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1、大学物理大学物理上课认真听讲,记好随堂笔记上课不迟到不早退不旷课按时完成作业坚决杜绝抄作业现象课前预习课后复习,广泛阅读参考书勤学好问,积极思考课堂要求：课堂要求：成绩评定：成绩评定：平时平时30%30%期末考试期末考试70%70%普通物理学第一、二册 力学 热学 电磁学 光学 原子物理及近代物理学教学内容：教学内容：辅助教材辅助教材: :1 1、普通物理习题研讨教程 吴玉喜吴玉喜 2009 2009 中国矿业中国矿业大学出版社（大学出版社（3030）基本物理学基本物理学物理学研究的是物质运动最基本最普遍的形式物理学研究的是物质运动最基本最普遍的形式 包括包括: :机械运动、分子热运动、电磁运
2、动、原子和原机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原 子核内的运动子核内的运动我们学什么？我们学什么？我们学什么？我们学什么？知知识、方法、科学、方法、科学观念念“物物”物物质世界世界 “理理”普遍普遍规律律例如：例如：理想化方法理想化方法理想模型（理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体簧振子、理想气体)理想理想实验（伽利略、牛（伽利略、牛顿. ）理想理想过程程 (准静准静态、绝热)实质: 简化、化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。第四章相对论基础4-14-14-14-1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 洛仑兹变换洛仑兹变换
3、洛仑兹变换洛仑兹变换一、狭义相对论基本原理 迈克耳孙迈克耳孙- -莫雷实验：莫雷实验：以太以太绝对静止参考系绝对静止参考系是否存在是否存在?否定了绝对参考系否定了绝对参考系以太（以太（ether）的存在，的存在，也否定了绝对时空观。也否定了绝对时空观。指出了伽利略变换的局限性和光速不变原理。指出了伽利略变换的局限性和光速不变原理。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：狭义相对论基本原理：1、狭义相对论的相对性原理：在所有惯性系中，物理定律的表达形式都相同。2、光速不变原理：在所有惯性系中，真空中的光速具有相同的量值C。表明：绝对静止的参考系不存在表明：绝对静止的参考系不存
4、在 狭义相对性原理是伽利略相对性原理的推广。狭义相对性原理是伽利略相对性原理的推广。 光速不变与伽利略变换相矛盾，与实验结果光速不变与伽利略变换相矛盾，与实验结果相符，指出了伽利略变换的局限性，必须用新相符，指出了伽利略变换的局限性，必须用新的变换来代替的变换来代替洛伦兹变换洛伦兹变换。 两个基本假设最终否定了牛顿的两个基本假设最终否定了牛顿的绝对时空观绝对时空观，而必须代之以新的时空观而必须代之以新的时空观相对时空观。相对时空观。说明说明o ox xy yz zvt vtk k为固定惯性系为固定惯性系为固定惯性系为固定惯性系kk为运动惯性系相对为运动惯性系相对为运动惯性系相对为运动惯性系相对
5、于于于于k k系速度为系速度为系速度为系速度为v v伽利略坐标变换式：伽利略坐标变换式：o oz zy yx xP(x,y,z)P(x,y,z)P(x,y,z)P(x,y,z)经典力学中的绝对时空观经典力学中的绝对时空观速度变换式：速度变换式：速度变换式：速度变换式：加速度变换式：加速度变换式：加速度变换式：加速度变换式：伽利略相对性原理：伽利略相对性原理：伽利略相对性原理：伽利略相对性原理：对于所有惯性参考系，任何力学规律都是等价的。（1 1）坐标、速度、轨道具有相对性与参照系选择有关）坐标、速度、轨道具有相对性与参照系选择有关（2 2）质量、）质量、时间时间、长度长度、加速度、力等是绝对、
6、加速度、力等是绝对的的o ox xy yz zvtvto oz zy yx xM(M)N(N)结论：结论：时间和空间是绝对的与参考系选择无关时间和空间是绝对的与参考系选择无关S观察者（相对于光源静止）观察者（相对于光源静止） 接受到光速为接受到光速为c接受到光速为接受到光速为c观察者（静止）观察者（静止）S光源运动光源运动光速不变与伽利略变换相矛盾光速不变与伽利略变换相矛盾二、洛仑兹坐标变换式二、洛仑兹坐标变换式o ox xy yz zOOZZYYXX事件：在某一参考系中，在事件：在某一参考系中，在t t时刻于坐标位于（时刻于坐标位于（x,y,z,)x,y,z,)处发生的任意事情称为事件。事件
