高二物理竞赛：狭义相对论总结课件.pptx

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1、狭义相对论总结狭义相对论总结2 相对论的质能关系为开创原子能时相对论的质能关系为开创原子能时代提供了理论基础代提供了理论基础 , 这是一个具有划时这是一个具有划时代意义的理论公式代意义的理论公式 .3相对论动量与能量的关系相对论动量与能量的关系222021ccmmcEv2201cmmpvvv22222022)()(cmcmmcvE200cmE pc22202cpEE 极端相对论近似极端相对论近似pcEEE,04光子光子cmv00mccEp光的波粒二象性光的波粒二象性/hphE对于动能是对于动能是E Ek k的粒子，总能量为的粒子，总能量为当当v vc c时，时，E Ek k2 22m2m0 0

2、c c2 2E EOp p上式的第一项可以忽略上式的第一项可以忽略, ,即即于是有于是有( (物体低速运动时能量动物体低速运动时能量动量关系量关系) )20kcmEE+=2220k2k2cpcmEE=+2220k2cpcmE=02k2mpE=0202mpEE+=22220)(cpcmE+=pcE=0202mpEE+=6 例例1 设一质子以速度设一质子以速度 运动运动. 求其总能量、动能和动量求其总能量、动能和动量.c80. 0v 解解 质子的静能质子的静能MeV1563122202ccmmcEvMeV62520kcmEE119smkg1068.622c1mmpvvv0MeV 938200cmE

3、7MeV1250)(2202cmEcpcpMeV1250动量也可如此计算动量也可如此计算 例例1 设一质子以速度设一质子以速度 运动运动. 求其总能量、动能和动量求其总能量、动能和动量.c80. 0v本章小结本章小结1. 狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设2. 洛伦兹变换洛伦兹变换(1) 相对性原理相对性原理: 物理定律在所有惯性系中具有相同的形式。物理定律在所有惯性系中具有相同的形式。 (2) 光速不变原理光速不变原理:时时空空坐坐标标变变换换速速度度变变换换在所有惯性系中，光在真空中的传播速在所有惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值率具有相同的值c.221cuutxx21cuu

4、xxxvvvyy zz 2221cuxcutt22211cucuxyvvyvzv22211cucuxzvv3. 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观(1) 同时性的相对性同时性的相对性(2) 时间膨胀时间膨胀(3) 长度收缩长度收缩4. 狭义相对论的动力学基础狭义相对论的动力学基础(1) 相对论质量相对论质量(2) 相对论动量相对论动量在一惯性系中同时而不同地发生的事件，在另一惯性系中必不同时。在一惯性系中同时而不同地发生的事件，在另一惯性系中必不同时。12tt t2201cut0t2201cuLL2201)(cmmvv2201cmpvvvv(3) 相对论能量相对论能量(4) 相对论动力学基本

5、方程：相对论动力学基本方程：(5) 相对论动力学能量守恒：相对论动力学能量守恒：总能量总能量:静止能量静止能量:相对论动能相对论动能:能量和动量关系能量和动量关系2mcE 200cmE 202kcmmcE22202cpEE)1(dddd220cmttpFvvvvv常量2cmEii基本方法基本方法确定事件、明确时空坐标；确定事件、明确时空坐标；分析已知和未知条件；分析已知和未知条件；正确使用洛仑兹坐标变换和速度变换。正确使用洛仑兹坐标变换和速度变换。19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但也隐含着巨大危机世纪理论物理学达到了巅峰状态，但也隐含着巨大危机。海王星的发现显示出牛顿力学的理论威力，电磁学与

6、力。海王星的发现显示出牛顿力学的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。人们。人们心目中，物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名物心目中，物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师说：学，老师说：“年轻人，物理学是一门已完成的科学，不年轻人，物理学是一门已完成的科学，不会再有多大发展，将一生献给这门学科，太可惜了。会再有多

7、大发展，将一生献给这门学科，太可惜了。”爱因斯坦似乎就是将构建崭新物理学大厦的人。爱因斯坦坚爱因斯坦似乎就是将构建崭新物理学大厦的人。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现，所有人是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在电磁现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在电磁理论中没有实际意义。于是他想到：以太绝对

8、参照系是必要理论中没有实际意义。于是他想到：以太绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？的吗？电磁场一定要有荷载物吗？爱因斯坦喜欢哲学，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。爱因斯坦喜欢哲学，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成相对性原理在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立，这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀立，这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对性原理应普遍成立，因此电磁理论对于各疑。他认为，相对性原理应普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具同样的形式，但在这里出现了光速的问题。个惯性系

9、应该具同样的形式，但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量？成为相对性原理是否普遍成光速是不变的量还是可变的量？成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。爱因斯坦经过反复思考，终于想清楚一件事立的首要问题。爱因斯坦经过反复思考，终于想清楚一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。1905年年6月月30日，德国日，德国物理学年鉴物理学年鉴接受了

10、爱因斯坦的论接受了爱因斯坦的论文文论动体的电动力学论动体的电动力学，在同年，在同年9月的该刊上发表。这篇月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。他大大发展了相对性原理，他认为，是他坚信相对性原理。他大大发展了相对性原理，他认为，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，根本不存

11、在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。理，严格地说是狭义的相对性原理。这篇文章是爱因斯坦多这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他

12、从同时的相对性这年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。是必要的，以太漂流是不存在的。1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并未立即引起很大反响。但是德国物理学权威普朗克注，并未立即引起很大反响。但是德国物理学权威普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲意到了他的文章

13、，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美，在普朗克的推动下，相对论很快成为人们研究和讨论美，在普朗克的推动下，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意。的课题，爱因斯坦也受到了学术界的注意。1907年，爱因斯坦提交了那篇著名的论文申请联邦工业大年，爱因斯坦提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。虽然学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他却在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气，但在瑞士，他却得不到一个大学的教职，许多有名望的人为他鸣不平，得不到一个大学的教职，许多有名望的人为他

14、鸣不平，1908年，爱因斯坦终于得到编外讲师的职位，并在第二年年，爱因斯坦终于得到编外讲师的职位，并在第二年当上了副教授。当上了副教授。1912年，爱因斯坦当上了教授，年，爱因斯坦当上了教授，1913年，年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。林大学教授。一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”，“按照我的看法，他也许比牛顿更伟大，因为他按照我的看法，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深入地进入了人类思想基本要对于科学的贡献，更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中。领的结构中。”