第5章-狭义相对论(相对论动力学).课件.ppt

1、 时空关系根本改变时空关系根本改变 物理量需要重新修正物理量需要重新修正,经典力学需要改造经典力学需要改造. 两条原则两条原则; 1), 对应原则对应原则 经典力学经典力学vc m = m(v) 的形式。的形式。 0pm v定义定义vmp vmm 从实验和理论上找质量与速度的关系，即找出从实验和理论上找质量与速度的关系，即找出5.4 狭义相对论的动力学基础狭义相对论的动力学基础一、动量一、动量 2), 守恒定律成立守恒定律成立 . 但与经典力学不同但与经典力学不同对应原理对应原理; 当当 (经典力学质量经典力学质量,称静质量称静质量).0,vc mmSx0BAuxXS0vABuxSx0ABvm

2、0mS0XvABvmm0全同粒子全同粒子A和和B发生完全非弹性正碰发生完全非弹性正碰xummmv)(0即即0mmmvuxS:S:0)(xummmv即即xxummmvu0由由动量守恒和质量守恒动量守恒和质量守恒二、质量二、质量S:S:全同粒子全同粒子A和和B发生完全非弹性正碰发生完全非弹性正碰xummmv)(0即即0mmmvux0)(xummmv即即xxummmvu021cvuvuuxxx由由和和xxuu112xxuvcvu代入代入110022mmmmmmcv化简后得化简后得2201cvmm把把m0看看成静止质量，成静止质量，mmmmcv0022111200021(1)mmmvmcmm把把m称为

3、相对论质量，称为相对论质量，如图如图 所示，所示，质量质量 m 随速度增大而增大。随速度增大而增大。质量：质量：2201cvmm0m动量：动量：pm vvcvm2201 vm0利用利用22 ,pm v222220 m c -pm c222202vccmm2202222cmvmcm考夫曼1901 o9190 1519 图图 质量随速度变化质量随速度变化01 . 02 . 03 . 07 . 06 . 05 . 04 . 08 . 00 . 19 . 012345cv0mm oooo布塞勒布塞勒Cuye-Lavanchy1 . 力力:d pFd t0221mdvd tvc()dm vd t2. 力

4、和加速度的关系力和加速度的关系()dFm vd td vd mmvd td tntFFFntd vd vd mmmvd td td tntd mm am avd t0221nnnmFm aavcttd mFm avd td vd mmvd td t0221m vdd tvc0223 2(1)md vvcd t()dm vd t0223 2(1)tmavc与tana前面的系数不同所以力和加速度方向不一致所以力和加速度方向不一致也沿切向v三、力、功和动能三、力、功和动能3 . 功和动能功和动能质点动能定理质点动能定理: KdEFdr dpdrdt drdpdt dp v pdpm利用利用2( )d

5、pd pp pdpp dp2 pdp2 ,2dpdp p即212KdEdpm222220m c -pm c由222dpd m c, 2c2mdmdmcdEK22112KKKdEEE212dmc1 态态2 态态, 01v, 2vv, 01KE, 2KKEE质量质量质量质量0m m上式变为，上式变为， vmmKdmcE02202cmmc22K0 Emcm c- 相对论中的质点动能公式相对论中的质点动能公式dmcdEK21. 在在cv的情况下：的情况下：经典力学的动能是相对论经典力学的动能是相对论表达式在低速下的近似。表达式在低速下的近似。2. 由由222201(1)kcEm cv 当动能由于外力作

6、功不断增大而不断增加时，速率却不当动能由于外力作功不断增大而不断增加时，速率却不能无限制增大，而是有一个极限值能无限制增大，而是有一个极限值 c。202220K1E cmccvm202022)211 ( cmcmcv2021vm202KE cmmc200E cm静能静能:质量亏损：质量亏损： M- Bi00im )cM- (2i00im结合能：结合能：2BEBc2 2 . . 总能和质能关系总能和质能关系总能总能2E mc2201cm20cm- 著名的质能关系式著名的质能关系式. E 0KEE1 . 1 . 静能和质量亏损静能和质量亏损2Emc原子能公式原子能公式四、能量、质能关系四、能量、质

