复习第 6章 狭义相对论
1,基本概念 基本规律
( 1)洛仑兹坐标变换:
2)(1 cv
vtxx

yy
zz
2
2
)(1 cv
cxvtt

2)(1 cv
tvxx

yy
zz
2
2
)(1 cv
cxvtt

1
( 2)洛仑兹速度变换:
v
c
u
vu
u
x
x
x
21?

v
c
u
u
u
x
y
y
2
2
1
1


v
c
u
u
u
x
z
z
2
2
1
1


v
c
u
vu
u
x
x
x
21

v
c
u
u
u
x
y
y
2
2
1
1

v
c
u
u
u
x
z
z
2
2
1
1

问题,牛顿力学时空观与相对论时空观的区别与联系? 2
( 3)同时性的相对性,沿两个惯性系相对运动方向上 不同地点 发生的两个事件,若在一个惯性系中表现为同时,
则在另一惯性系中观察总是在前一惯性系运动的后方的那个事件先发生。(又问:同一地点如何?)
( 4)时间间隔的相对性 (时间的膨胀及原时的概念)。
在某一参照系中 同一地点 先后发生的两个事件之间的时间之隔为原时,它是由静止于此参照系中该地点的一只钟测出的,原时最短。
( 5)长度缩及原长的概念棒静止时测得的长度叫棒的 原长 (固有长度,最长 )。
运动的 棒沿运动方向的长度比原长短,这是同时性的相对性的 必然结果。 3
2)(1 cv
tt
为原时(固有时间 )t
21
原时非原时
( 6)相对论质量与速度的关系,20 )(1 cv
mm
( 7)相对论动量,20
)(1 cv
vmvmp


( 8)相对论能量:
粒子的总能量静止能量相对论动能相对论动量与能量的关系
2mcE?
200 cmE?
2020 cmmcEEE k
420222 cmCPE
4
2)(1 cvLL 为原长(固有长度)L
21 原长非原长经典物理 相对论长度,绝对的,与参照系无关 相对的,长度测量与参照系有关时间,绝对的,与参照系无关质量,绝对的,
与运动速度无关相对的,时间测量 与参照系有关质量与速度有关动量,与速度成正比 动量与速度的关系较复杂vmP
v
c
v
mP
2
0
)(1?
动能,与速度的平方成正比
2
2
1 mvE
k?
动能与速度的关系较复杂
0EEE k
)1
)(1
1
(
2
2
0?
c
v
cm
2
0
)(1
c
v
m
m
5
复习题:
1,狭义相对论认为,时间和空间的测量值都是 ________
它们与观察者的 密切相关。
相对的运动
2,下列几种说法,哪些是正确的:
* 所有惯性系对物理基本规律都是等价的。
*真空中,光的速度与光的频率、光源的运动状态无关。
*任何惯性系中,光在真空中沿任何方向传播速度都同。
三种说法都正确
3,K’系 X’轴上相距 L’的 A’,B’两点处各放一只已经对准了的钟。 K系中看这两只钟是否也是对准了?为什么?
答:没对准。
根据相对论,K’系中不同地点同时发生的两事件,在 K
系中看,不是同时发生的。
6
4,在 S系中的 x轴上相隔为?x处有两只同步的钟 A和 B,
读数相同,在 S’系的 x’轴上也有一只同样的钟 A’若 S’
系相对于 S系的运动速度为 v,沿 x 轴方向,且当 A’ 与 A
相遇时,刚好两钟的读数均为零,那么,当 A’钟与 B钟相遇时,在 S系中 B钟的读数是,此时在 S’
系中,A’钟的读数是 _________.
vx?
2)(1
c
v
v
x
S
A Bx?
'S 'A v?
S
A B
'S 'A v?
原时非原时 =————原时
21
7
5,一个宇航员要到离地球为 5光年的星球去旅行,如果宇航员希望把这路程缩短为 3光年,则他所乘的火箭 相对于地球的速率应是,cv )54(?
6,一列火车以速度 v高速经过站台,站台上相距为 d的 两点固定的两机械手同时在车厢上画出两条刻痕,车厢上的这两条刻痕的距离为,[C]
8
“3光年”为刻痕距离为原长:最长
[B]机械手距离为非原长:最短若以车厢参照系来测两机械手的距离,又该选哪个?
非原长 =原长 21 2)(153 c
v
d dcv )(1 2? 2)(1 cvd? 2)1( cvd?(A) (B) (C) (D)
哪一个正确?
非原长
7,在惯性系 S中的 同一地点 发生的 A,B两个事件,B 晚于
A 4S,在另一惯性系 S’中观察 B晚于 A 5S求:
( 1) 这两个参照系的相对速度为多少?
( 2) 在 S’系中这两个事件发生的地点间的距离多大?
(洛仑兹变换的灵活应用)
解( 1),在 S系中,,是在同一地点发生的
A,B两个事件的时间之隔,是原时,而在 S’看不是原时,由公式:
st 4
st 5
2)(1 cv
tt
4,5 tt 代入可求得 对 S的S? cv 53?
( 2) 由洛仑兹变换,2)(1 cv tvxx 0x?
cctvx 3553
负号表示在 S’系观察,B在 A的 —X 方向发生。
(注:用洛仑兹正变换所得结果同) 9
8,有一速度为 V的宇宙飞船沿 x 轴正方向飞行,飞船头尾各有一脉冲光源在工作,处在船尾的观察者测得船头 光源发出的光脉冲传播速度大小为 ;处于船头的观察者测得船尾光源发出的光脉冲传播速度大小为 。
c
c
10
9,宇宙飞船相对于地面以速度 v作匀速直线飞行,某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光讯号,经过?t (飞船上的钟)时间后,被尾部的接收器收到,
则由此可知飞船的固有长度为,c?t
10,K’ 系相对于 K系沿 x 轴正方向匀速运动,一根刚性尺静止在 K’系中与 x’轴成 300角,今在 K系中观察得该尺与 x 轴成 450角,则 K’ 相对于 K 的速度是:
ccv 81.032 )1()(130c o s45c o s
20'0?
c
vll
)2(30s i n45s i n 0'0?ll?
:)1()2( 200 )(13045 cvtgtg
11,在 t=0时,k系观察者发射一个沿 x 轴成 600角 的方向上飞行的光子,k’系以 0.6c 速度沿公共轴 x—x’ 飞行,问,
k’系的观察者测得光子与 x’轴所成的角度是多大? 速度是多大?
解,ccu x 50.0co s 6 0 0 ccu y 86.0s in6 0 0
cccc ccucv vuu
x
x
x 143.05.0)6.0(1
6.05.0
)(1 22