7、可表示为（处发生的任意事情称为事件。事件可表示为（x,y,z,t)x,y,z,t)（同一事件在不同参考系之间的坐标变换）（同一事件在不同参考系之间的坐标变换）逆变换： 讨论：讨论：讨论：讨论：结论：在速度远小于真空中光速C时，相对论结论与牛顿力学结论相同。结论： 真空中 光速C为一切实际物体的速度极限，不存在超光速的客体。例例4-1 4-1 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 轴上相轴上相距距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
8、间隔为多少？系测得此两事件的时间间隔为多少？解：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系中系中由洛仑兹坐标变换式例例4-24-2 在在k k系中观察到有两事件发生在某一地点，其系中观察到有两事件发生在某一地点，其时间间隔为时间间隔为4.0s4.0s，从，从k k系观察到这两事件的时间间系观察到这两事件的时间间隔为隔为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
9、 k系的速率是多少？系的速率是多少？解：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系中系中由洛仑兹坐标变换式由洛仑兹坐标变换式速度的定义：速度的定义：由洛伦兹变换：由洛伦兹变换：4-24-24-24-2 相对论速度变换相对论速度变换相对论速度变换相对论速度变换 vc，即，即 v/c0 时，时，上式变为伽利略速度变换式。上式变为伽利略速度变换式。 令令 ux= c , 可得可得 = c , 反之反之,令令 = c , 可也得可也得 ux= c .符合光速不变原理。符合光速不变原
10、理。 相对论速度逆变换相对论速度变换例例4-34-3一粒子以一粒子以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：例例4-44-4 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中的中的观察者测得观察者测得B B接近于它的速度为接近于它的速度为0.80.8C，则，则
11、B B中观察者测中观察者测得得A A接近于它的速度为多少？在两飞船的质心处的观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？察者测得每一飞船趋近于质心的速率是多少？解：解：解：解：B BA Ak kk k分别在分别在分别在分别在K,KK,KK,KK,K 中来描述的运动中来描述的运动中来描述的运动中来描述的运动A 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: : : : u uA A A A在在在在K K K K系中的速度（系中的速度（系中的速度（系中的速度（A A A A相对质心速度）相对质心速度）相对
12、质心速度）相对质心速度）: : : :u ux x=u=uA A A A在在在在K K K K系中的速度（系中的速度（系中的速度（系中的速度（A A A A相对相对相对相对B B B B速度）速度）速度）速度）: : u ux x=0.8c=0.8cK K K K系相对于系相对于系相对于系相对于k k k k系（速度系（速度系（速度系（速度B B B B相对质心速度）：相对质心速度）：相对质心速度）：相对质心速度）： v=-v=-u uB BA AC Ck kk k 狭义相对论利用洛伦兹变换对旧的绝对时空观进狭义相对论利用洛伦兹变换对旧的绝对时空观进行了根本性的变革，行了根本性的变革， 认为时
