第六篇近代物理學基礎理論基礎：相對論，量子力學第1頁1900年英國物理學家開爾文展望20世紀科學：----黑體熱輻射試驗----邁克耳遜-莫雷試驗“不過，在物理學晴朗天空遠處，還有兩朵小小令人不安烏云”“在已經基本建成科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎修補工作就行了”第2頁第十五章狹義相對論基礎第3頁廣義—推廣到普通參考系包含引力場在內理論（1915年）相對論：（1905年）狹義—局限在慣性參考系理論第4頁§15-1經典力課時空觀§15-2狹義相對論基本原理

洛侖茲變換§15-3相對論時空觀§15-4相對論動力學基礎第5頁一、力學相對性原理對任何慣性系來說，力學現象都遵從一樣規律，即一切慣性系都是等價船走嗎?舟行而不覺也---西漢《尚書緯?考靈曜》§15-1經典力課時空觀§15-1經典力課時空觀第6頁二、經典力課時空觀絕對空間時間和空間彼此獨立§15-1經典力課時空觀絕對時間絕對質量-----絕對時空觀長度量度、時間量度、物體質量都與參考系無關第7頁三、牛頓力學困難光傳到乙時間：傳到乙時間：先出球，后擊球

----先后顛倒擊前瞬間擊后瞬間§15-1經典力課時空觀第8頁

以太系光靠“以太”媒質傳輸，相對于靜止“以太”，光傳輸速度各向同性，恒為c§15-2狹義相對論基本原理

洛侖茲變換一、光速問題舊時觀點：§15-2狹義相對論基本原理第9頁光為橫波橫波在固體介質中傳輸“以太”何物？橫波波速要求G(剛性)很大，

(質量)很小問題：§15-2狹義相對論基本原理第10頁試驗：測地球相對“以太”速度

----邁克耳遜-莫雷試驗以太系

以太風§15-2狹義相對論基本原理第11頁1881年邁克耳遜第一次試驗，預期1887年邁克耳遜和莫雷改進試驗，預期結果：----“零結果”1907年邁克耳遜因創制了精密光學儀器而取得諾貝爾物理學獎§15-2狹義相對論基本原理第12頁二、愛因斯坦兩個基本假設1905年愛因斯坦在《運動物體電動力學》論文中提出假設：(1)相對性原理：物理定律在一切慣性系中都是相同----不存在任何特殊慣性系(2)光速不變原理：在全部慣性系中，真空中光傳輸速率都等于c§15-2狹義相對論基本原理第13頁三、洛侖茲變換K’系沿x軸以u運動t=t’=0：O和O’

重合t秒后：§15-2狹義相對論基本原理P點坐標第14頁洛侖茲變換洛侖茲逆變換§15-2狹義相對論基本原理第15頁(2)v>c時洛侖茲變換失去意義----物體速度以c為極限(1)洛侖茲變換中時間和空間相互聯絡討論：(3)u<<c時：----洛侖茲變換轉化為伽利略變換§15-2狹義相對論基本原理第16頁

四、相對論速度變換§15-2狹義相對論基本原理第17頁同理§15-2狹義相對論基本原理第18頁[例1]K系0點發出一閃光，1s后同時被P1和P2點接收。設K’系相對K系運動速度為0.8c

(開始時0與0’重合)，求P1和P2接收到信號時在K'上時刻和位置解：P1和P2接收信號時時空坐標分別為(c,0,0,1)、(-c,0,0,1)K’上觀察§15-2狹義相對論基本原理第19頁即P1點在K’中時空坐標為(,0,0,)同理可得P2點在K’中時空坐標為(-3c,0,0,3)§15-2狹義相對論基本原理第20頁討論：(1)

----同時----不一樣時(2)

----時間間隔、距離長度和同時性等都是相正確K：P1(c,0,0,1)

P2(-c,0,0,1)K’：P1(c/3,0,0,1/3)

P2(-3c,0,0,3)§15-2狹義相對論基本原理第21頁[例2]在試驗室測出，電子A以速度2.9×108m/s向右運動，而電子B以速度2.7×108m/s向左運動。求A電子相對B電子速度是多少?試驗室解：設試驗室為K系，電子B為K’系§15-2狹義相對論基本原理第22頁A相對于B速度即為A相對于K’速度試驗室§15-2狹義相對論基本原理第23頁一、長度收縮§15-3相對論時空觀固有長度L0：觀察者相對于物體靜止時所測量長度K’系測量§15-3相對論時空觀第24頁K系同時測得首尾坐標分別為x1和x2:即----長度收縮§15-3相對論時空觀第25頁