7、能关系讨论：讨论：1 . 把粒子的能量和质量联系起来把粒子的能量和质量联系起来, 数值相差一常数因子数值相差一常数因子 c2 。2 . 在相对论中在相对论中,能量守恒和质量守恒统一起来。能量守恒和质量守恒统一起来。2ii iiEm ci im常 量 常 量 能量守恒能量守恒 质量守恒质量守恒3 . 粒子相互作用中相对论质量粒子相互作用中相对论质量 i imv守恒，守恒，但其静止质但其静止质量量0i im并不守恒。并不守恒。2Em c2021mcK0EEE28 216001 (3 10 )9 10Em cJ 4 4。静止能量实际上是物体的总内能。静止能量实际上是物体的总内能-分子的内能、势能、原

8、子的电磁能、质子中子的结合能等。分子的内能、势能、原子的电磁能、质子中子的结合能等。静止能量是相当可观的。静止能量是相当可观的。例：一公斤的物体的静止能量例：一公斤的物体的静止能量相当于相当于200万吨汽油燃烧的能量。万吨汽油燃烧的能量。5 5。质能相互依存，且同增减。质能相互依存，且同增减2Em c从质能公式从质能公式可知总能量正比于质量可知总能量正比于质量即那儿有能量，那儿就有质量，而且那儿有质量的变化，那即那儿有能量，那儿就有质量，而且那儿有质量的变化，那儿就有能量的变化。即：儿就有能量的变化。即：2Emc 例例. 中子和质子合成氘核实时放出中子和质子合成氘核实时放出射线，试求射线，试求

9、射线射线的能量。的能量。解：质子，中子，氘核的静质量分别为解：质子，中子，氘核的静质量分别为2727271.6726231 10kg,1.6749286 10kg,3.34359 10kg.pnDmmm300()3.9657 10kgpnDmmmm.为质量亏损为质量亏损释放释放射线能：射线能：21303.5642 10 JEm c 聚合聚合1公斤氘核释放的能量：公斤氘核释放的能量：13141273.56 101.07 10 J kg3.34 10DEm约相当于约相当于1公斤汽油燃烧放热的公斤汽油燃烧放热的230万倍！万倍！例如：例如：两个静止质量为两个静止质量为0m的全同粒子，的全同粒子， 它

10、们各自以速率它们各自以速率v相向而行，相向而行， 所以它们相对论质量均为所以它们相对论质量均为 ,m v设两粒子作完全非设两粒子作完全非弹性碰撞后，变成一个静止的复合粒子，其静止质量为弹性碰撞后，变成一个静止的复合粒子，其静止质量为M0。求碰撞过程中转化的内能。求碰撞过程中转化的内能。由于粒子在碰前后能量守恒，由于粒子在碰前后能量守恒，因此有：因此有：220 2mcM c20cM20 2KEmc22Emc0 2mM 能量守恒能量守恒 质量守恒质量守恒两粒子在碰撞过程中，两粒子在碰撞过程中， 静止质量并不守恒。静止质量并不守恒。 静止质量的增量静止质量的增量002mMm022mm 称为质量过剩。

11、称为质量过剩。实际上碰前两粒子动能转化为碰后静止实际上碰前两粒子动能转化为碰后静止复合粒子的内能，复合粒子的内能， 即：即：1112220cmKE内E2 mc解：解：m 1220cvm222202vccmm222240 Ep cm c22240 Ep cm c或2cpvE可能存在可能存在“无质量无质量”粒子粒子 )0(0m只具有动量、能量，只具有动量、能量，无无, 0m所以也没有静能所以也没有静能则：则： Ecp只以光速运动只以光速运动（光子、中微子（光子、中微子 预言引力子存在）预言引力子存在）2pvEm cm由和c v 2202222cmvmcm4202242)(cmcmvcmp cE20