c
ccc
c
ucv
c
vu
u
x
y
y 9 9 0.0
5.0)6.0(1
6.0186.0
)(1
1
2
2
2
2
2



92.6143.0990.0 ccuutg xy?
08.81 cuuu yx 22 )()(
11
12,一宇宙飞船的原长为 L’ 以速度 v 相对于地面作匀速直线运动,有一个小球从飞船的尾部运动到头部,宇航员测得小球的速度恒为 u’,试求:
( 1)宇航员测得小球由尾部到头部所需时间。
( 2)地面观察者测得小球由尾部到头部所需时间。
(原长的概念及速度变换的应用)解,
(1)在 S’系中,飞船的长度就是原长 L’,小球相对于 S’系的速度 u’已知),经过的距离 Lx
u
L
u
xt

(问,是否原时?)t
(2)由洛仑兹变换,
2
2
2
2
)(1)(1 cv
L
c
v
u
L
cv
x
c
v
t
t


22 )(1)
1(
cv
L
c
v
u?


12
否!
12 KKcv
13,某微观粒子的总能量是它的静止能量的 k倍,则其运动速度大小为:
K
c
vm
m
cm
mc?
2
0
0
2
0
2
)(1
14,静止质量为 m0的粒子获动能 E k,求它的相对论量。
ccmEEP kk /)2( 202
15,在参照系 S中有两个静止质量都是 m0的粒子 A和 B,分别以速度 v 沿同一直线相向运动,相碰后合在一起成 为一 个粒子,则其静止质量 M0= 20 )(12 cvm?
420222 cmcPE
4022022 )( cmcmEcp k
13
420222 cMcPE


42022
2
0 0]
1
2[ cMcm 42
02
42
0
1
4 cMcm?

