高中物理竞赛专题课件：质能关系 波粒二象性.ppt

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1、第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.0/51正变换正变换洛伦兹变换的意义洛伦兹变换的意义1)洛伦兹变换是不同惯性系洛伦兹变换是不同惯性系之间时空变换的普遍公式之间时空变换的普遍公式时时洛伦兹变换洛伦兹变换伽利略变换伽利略变换,满足伽满足伽利略相对性原理利略相对性原理.2)与光速不变原理以及真空中光与光速不变原理以及真空中光速为速率极限的实验事实相符速为速率极限的实验事实相符.3)建立了新的时空观建立了新的时空观 时间时间,空间空间彼此关联彼此关联彼此关联彼此关联,并与物并与物质本身和运动形式密不可分质本身和运动形式密不可分,形成四维时空概念形成四维时空概念:不是不是“时时”“空空”分离分离

2、,而是而是“时时-空空”一体一体.不同惯性系中的观察者有各不同惯性系中的观察者有各自不同的时空观念自不同的时空观念,不不存在存在存在存在对对所有观察者都相同的所有观察者都相同的绝对时间绝对时间绝对时间绝对时间和和绝对空间绝对空间绝对空间绝对空间.第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.1/51质质-速关系速关系考夫曼实验结果考夫曼实验结果:电子的质量随速率变化电子的质量随速率变化讨论讨论:(1)(1)普遍性普遍性普遍性普遍性:(2)(2)相对性相对性相对性相对性:v v c c 时时时时,m m(v v)=)=m m0 0 用用用用牛牛牛牛顿力学描述顿力学描述顿力学描述顿力学描述;v v c

3、c 时时时时,m m 任意外力作任意外力作任意外力作任意外力作用下用下用下用下,a a 0 0 c c 是极限速率是极限速率是极限速率是极限速率.质量具有相对性质量具有相对性质量具有相对性质量具有相对性,反映了物质反映了物质反映了物质反映了物质本身的属性与其运动情况的本身的属性与其运动情况的本身的属性与其运动情况的本身的属性与其运动情况的关联关联关联关联.第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.2/512.相对论动量相对论动量在低速范围在低速范围,即经典力学的牛顿即经典力学的牛顿第二定律第二定律:4.5.2 力和加速度的关系力和加速度的关系第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.3/514.5

4、.3 相对论能量相对论能量经典力学中经典力学中,动能为动能为相对论力学中是否有相对论力学中是否有:由动能定理由动能定理1.相对论动能相对论动能?相相对对论论认认为为动动能能定定理理仍仍适适用用.若若取取质质点点速速率率为为零零时时动动能能为为零零.则则质质点点动动能能就就是是其其从从静静止止到到以以速速率率 v 运运动动的的过过程程中中,合外力做的功合外力做的功.低速低速,m=m0第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.4/51由动能定理由动能定理低速低速,m=m0高速高速,m=m(v)第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.5/51讨论讨论讨论讨论:2.质能关系质能关系相对论动能相对论动能:

5、相对论静止能相对论静止能:相对论总能量相对论总能量:质能关系质能关系:反映质量与能量不反映质量与能量不可分割可分割,任何物体系统任何物体系统,可以由可以由质量或能量来表示其数量上的质量或能量来表示其数量上的特征特征.第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.6/51讨论讨论:1)静止能静止能 E0=m0c2 表示物体表示物体静静静静止止止止时的总内能时的总内能:分子间相互作用势能分子间相互作用势能分子运动动能分子运动动能原子间结合在一起的化学能原子间结合在一起的化学能原子核与电子结合在一起的电磁能原子核与电子结合在一起的电磁能原子核内基本粒子间的结合能原子核内基本粒子间的结合能2)质能关系统一了

6、质量守恒质能关系统一了质量守恒定律和能量守恒定律定律和能量守恒定律.当质量发生变化当质量发生变化 m时时,能量能量也有相应变化也有相应变化 E.3)质能关系是人类打开核能质能关系是人类打开核能宝库的钥匙宝库的钥匙.裂变裂变or聚变聚变,质量亏损质量亏损,释放释放结合能结合能.应用应用:原子弹原子弹,氢弹氢弹,核电站核电站,核动力核动力质能方程质能方程质能关系质能关系:反映质量与能量不反映质量与能量不可分割可分割,任何物体系统任何物体系统,可以由可以由质量或能量来表示其数量上的质量或能量来表示其数量上的特征特征.静止物体所含巨大能量不引静止物体所含巨大能量不引人注意人注意,是因为没有能量向是因为

7、没有能量向外释放外释放.第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.7/513.能量和动量的关系能量和动量的关系极端相对论近似极端相对论近似光子光子(光量子光量子)光的波粒二象性光的波粒二象性粒子性粒子性特征量特征量波动性波动性特征量特征量第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.8/51例例例例5-6.5-6.计算核聚变中释放出的能量计算核聚变中释放出的能量.1 11 1HH+n=+n=2 21 1HH+氘核氘核氘核氘核:中子中子中子中子:质子质子质子质子:质量亏损质量亏损:释放能量释放能量释放能量释放能量:2g 氘氘(1摩尔摩尔):6.0221023个氘核个氘核释放能量释放能量释放能量释放能量:

8、第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.9/51证证:(1)垂直方向动量守恒垂直方向动量守恒(2)水平水平方向动量守恒方向动量守恒能量守恒能量守恒例例例例 5-7.5-7.一个中性一个中性 介子相对于观介子相对于观察者以速度察者以速度v=kc 运动运动,以后衰以后衰变为两个光子变为两个光子,两光子的运动轨两光子的运动轨迹与迹与 介子原来的方向成相等的介子原来的方向成相等的角度角度 .试证明试证明:(1)两光子有相两光子有相等的能量等的能量.(2)cos =k.v 1 2可得可得:第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.10/51我国于我国于 1958 年建成的首座重水反应堆年建成的首座重水反应

9、堆第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.11/51秦山核电站秦山核电站全景图全景图在建的广东在建的广东阳江核电站阳江核电站效果图效果图第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.12/511964年年10月月16日日,中国第一颗原子弹中国第一颗原子弹(核裂变核裂变)在新在新疆罗布泊戈壁荒漠爆炸成功疆罗布泊戈壁荒漠爆炸成功,中国迈进了原子核时中国迈进了原子核时代代!第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.13/511967年年6月月17日日,中中国第一颗氢弹爆炸国第一颗氢弹爆炸成功成功 第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.14/51 4.4 几个经典佯谬几个经典佯谬4.4.1 因果关系因果关系

10、事件事件1开枪开枪开枪开枪事件事件2鸟落鸟落鸟落鸟落v若若S系中系中:开枪开枪开枪开枪(x1,t1)鸟落鸟落鸟落鸟落 (x2,t2)即事件即事件1先发生先发生,则则S 系中时序会颠倒吗系中时序会颠倒吗?由洛伦兹变换由洛伦兹变换子弹速率子弹速率信号速率信号速率有因果关联的事件之间有因果关联的事件之间的信号速率的信号速率则则时序不变时序不变第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.15/51谁年轻谁年轻?afe0.弟弟弟弟.哥哥哥哥k kuxx4.4.2 孪生子佯谬孪生子佯谬设设想想一一对对年年华华正正茂茂的的孪孪生生兄兄弟弟,哥哥哥哥告告别别弟弟弟弟星星际际旅旅游游,归归来来时时,哥哥哥哥仍仍是是

11、风风度度翩翩翩翩一一少少年年,而而迎迎接接他他的的胞胞弟弟却却是是白白发发苍苍苍苍一一老老翁翁了了.应应了了我我国国古古代代神神话话“天天上上一日一日,人间一年人间一年”的说法的说法.但但是是运运动动是是相相对对的的,从从哥哥哥哥的的角角度度看看,弟弟弟弟同同样样在在旅旅行行,从从而而看看到到一一个个完完全全相相反反的的结结果果.应当说应当说,两个惯性系中的观两个惯性系中的观察者得到的结论都是对的察者得到的结论都是对的.因为所有惯性系都是等价的因为所有惯性系都是等价的.然而整个星际旅行过程中存然而整个星际旅行过程中存在加速度在加速度,涉及非惯性系涉及非惯性系,不不能用狭义相对论能用狭义相对论,

12、而应该用而应该用广义相对论广义相对论.第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.16/514.4.3 高速物体的视觉效应高速物体的视觉效应物理世界奇遇记物理世界奇遇记:伽莫夫伽莫夫(苏苏)汤普金森先生的奇遇汤普金森先生的奇遇能否真的见到此番光景能否真的见到此番光景?第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.17/51汤普金森的依据汤普金森的依据:静止在静止在k系的系的几何图形几何图形,在在k系中测量的形状系中测量的形状.kk第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.18/51答案答案:看不到汤普金森所说的景象看不到汤普金森所说的景象.运动的尺子缩短运动的尺子缩短运动的尺子缩短运动的尺子缩短,并不能证

13、明汤普并不能证明汤普并不能证明汤普并不能证明汤普金森将看到一个变扁的世界金森将看到一个变扁的世界金森将看到一个变扁的世界金森将看到一个变扁的世界.看到物体相对于它静止的形看到物体相对于它静止的形状略有转动状略有转动.视觉效果视觉效果 尺缩效应的形象是物体上各点同一尺缩效应的形象是物体上各点同一时刻在观察者所在参考系的位置记时刻在观察者所在参考系的位置记录录,可称为可称为“测量形象测量形象”,而不是物而不是物体产生的体产生的“视觉形象视觉形象”.我们看到我们看到(或照相机拍摄或照相机拍摄)的形象的形象,是由物体上各点发出是由物体上各点发出(或反射或反射)的的“同时到达同时到达”眼睛眼睛(或照相机或照相机)的的光所组成光所组成,而这些光并不一定自而这些光并不一定自物体同时发出物体同时发出(或反射或反射).xy高速运动的物体高速运动的物体xy测量形象测量形象yx视觉形象视觉形象远方观察者远方观察者第第4 4章章 狭义相对论狭义相对论P.19/51作业作业习题集：习题集：17-29、30、32、36、38、39