12、m c五、能量和动量的关系五、能量和动量的关系例例; 光子光子; m0 = 0,以光速以光速 c 运动的粒子运动的粒子.h=6.626x10-34 焦耳焦耳 秒秒.hchcEp2hmcEh00m Ehhp光子光子例例. 静能量为静能量为0.511MeV的电子具有的电子具有5倍于它的静能的总倍于它的静能的总 能量，试求它的动量和速率能量，试求它的动量和速率 。解：解：22 22 40 EP cm cE = 5m0c22240/2.50MeV/pEm ccc2Epcv2cpEvc98. 0深层次理论突破深层次理论突破实践上的巨大变化实践上的巨大变化m 和和 E 的关系的关系 E = mc2重核裂变

13、：一个重原子核分裂成为两个（或更多个）重核裂变：一个重原子核分裂成为两个（或更多个）中等质量碎片的现象。中等质量碎片的现象。0000iiMmmMm0000iimMmmM轻核聚变：轻核在一定高温条件下融合成较重的核，轻核聚变：轻核在一定高温条件下融合成较重的核，所以又称所以又称热核反应热核反应六、质能关系的重要应用（选学内容）六、质能关系的重要应用（选学内容）核燃料主要有235U(铀)、239Pu(钚)和233Th(钍)。（1）核裂变过程）核裂变过程（以（以235U为例）：为例）： 当当235U核吸收一个中子后，就会形成复合核吸收一个中子后，就会形成复合236U核，而核，而236U核是不稳定的，

14、它很快发生形变核是不稳定的，它很快发生形变由椭球形进而变成不对称的哑铃形，然后发生由椭球形进而变成不对称的哑铃形，然后发生断裂，成为两个略有大小差异的产物核，同时断裂，成为两个略有大小差异的产物核，同时放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。2351139951920543802200UnXeSrnMeV(2) 链式反应与临界质量链式反应与临界质量 链式反应：链式反应：重核的裂变是通过中子的轰重核的裂变是通过中子的轰击实现的击实现的 核裂变过程中有核裂变过程中有“次级中子次级中子”再去轰击再去轰击重核引起另一次裂变，然后再产生中子重核引起另一次裂变，然后再产

15、生中子 形成一种核裂变的形成一种核裂变的“链条链条”，使得裂变，使得裂变反应一直延续下去，这种连续不断的裂反应一直延续下去，这种连续不断的裂变反应就叫做变反应就叫做“链式反应链式反应”。 临界质量：临界质量：对于一种核燃料以及一种核燃料区的对于一种核燃料以及一种核燃料区的形状，例如球形、柱形或其它，都有一相应的最形状，例如球形、柱形或其它，都有一相应的最小体积（或质量）使中子逃逸几率足够小以致能小体积（或质量）使中子逃逸几率足够小以致能维持核燃料区内的链式反应，这个体积（或质量维持核燃料区内的链式反应，这个体积（或质量）就称为）就称为临界体积临界体积（或（或临界质量临界质量）。）。 核燃料的质

16、量达到临界质量是维持链式反应核燃料的质量达到临界质量是维持链式反应的必要条件的必要条件。临界质量的大小除了与核燃料区的。临界质量的大小除了与核燃料区的形状直接相关外，还与核燃料的性质（浓缩度、形状直接相关外，还与核燃料的性质（浓缩度、材料密度）密切相关。材料密度）密切相关。（3） 原子弹原子弹 原子弹利用的是不加控制的链式裂变反应原子弹利用的是不加控制的链式裂变反应，从而在瞬时间可以，从而在瞬时间可以形成雪崩式的裂变反应形成雪崩式的裂变反应，使，使大量核燃料在极短时间内大量核燃料在极短时间内“燃烧燃烧”释放出大量能释放出大量能量，造成极端严重的杀伤和破坏。量，造成极端严重的杀伤和破坏。（4）氢

17、弹）氢弹 核 聚 变 首 先 是 在 氢 弹 中 实 现 的 。核 聚 变 首 先 是 在 氢 弹 中 实 现 的 。 氢弹中热核反应所需要的高温高密度条件一氢弹中热核反应所需要的高温高密度条件一开始是由一颗原子弹提供的，这个原子弹被开始是由一颗原子弹提供的，这个原子弹被称为称为氢弹的氢弹的“扳机扳机”，然后，由热核反应产，然后，由热核反应产生的能量的在一定时间内继续维持热核反应生的能量的在一定时间内继续维持热核反应所必须的条件。于是氢弹就能在短时间内释所必须的条件。于是氢弹就能在短时间内释放大量能量，形成放大量能量，形成比原子弹威力大几倍比原子弹威力大几倍的大的大规模毁灭性武器。规模毁灭性武

