系的速度系的速度表明质点的加速度相对于作匀速运动的各个参考系不变。表明质点的加速度相对于作匀速运动的各个参考系不变。设设K K系相对
12、于系相对于K K系作匀加速直线运动系作匀加速直线运动, ,加速度加速度a a0 0, , 沿沿x x方向方向, ,且且 。13China University of Mining and Technology H.T.Wang 三、伽利略相对性原理三、伽利略相对性原理三、伽利略相对性原理三、伽利略相对性原理坐标变换速度变换加速度变换伽利略相伽利略相伽利略相伽利略相对性原理对性原理对性原理对性原理对于任何一个惯性参考系，对于任何一个惯性参考系，任何力学规律都是等价的。任何力学规律都是等价的。14China University of Mining and Technology H.T.Wang
13、小结：小结：（1）坐标、速度、轨道具有相对性，与参照系选）坐标、速度、轨道具有相对性，与参照系选 择有关择有关（2）质量质量、时间时间、长度长度、加速度、力等物理量、加速度、力等物理量 是绝对的。是绝对的。15China University of Mining and Technology H.T.Wang o ox xy yz zvtvtMNo o z z y y x x （N）（M）结论：结论：时间和空间都是绝对的与参考系选择无关。时间和空间都是绝对的与参考系选择无关。16China University of Mining and Technology H.T.Wang 一、狭义相对论
14、产生的背景一、狭义相对论产生的背景一、狭义相对论产生的背景一、狭义相对论产生的背景V 电磁理论光速恒定与牛顿力学速度 叠加原理的矛盾V 光的传输媒质以太假说V 迈克尔逊莫雷实验V 爱因斯坦的灵感4-2 4-2 狭义相对论基本原理洛仑兹变换狭义相对论基本原理洛仑兹变换16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将磁波，他产生了一个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前进的光，只能看看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前进的光，只能看到在空间里
15、振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗？到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗？17China University of Mining and Technology H.T.Wang 二、迈克尔逊二、迈克尔逊- -莫雷实验莫雷实验18China University of Mining and Technology H.T.Wang 迈克耳孙迈克耳孙迈克耳孙迈克耳孙- - - -莫雷实验否定了以太的存在，也就是莫雷实验否定了以太的存在，也就是莫雷实验否定了以太的存在，也就是莫雷实验否定了以太的存在，也就是否定了绝对参考系的存在。否定了绝对参考系的存在。否定了绝对参考系的存在
16、。否定了绝对参考系的存在。狭义相对论基本原理：狭义相对论基本原理：狭义相对论基本原理：狭义相对论基本原理：1 1、相对性原理：、相对性原理： 在所有惯性系中，在所有惯性系中，物理物理定律的数学表定律的数学表达形式都达形式都相同相同。2 2、光速不变原理：、光速不变原理： 在所有惯性系中，在所有惯性系中，真空真空中的光速具有中的光速具有相相同同的量值的量值C C。19China University of Mining and Technology H.T.Wang 二、洛仑兹坐标变换式二、洛仑兹坐标变换式二、洛仑兹坐标变换式二、洛仑兹坐标变换式（同一事件在不同参考系之间的坐标变换）（同一事件在
17、不同参考系之间的坐标变换）20China University of Mining and Technology H.T.Wang 则洛仑兹坐标变换式变换为：则洛仑兹坐标变换式变换为：21China University of Mining and Technology H.T.Wang 讨论：讨论：讨论：讨论：结论：结论：在速度远小于真空中光速在速度远小于真空中光速C时，相对时，相对论结论与牛顿力学结论相同。论结论与牛顿力学结论相同。22China University of Mining and Technology H.T.Wang 结论：结论： 真空中真空中 光速光速C为一切实际物体的
18、速为一切实际物体的速度极限，不存在超光速的客体。度极限，不存在超光速的客体。（3）洛仑兹变换与伽利略变换最大不同点洛仑兹变换与伽利略变换最大不同点伽利略伽利略:洛仑兹：洛仑兹：23China University of Mining and Technology H.T.Wang 例、例、例、例、在惯性系在惯性系k k中，有两事件同时发生在中，有两事件同时发生在xxxx轴上相距轴上相距1.01.0 10103 3m m处，从处，从k k 观察到这两事件相距观察到这两事件相距2.02.0 10103 3m m。试问由试问由k k系测得此两事件的时间间隔为多少？系测得此两事件的时间间隔为多少？解：