合成后的总能量合成后的总动量例 16,静止质量为 m0 的粒子,具有初速度 v0 = 0.44c
(1)若粒子速度增加一倍,它的末动量应为初动量的几倍?
(2)要使末动量等于初动量的
10倍,末速度是初速度的几倍?
解 (1)P0为初动量,P’ 为末动量
22
0
00
22
0
00
0
'
1
)2(1
)2(
cv
vm
cv
vm
p
p
06.3
0
'?
pp
速度非线性增加,是因为粒子的质量改变所致。 2
0
)(1 cv
vmP

22
0
2 cmp
pcv

22
0
2'
0
22
0
2
0
'
0
'
cmpp
cmpp
v
v

22
0
2
0
22
0
2
0
100
10
cmp
cmp

22
0
2
22
0
2
)14.01 0 0(
)14.0(10
cm
cm


42.2?
14
(2)
0
20
0
0
)(1
v
c
v
m
p
cmp
cv
00
0
4.0
44.0


pp 10?’
例 17,两个静止质量都是 m0 的小球,其中一个静止,另一个以 v = 0.8c 运动。在它们作对心碰撞后粘在一起,
求碰撞后 合成小球 的静止质量。
解,两球系统碰撞前、后 能量守恒:
)1(0Mmm
碰后合成小球的质量两球系统碰撞前、后 动量守恒:
20cm
)2(V Mmv?
碰后合成小球的速度
6.0)(1
0
2
0 m
c
v
m
m?
将 代入 ( 1)
得 038 mM?
由 ( 2) M
mvV?
0
0
)38(
8.0)6.0(
m
cm
再由 2
0
)(1
c
V
MM
得 20 )(1 cVMM
2
0 )
5.0(1
3
8
c
cm
15 031.2 m?
c5.0?2mc 2 cM?
18,有一加速器将质子加速到 76 G e v 动能,求:
( 1)加速后质子的质量。( 2)加速后质子的速率。
解:( 1)设 E k 为质子的动能,质子加速后的总能 E
220 mcEcmE k
20 cEmm k
kg2528
199
27 1038.1
)103(
1061.110761067.1

( 2)由 20
)(1 cv
mm
得 cmmcv?

2
25
27
22
0 )1038.1
1067.1(11
c9 9 9 9.0? 16
202 cmmcA
解,设 A为粒子由静止加速到 时需做的功cv 1.0?
2
02
2
0
)(1
cm
cv
cmA?
20202 005.01)1.0(1
1 cmcm?
同理,后者为:
2
0
2
022 9.489.01
1
99.01
1 cmcmA?


17
19,把一个静止质量为 m0 的粒子由静止加速到速率为
0.1C 所需的功是多少?由速率 0.89C 加速到速率为 0.99C
所需的功是多少?
例 20,已知质子、中子的质量分别为 Mp=1.00782,
Mn=1.00866( 原子质量单位),两个质子和两个中子组成一个氦核 实验测出它的质量为 MHe=4.00150
( 原子质量单位),试计算形成一个氦核时放出的能量。
,42 He
( 1原子质量单位 = 1.66? 10-27kg )
解,两个质子和两个中子组成一个氦核前的总质量为
np MMM 22
根据实验有,HeMMM
根据质能关系,2McE
形成一个氦核所放出的能量,称为原子核的 结合能附,形成 1 mol氦核 (即 4.002克 )时所放出的能量
1123 104 5 3 9.0100 2 2.6 E
差不多等于燃烧 100 吨优质煤所放出的能量 18
原子质量单位
J1210733.2
0 3 1 8 8.4?
0 0 1 5 0.40 3 1 8 8.4
J11104539.0
kg271066.103038.0
例 21,静止的电子偶湮灭时产生两个光子,如果其中一个光子再与另一个静止的电子碰撞,求它能给予这电子的最大速度。
解,电子偶 湮灭前后 能量守恒,)1(22 20?rEcm?
光子与另一个静止的电子碰撞,要使电子有最大速度,光子必须反向散射。 碰撞前后 能量守恒,动量守恒:
)2(2'20?mcEcmE rr
)3(
'
err PcEcE
)4()()()( 2222022?mccmcpE ee
联立,消去
err pEE,,'
得 m? cv 5
4?
420222 cmcpE
2
0
)(1
c
v
m
m
19
22,某核电站年发电量为 100亿度,等于 36?1015J 的能量,
如果这是由核材料的全部静能转化产生的,需消耗的核材料的质量为,m = 0.4 kg
20
2mcE? 2815 )103(1036 m
END