13、间、认为时间、 空间都与物质的运空间都与物质的运动有关，它们具有相对的意义动有关，它们具有相对的意义时空的相对性时空的相对性时空的相对性时空的相对性。4-3 4-3 4-3 4-3 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对性的相对性o ox xy yz z 设两事件同时发生在设两事件同时发生在设两事件同时发生在设两事件同时发生在k k k k系中的不同的地点系中的不同的地点系中的不同的地点系中的不同的地点x x x x1 1 1 1和和和和x x x x2 2 2 2。OOZZYYXX讨论：讨论：
14、结论：结论：结论：结论：在在在在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。二、长度缩短问题二、长度缩短问题二、长度缩短问题二、长度缩短问题o ox xy yz z尺固定在尺固定在尺固定在尺固定在k k k k系中，尺的系中，尺的系中，尺的系中，尺的两端处于两端处于两端处于两端处于x x x x1 1,x,x2 2. .在在在在k k k k 系中的系中的系中的系中的t t t t 测尺的两端的位置为测尺的两端的位置为测尺的两端的位置为测尺的两端的位置为x x x
15、x1 1 1 1 ,x,x,x,x2 2 2 2 ：o o z z y y x x ( ( ( (固有长度固有长度固有长度固有长度) ) ) )长度缩短公式：长度缩短公式：长度缩短公式：长度缩短公式：结论：长度测量与被测物体相对于观察者的结论：长度测量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。运动有关，物体在运动方向长度缩短了。第二宇宙速度：第二宇宙速度：v=11.2v=11.2 10103 3m/sm/s数量级为数量级为10104 4m m在宏观领域，长度缩短可以忽略！在宏观领域，长度缩短可以忽略！解：解：解：解：k kK K 例例4-54-5 一长为一长为1 1米的棒，相
16、对于米的棒，相对于k系静止并与系静止并与x x 轴夹轴夹 = = 4545角。问：在角。问：在 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 ）三、时间膨胀问题三、时间膨胀问题三、时间膨胀问题三、时间膨胀问题o ox xy yz zo Z ZY YX X在在K K系中的系中的x x处，某事物发生处，某事物发生了一个过程了一个过程K K 系系测得该事件发生于测得该事件发生于时间膨胀公式：时间膨胀公式：结论：结论：结论：结论： 时间膨胀效应表明了时间间隔只有相对时间膨胀效应表明了时间间隔只有相对意义，运动的时钟变慢了。意义
17、，运动的时钟变慢了。在相对于过程发生地点静止的惯性系中在相对于过程发生地点静止的惯性系中测得的时间间隔。测得的时间间隔。固有时间：固有时间：例例4-64-6 在在u=0.999c的宇宙飞船上，宇航员用的宇宙飞船上，宇航员用01s的时的时间翻了一页书，座舱中的大挂钟秒针正好走了一格（即间翻了一页书，座舱中的大挂钟秒针正好走了一格（即一秒），问地面上的人测量这段时间是多少？一秒），问地面上的人测量这段时间是多少？解：解： 高速运动的物体或人的一切过程高速运动的物体或人的一切过程(原子的振动、原子的振动、生命过程生命过程)都变慢。但这种变慢只是相对运动的效应，都变慢。但这种变慢只是相对运动的效应，而
18、非事物内部机制或钟的内部结构发生了改变。而非事物内部机制或钟的内部结构发生了改变。例例4-74-7 静系中静系中 子的平均寿命为子的平均寿命为 =2.2=2.2 1010-6-6秒。据报导，秒。据报导，在一组高能物理实验中，当它的速度为在一组高能物理实验中，当它的速度为v=0.9966Cv=0.9966C时通时通过的平均距离为过的平均距离为8 8kmkm。试说明这一现象。试说明这一现象。解：解：解：解： 按经典力学按经典力学按相对论力学按相对论力学例例4-84-8 远方的一颗星，以0.8c的速度离开地球。用固定于地球参考系上的时钟测出该星体的闪光周期为5昼夜。求固定于星体上的参考系测得的闪光周