19、解：解：解：o ox xy yz zOOZZYYXXp1p2 P1P2p1 (x1,t1)p2 (x2,t2)P1 (x1,t1)P2 (x2,t2)K系中系中K系中系中24China University of Mining and Technology H.T.Wang 25China University of Mining and Technology H.T.Wang 26China University of Mining and Technology H.T.Wang 例、在例、在k k系中观察到有两事件发生在同一地点，其时系中观察到有两事件发生在同一地点，其时间间隔为间间隔为4
20、.0s4.0s，从，从k k系观察到这两事件的时间间隔系观察到这两事件的时间间隔为为6.0s6.0s。试问（。试问（1 1）从）从k k系观察到这两事件的空间系观察到这两事件的空间间隔为多少？（间隔为多少？（2 2） k k系相对于系相对于k k系的速率是多少系的速率是多少？解：解：o ox xy yz zOOZZYYXXp1p2 P1P2p1 (x1,t1)p2 (x2,t2)P1 (x1,t1)P2 (x2,t2)K系中系中K系中系中（1）27China University of Mining and Technology H.T.Wang 由洛仑兹坐标变换式由洛仑兹坐标变换式28Chi
21、na University of Mining and Technology H.T.Wang （2）29China University of Mining and Technology H.T.Wang 三、相对论速度变换三、相对论速度变换由洛仑兹坐标变换式由洛仑兹坐标变换式30China University of Mining and Technology H.T.Wang 31China University of Mining and Technology H.T.Wang 同理32China University of Mining and Technology H.T.Wang
22、 相对论速度变换相对论速度变换相对论速度逆变换相对论速度逆变换33China University of Mining and Technology H.T.Wang 例、一粒子以例、一粒子以0.05C0.05C的速率相对实验室参考系运动。的速率相对实验室参考系运动。此粒子衰变时发射一个电子，电子相对于粒子的速率此粒子衰变时发射一个电子，电子相对于粒子的速率为为0.8C0.8C，电子的衰变方向与粒子运动方向相同。求电，电子的衰变方向与粒子运动方向相同。求电子相对于实验室参考系的速率。子相对于实验室参考系的速率。解：解：已知：已知：34China University of Mining and
23、 Technology H.T.Wang 例、例、例、例、两只完全相同的飞船两只完全相同的飞船A A和和B B相向飞行，在相向飞行，在A A中的观中的观察者测得察者测得B B接近于它的速度为接近于它的速度为0.8C0.8C，则，则B B中观察者测得中观察者测得A A接近于它的速度为多少？在两飞船的质心处的观察接近于它的速度为多少？在两飞船的质心处的观察者测得每一飞船趋近于质心的速率是多少？者测得每一飞船趋近于质心的速率是多少？解：解：解：解：B BA AC Ck ko ok kA A A A，B B B B趋近于质心的速率是趋近于质心的速率是趋近于质心的速率是趋近于质心的速率是: : : :A
24、 A A A相对质心速率相对质心速率相对质心速率相对质心速率: : : :A A A A相对相对相对相对B B B B速率速率速率速率: : : : B B B B相对质心速率：相对质心速率：相对质心速率：相对质心速率：35China University of Mining and Technology H.T.Wang 36China University of Mining and Technology H.T.Wang 4-4 4-4 4-4 4-4 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观一、一、一、一、“ “同时同时同时同时” ”的相对性的相对性的相
25、对性的相对性爱因斯坦相对论则认为：爱因斯坦相对论则认为：这两个事件在惯性系这两个事件在惯性系K中观察是同时的，而在惯性系中观察是同时的，而在惯性系K观察一般来说不观察一般来说不再是同时的了。这就是狭义相对论的同时相对性。再是同时的了。这就是狭义相对论的同时相对性。同时性的相对性同时性的相对性-光速不变原理的直接结果。光速不变原理的直接结果。以爱因斯坦火车为例以爱因斯坦火车为例（Einstein train） 说明。说明。在牛顿力学中在牛顿力学中，时间是绝对的。两事件在惯性系，时间是绝对的。两事件在惯性系 K中观察是同时发生的，那么在另一惯性系中观察是同时发生的，那么在另一惯性系K中中观察也是同
26、时发生的。观察也是同时发生的。 37China University of Mining and Technology H.T.Wang Einstein trainEinstein trainEinstein train38China University of Mining and Technology H.T.Wang o ox xy yz z 设两事件同时发设两事件同时发设两事件同时发设两事件同时发生在生在生在生在k k k k系中的不同的系中的不同的系中的不同的系中的不同的地点地点地点地点x x x x1 1 1 1和和和和x x x x2 2 2 2。结论：在结论：在结论：在结论：