討論：(1)長度測量值與被測物體相對于觀察者運動相關，相對靜止時最長(2)相對論長度收縮只發生在有相對運動方向上(3)全部慣性系彼此等價§15-3相對論時空觀第26頁§15-3相對論時空觀第27頁[例3]如圖，有一米尺固定在x’O’y’平面內，K’系測得該尺與x’軸成30o角，K系測得該尺與x軸成45o角。問:K系中觀察者測得尺長度是多少?K'相對于K系速度是多少?解：K’系：§15-3相對論時空觀第28頁設K系測得尺長為l尺在y方向上得投影長度不變，即§15-3相對論時空觀第29頁由長度收縮有解得§15-3相對論時空觀第30頁二、時間膨脹固有時間t0：在一慣性系中測得該慣性系同一地點先后發生兩件事件時間間隔閃光第1次第2次§15-3相對論時空觀第31頁----時間膨脹§15-3相對論時空觀第32頁

討論：(1)由相對運動參考系測得時間間隔比固有時間長，即事件改變過程時間間隔變大(2)相對觀察者動鐘比靜鐘慢(動鐘變慢)§15-3相對論時空觀第33頁§15-3相對論時空觀第34頁[例4]一飛船和一彗星相對地面分別以0.6c和0.8c速度相向而行,在地面上觀察,再有5s二者就要相撞,問:(1)飛船上看彗星速度為多少?(2)從飛船上鐘看再經多少時間二者將相撞?解：設地面為K系，飛船為K’系§15-3相對論時空觀第35頁(1)(2)對飛船，觀察到彗星和與其相撞是在同一地點發生兩個事件負號表示沿x’軸負向§15-3相對論時空觀第36頁三、“同時”相對性設在K系x1、x2處同時發生兩件事件K’系觀察§15-3相對論時空觀第37頁

(2)事件先后次序：如：x2處事件先發生討論：(1)一慣性系中同時而不一樣地點發生事件，在另一慣性系不是同時發生§15-3相對論時空觀被觀察慣性系運動方向后方事件先發生第38頁

(3)事件因果次序是絕正確而與同號----事件因果次序不變§15-3相對論時空觀第39頁§15-3相對論時空觀第40頁[例5]觀察者A看到相距4m兩個事件同時發生，觀察者B看這兩個事件相距為5m，試問:對B來說，這兩個事件是否同時發生?時間間隔為多少?兩個觀察者相對速度為多大?解：設觀察者A為K系，B為K’系，B相對于A以速度u沿x

軸運動§15-3相對論時空觀第41頁解得§15-3相對論時空觀第42頁以速度v運動物體----質量與運動速度相關討論：(1)v<<c時：(2)v

c時：----物體運動速度不能大于c§15-4相對論動力學基礎§15-4相對論動力學基礎一、性對論質量第43頁2.動力學方程二、動量和動力學方程1.動量§15-4相對論動力學基礎第44頁

三、相對論能量物體在作用下位移，動能增量由分部積分法§15-4相對論動力學基礎第45頁總能量靜能動能§15-4相對論動力學基礎第46頁討論：(1)靜能：物體內部各粒子運動及其相互作用能量(2)動能：物體作為一個整體作機械運動而含有能量時：當§15-4相對論動力學基礎第47頁(3)總能量：§15-4相對論動力學基礎第48頁四、質能關系能量與動量關系1.質能關系1kg物體靜質能1kg汽油燃燒值----質量和能量不可分割§15-4相對論動力學基礎第49頁

2.能量與動量關系平方后消去v可得動質能三角形§15-4相對論動力學基礎第50頁五、光子2.運動質量1.靜止質量

m0=03.動量§15-4相對論動力學基礎第51頁[例6]靜質量為mo粒子含有初速度vo=0.4c。(1)若粒子速度增加一倍，則粒子動量為初動量幾倍?(2)若要使它末動量等于初動量10倍，則末速度應是初速度幾倍?