18、器。（5） 核电站核电站 链式反应的控制链式反应的控制 原子弹是一种不加控制的裂变反应器，原子弹是一种不加控制的裂变反应器，它在极短时间内释放出大量核能，极具破它在极短时间内释放出大量核能，极具破坏性，很难被作为能源来利用。因此裂变坏性，很难被作为能源来利用。因此裂变能的和平利用，首先要能的和平利用，首先要解决链式反应的控解决链式反应的控制制，一是要控制其超临界度，不能让它发，一是要控制其超临界度，不能让它发生雪崩式的反应；二是要使它在超临界和生雪崩式的反应；二是要使它在超临界和次临界状态间随意转换。次临界状态间随意转换。 链式反应的控制方法链式反应的控制方法 通过快速的机械手段改变核燃料的质

19、量来调通过快速的机械手段改变核燃料的质量来调节系统节系统达到临界条件达到临界条件。 让让快中子快中子在某些特定的介质中通过碰撞损失在某些特定的介质中通过碰撞损失其能量而其能量而变成热中子变成热中子（慢中子），这个过程（慢中子），这个过程称为称为慢化慢化，而那些特定介质就称为，而那些特定介质就称为慢化剂慢化剂。 重水重水是是最好最好的慢化剂，的慢化剂，石墨石墨也是一种也是一种良良好好的慢化剂，的慢化剂，费米就是用它作成世界上第一费米就是用它作成世界上第一个反应堆的。个反应堆的。 控制热中子控制热中子：采用镉（：采用镉（48Cd）作为热中子反作为热中子反应堆的控制棒。应堆的控制棒。1942年世界上

20、第一个核反应堆运行成功。由于保密，不允许年世界上第一个核反应堆运行成功。由于保密，不允许拍照，这里只是一张油画。图中右上方手握大罐的三位青年拍照，这里只是一张油画。图中右上方手握大罐的三位青年物理学家组成物理学家组成“敢死队敢死队”，万一发生意外，他们就将吸收中子，万一发生意外，他们就将吸收中子的镉溶液注入反应堆。而站在下面的那位科学家正按照费米的镉溶液注入反应堆。而站在下面的那位科学家正按照费米的指令，一点一点地往外抽最后一根镉棒，以启动链式反应。的指令，一点一点地往外抽最后一根镉棒，以启动链式反应。 核裂变发电站概貌核裂变发电站概貌核电站组成核电站组成: 核反应堆、热交换器和发电装置。核反

21、应堆、热交换器和发电装置。 核反应堆通常采用热中子堆核反应堆通常采用热中子堆,反应堆的堆心是原反应堆的堆心是原子能发电站的心脏，其中有子能发电站的心脏，其中有燃料棒燃料棒、慢化剂慢化剂、冷却剂冷却剂和和控制棒控制棒（镉棒）。（镉棒）。 当当镉棒插入镉棒插入时，堆心处于时，堆心处于次临界状态次临界状态，镉，镉棒棒拔出拔出时堆心就处于时堆心就处于超临界状态超临界状态，于是控制镉，于是控制镉棒就可以棒就可以控制反应堆的运行控制反应堆的运行。冷却剂用来冷却。冷却剂用来冷却燃料棒，并通过热交换器将热量送到无放射性燃料棒，并通过热交换器将热量送到无放射性的发电部分，供发电使用。的发电部分，供发电使用。 研究性重水反应堆研究性重水反应堆中国中国1980年建成的高年建成的高通量工程试验堆堆芯通量工程试验堆堆芯 核电核电虽然造价较高，但虽然造价较高，但运行成本低于火运行成本低于火电，环境污染也比火电小得多电，环境污染也比火电小得多，作为一种极，作为一种极好的能源，将来会在全世界广泛推广使用。好的能源，将来会在全世界广泛推广使用。但也要警惕其危险性。但也要警惕其危险性。