27、在k k k k系同时发生的两事件，在系同时发生的两事件，在系同时发生的两事件，在系同时发生的两事件，在k k k k 系中并不同时。系中并不同时。系中并不同时。系中并不同时。OOZZYYXX同时性的相对性的洛仑兹证明39China University of Mining and Technology H.T.Wang 讨论：讨论：40China University of Mining and Technology H.T.Wang 41China University of Mining and Technology H.T.Wang 42China University of Mini
28、ng and Technology H.T.Wang （4 4）对于）对于两个互不相干事件：两个互不相干事件：对于不同的对于不同的（5 5）对于有因果关系的两事件，前后顺序能否）对于有因果关系的两事件，前后顺序能否颠倒颠倒？（不能！）（不能！）43China University of Mining and Technology H.T.Wang OOZ Z Y Y X X o ox xy yz z12p1 (x1,t1)p2 (x2,t2)K系中系中P1 (x1,t1)P2 (x2,t2)K系中系中44China University of Mining and Technology H.T
29、.Wang OOZ Z Y Y X X o ox xy yz z1245China University of Mining and Technology H.T.Wang 由于由于K K以一定的速度运动。根据洛仑兹变换式有：以一定的速度运动。根据洛仑兹变换式有：在相对论理论中，时间不是绝对的。设在在相对论理论中，时间不是绝对的。设在K K系中系中一固定坐标处有一只静止的钟，记录在该处前后一固定坐标处有一只静止的钟，记录在该处前后发生的两个事件，两事件的时间间隔为发生的两个事件，两事件的时间间隔为 而有而有K K系中的钟所记录两时间的时间间隔为：系中的钟所记录两时间的时间间隔为： 二二二二.
30、.时间膨胀效应时间膨胀效应时间膨胀效应时间膨胀效应46China University of Mining and Technology H.T.Wang 说明：说明：说明：说明：（1 1）运动时钟的变慢完全是相对论的时空效应，）运动时钟的变慢完全是相对论的时空效应， 与钟的具体结构和其他外界因素无关。与钟的具体结构和其他外界因素无关。（2 2）运动时钟变慢在粒子物理学中有大量的）运动时钟变慢在粒子物理学中有大量的 实验证明。实验证明。运动时运动时 固有时固有时说明在运动的参考系里观测，事物变化过程的时间说明在运动的参考系里观测，事物变化过程的时间间隔变大了，即时间膨胀，也可以称为时钟变慢。间
31、隔变大了，即时间膨胀，也可以称为时钟变慢。47China University of Mining and Technology H.T.Wang 三、长度收缩效应三、长度收缩效应三、长度收缩效应三、长度收缩效应o o z z y y x x o ox xy yz z尺相对尺相对尺相对尺相对k k k k 系静止系静止系静止系静止固有长度：固有长度：固有长度：固有长度：k k k k系测得尺的长度：系测得尺的长度：系测得尺的长度：系测得尺的长度：48China University of Mining and Technology H.T.Wang 长度缩短公式：长度缩短公式：长度缩短公式：长
32、度缩短公式：结论：长度测量值与被测物体相对于观察者结论：长度测量值与被测物体相对于观察者的运动有关，物体在运动方向长度缩短了。的运动有关，物体在运动方向长度缩短了。在宏观领域，由于物体运动速度相对较低，故长在宏观领域，由于物体运动速度相对较低，故长在宏观领域，由于物体运动速度相对较低，故长在宏观领域，由于物体运动速度相对较低，故长度缩短可以忽略！度缩短可以忽略！度缩短可以忽略！度缩短可以忽略！ 长度收缩效应纯粹是一种相对论效应，当物体的长度收缩效应纯粹是一种相对论效应，当物体的长度收缩效应纯粹是一种相对论效应，当物体的长度收缩效应纯粹是一种相对论效应，当物体的运动速度接近光速时，这个效应是明显
33、的。运动速度接近光速时，这个效应是明显的。运动速度接近光速时，这个效应是明显的。运动速度接近光速时，这个效应是明显的。49China University of Mining and Technology H.T.Wang 三大相对论效应视频三大相对论效应视频1.1.同时的相对性同时的相对性2.2.时间膨胀时间膨胀3.3.长度收缩长度收缩53China University of Mining and Technology H.T.Wang 解：解：解：解：例例例例1 1 1 1、一长为一长为l l米的棒，相对于米的棒，相对于k k系静止并与系静止并与x x 轴夹轴夹 = = 4545角。问：
34、在角。问：在k k系的观察者来看，此棒的长度系的观察者来看，此棒的长度以及它与以及它与x x轴的夹角为多少？（已知轴的夹角为多少？（已知 ）K Kk k 由长度收缩效应，长由长度收缩效应，长度在运动方向收缩度在运动方向收缩54China University of Mining and Technology H.T.Wang 55China University of Mining and Technology H.T.Wang 第一个是引力问题第一个是引力问题 狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的，但是它不能解释引力