19、期。K系（地球）：系（地球）：(固有时固有时)时间延缓：时间延缓：四、相对性与绝对性四、相对性与绝对性 绝对性：事件的因果关系有绝对意义。 相对性：在相对论时空中，运动的描述、时空的量度都是相对的。因果律与物质运动的最大速度任何物质的运动速度都不能大于真空中的光速原因结果4-4 4-4 4-4 4-4 狭义相对论动力学基础狭义相对论动力学基础狭义相对论动力学基础狭义相对论动力学基础一、相对论的质速关系一、相对论的质速关系一、相对论的质速关系一、相对论的质速关系m m m mo o o o为静止质量（为静止质量（为静止质量（为静止质量（v=0v=0v=0v=0）质速关系反映了物质与运动质速关系反
20、映了物质与运动质速关系反映了物质与运动质速关系反映了物质与运动的不可分割性的不可分割性的不可分割性的不可分割性010.20.4 0.60.8m0m持续作用持续作用持续持续但但v 的上限是的上限是 c因此要求因此要求m 随速率随速率增大而增大增大而增大1901 W.Kaufmann高速电子的荷质比随速度的高速电子的荷质比随速度的增大而减小有力地支持了相对论增大而减小有力地支持了相对论二、相对论力学的基本方程二、相对论力学的基本方程二、相对论力学的基本方程二、相对论力学的基本方程动量：动量：动量：动量：相对论基本方程：相对论基本方程：相对论基本方程：相对论基本方程：三、质量和能量的基本关系三、质量
21、和能量的基本关系三、质量和能量的基本关系三、质量和能量的基本关系相对论动能：相对论动能：相对论动能：相对论动能：相对论总能量：相对论总能量：相对论总能量：相对论总能量：相对论静能：相对论静能：相对论静能：相对论静能：讨论动能：讨论动能：讨论动能：讨论动能：计算核聚变中释放出的能量：计算核聚变中释放出的能量：计算核聚变中释放出的能量：计算核聚变中释放出的能量：氘核氘核= =质子质子 + + 中子中子质子质量：质子质量：质子质量：质子质量：中子质量：中子质量：中子质量：中子质量：氘核质量：氘核质量：氘核质量：氘核质量：质量亏损质量亏损：2 2克氘核（克氘核（1 1摩尔）：摩尔）： 6.0226.0
22、22 10102323个氘核个氘核释放能量：释放能量： 1kg优质煤完全燃烧放出优质煤完全燃烧放出 2.93107J的能量，的能量，燃烧燃烧1kg氘核氘核释放能量相当于释放能量相当于燃烧三千多吨煤。燃烧三千多吨煤。四、能量和动量的关系四、能量和动量的关系四、能量和动量的关系四、能量和动量的关系能量和动量关系式：能量和动量关系式：能量和动量关系式：能量和动量关系式：光子：光子：光子：光子：m mo o=0=0=0=0光子能量：光子能量：光子能量：光子能量：光子动量：光子动量：光子动量：光子动量：或：或：例例4-9 一个中性一个中性 介子相对于观察者以速度介子相对于观察者以速度v = kCv =
23、kC运动，运动，以后衰变为两个光子，两光子的运动轨迹与以后衰变为两个光子，两光子的运动轨迹与 介子原介子原来的方向成相等的角度来的方向成相等的角度 。试证明（。试证明（1 1）两光子有相）两光子有相等的能量。（等的能量。（2 2）coscos = k = k。证：证： 1 1 2 2动量守恒：动量守恒：能量守恒：能量守恒：由（由（1 1）式：）式：例例4-10一个电子被电压为一个电子被电压为10106 6V V的电场加速后，其质量的电场加速后，其质量为多少？速率为多大？为多少？速率为多大？解：解：解：解：+子：子：能量守恒：能量守恒：动量守恒：动量守恒：中微子：中微子：例例4-11 静止的静止
24、的 介子衰变为介子衰变为 子和中微子子和中微子 ，三者，三者的静止质量分别为的静止质量分别为m 、 m 和和 0。求。求+子和中微子子和中微子 的动能。的动能。 + + 相对论质速关系的推导：相对论质速关系的推导：相对论质速关系的推导：相对论质速关系的推导：x xy yB Bu uA Ax x y y x xy yB Bv vx x y y A A设设：两完全相同的小球两完全相同的小球A A和和B B，静止质量均为，静止质量均为m mo o。A A静静止于止于kk系，系，B B静止于静止于k k系。系。k k系动量守恒：系动量守恒：k k系动量守恒：系动量守恒：x xy yB BA Ax x y y x xy yB Bx x y y A A由速度变换式：由速度变换式：由速度变换式：由速度变换式：代入代入代入代入两边除以两边除以两边除以两边除以u u代入代入代入代入得质速关系：得质速关系：得质速关系：得质速关系：m m m mo o o o为静止质量（为静止质量（为静止质量（为静止质量（v=0v=0v=0v=0）