35、问题。牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与相对论依据的场的观力作用在瞬间传递，即以无穷大的速度传递，这与相对论依据的场的观点和光速恒定原理冲突。点和光速恒定原理冲突。第二个是非惯性系问题第二个是非惯性系问题 狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系。但事狭义相对论与以前的物理学规律一样，都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说，一切自然规律不应该局限实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说，一切自然规律不应该局限于惯性系，必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释
36、所谓的于惯性系，必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生子佯谬双生子佯谬，该佯谬说的是，有一对孪生兄弟，哥哥在宇宙飞船上以接近光速的速度该佯谬说的是，有一对孪生兄弟，哥哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟做宇宙航行，根据相对论效应，高速运动的时钟变慢，等哥哥回来，弟弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理，弟已经变得很老了，因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理，飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变飞船相对于地球高速运动，地球相对于飞船也高速运动，弟弟看哥哥变年轻了，哥哥看弟弟也
37、应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上，年轻了，哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上，狭义相对论只能处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运狭义相对论只能处理匀速直线运动，而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程，这是狭义相对论无法处理的。动过程，这是狭义相对论无法处理的。 思考思考56China University of Mining and Technology H.T.Wang 水星是离太阳最近的行星，每隔水星是离太阳最近的行星，每隔88天经过一次近日点。天经过一次近日点。19世纪中世纪中叶，海王星的发现者叶，海王星的发现者L.维里尔测量发现水星的轨道不是闭合的，
38、在近维里尔测量发现水星的轨道不是闭合的，在近日点有进动，且每日点有进动，且每100年旋进年旋进43秒。爱因斯坦的广义相对论认为，由秒。爱因斯坦的广义相对论认为，由于太阳巨大引力的存在使其附近的时空发生弯曲，而水星正处于这一于太阳巨大引力的存在使其附近的时空发生弯曲，而水星正处于这一时空强烈弯曲区，造成近日点的旋进。理论的计算结果为时空强烈弯曲区，造成近日点的旋进。理论的计算结果为43.03秒，与秒，与实验观测结果十分接近。实验观测结果十分接近。 广义相对论的第二大预言是引力红移。由于强引力场使时钟变慢，广义相对论的第二大预言是引力红移。由于强引力场使时钟变慢，光线的固有周期变长，频率减小，称为
39、光线的固有周期变长，频率减小，称为“红移红移”。20年代，天文学家年代，天文学家在天文观测中证实了这一点，该结论也表明星体正在远离我们而去，在天文观测中证实了这一点，该结论也表明星体正在远离我们而去，证明宇宙在膨胀。证明宇宙在膨胀。 广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转。最靠近地球的大广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转。最靠近地球的大引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。将会发生一点七秒的偏转。1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了
40、两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七五秒的偏转。后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七五秒的偏转。 广义相对论的成功广义相对论的成功57China University of Mining and Technology H.T.Wang 58China University of Mining and Technology H.T.Wang 4.5 4.5 相对论动力学基础相对论动力学基础 在相对论中，动量的定义不变，动量守在相对论中，动量的定义不变，动量守恒定律仍然成立。但
41、按洛伦兹变换，物体的恒定律仍然成立。但按洛伦兹变换，物体的质量将和自己的速率有关。并且速率以光速质量将和自己的速率有关。并且速率以光速为极限。为极限。经典力学：经典力学：F a v vc59China University of Mining and Technology H.T.Wang 一、相对论的质量一、相对论的质量经典力学：经典力学：m=恒量（恒量（m0） 与与v 无关，与参考系无关无关，与参考系无关相对论：相对论：m=m(v) 与与v 有关，与参考系有关有关，与参考系有关相对论的质速关系相对论的质速关系60China University of Mining and Technolo
42、gy H.T.Wang （1）v =0，m=m0 m0：静质量、固有质量静质量、固有质量v 0，mm0 m：动质量、相对论质量：动质量、相对论质量（2）由质速关系式可知，当vc时，mm0，低速运动的物体的质量可以看做与速度无关，并且等于其静止质量牛顿力学的范畴。讨论讨论: :61China University of Mining and Technology H.T.Wang 由图可知：当物由图可知：当物体的速度接近光体的速度接近光速时，质量明显速时，质量明显增加。增加。（4）对于光子、中微子，因为其以光速运动，所以其静止质量必为零，即m0=0，只有动质量没有静质量。（3）m/m0与v/c的
43、关系62China University of Mining and Technology H.T.Wang 相对论动量相对论动量二、相对论的动量二、相对论的动量经典力学：经典力学：相相 对对 论：论：63China University of Mining and Technology H.T.Wang 三、相对论动力学的基本方程三、相对论动力学的基本方程相对论中，动量的概念仍然是质量和速度的乘积，只是质量变成了相对论质量，成了速度的函数。64China University of Mining and Technology H.T.Wang 讨论：讨论：65China University
44、 of Mining and Technology H.T.Wang 66China University of Mining and Technology H.T.Wang 四、相对论动能四、相对论动能经典力学：经典力学：相相 对对 论：论：67China University of Mining and Technology H.T.Wang （1）当）当 v c 时，有时，有讨论：讨论：68China University of Mining and Technology H.T.Wang 物体的静能物体的静能物体的总能量物体的总能量69China University of Minin
45、g and Technology H.T.Wang 70China University of Mining and Technology H.T.Wang 五五. 能量和动量的关系能量和动量的关系经典力学：经典力学：71China University of Mining and Technology H.T.Wang 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系72China University of Mining and Technology H.T.Wang 解：解：由相对论基本动力学方程得由相对论基本动力学方程得例题例题1 1有一静止质量为m0，带电量为q的粒子，其初速度为零，在均匀电
46、场E中加速。在t时刻它所获得的速度是多少？如果不考虑相对论效应它的速度又是多少？这两个速度有什么关系？73China University of Mining and Technology H.T.Wang 两边积分两边积分得得所以所以不考虑相对论效应时不考虑相对论效应时74China University of Mining and Technology H.T.Wang 75China University of Mining and Technology H.T.Wang 解：解： 介子在衰变过程中动量和能量均守恒：介子在衰变过程中动量和能量均守恒：例题例题2 2静止的+介子衰变为+子和
47、中微子，三者的静止质量分别为m，m和m 。求子和中微子的动能。（1）动量守恒）动量守恒76China University of Mining and Technology H.T.Wang （2）能量守恒）能量守恒由相对论能量和动量关系由相对论能量和动量关系77China University of Mining and Technology H.T.Wang 得得由（由（3）式和（）式和（4）式得）式得由（由（2）式和（）式和（5）式得）式得78China University of Mining and Technology H.T.Wang 又由相对论动能又由相对论动能得得79Chin
48、a University of Mining and Technology H.T.Wang 相对论质能关系在军事上的应用：核武器相对论质能关系在军事上的应用：核武器原子弹爆炸原子弹爆炸80China University of Mining and Technology H.T.Wang 冲击波冲击波81China University of Mining and Technology H.T.Wang 放射性沾染放射性沾染82China University of Mining and Technology H.T.Wang 核电磁脉冲核电磁脉冲83China University of Mining and Technology H.T.Wang 早期核辐射早期核辐射
