相对论-物理实验分解课件

1、 用快速电子验证相对论的动量 与动能关系 同济大学 物理实验中心 用快速电子验证相对论的动量 狭义相对论1905年爱因斯坦提出了狭义相对论。 1916年他又创立了广义相对论。狭义相对论揭示了空间、时间、质量和物质运动之间的联系。狭义相对论建立后，不断受到实践的检验和证实。 意义：相对论是物理学理论的一场重大革命。 它否定了牛顿的绝对时空观，揭示了时间和空间的内在联系和统一性； 同时也改造了牛顿力学，揭示了质与能的内在联系，对引力提出了全新的解释。 对现代物理学的发展起到了不可估量的作用。 狭义相对论1905年爱因斯坦提出了狭义相对论。狭义相对论的基本原理1。爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的

2、惯性系中都具有相同的表达式，即所有的惯性参考系对运动的描述都是等效的。2。光速不变原理：真空中光速是一常量，它与光源或观测者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择。狭义相对论的基本原理1。爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的狭义相对论与经典力学动量-动能关系比较:狭义相对论:经典力学:实验中要验证的狭义相对论的动量与动能的关系式 。其中，狭义相对论与经典力学动量-动能关系比较:狭义相对论:经典力经典力学与狭义相对论的电子动量动能关系 Pc(MeV)Ek(MeV)经典力学与狭义相对论的Pc(MeV)Ek(MeV)相对论效应实验谱仪相对论效应实验谱仪实验中需要源、放射源作为工作物质。实验仪器主要由磁谱

3、仪、多道分析器、计算机、真空泵组成。 实验仪器与器材 实验中需要源、放射源作为工作物质。实验仪器与器材 粒子能量：源是放射高速运动电子的源，高能粒子的速度可接近光速。实验所使用的 。粒子源强度约为1.5毫居里。能量：从0-2.27MeV的连续谱。 能量是2MeV时，速度是光速的97.91%.。 如其Pc为1MeV时，v = 0.89c， Pc为2MeV时，v = 0.97c。与物质作用能量损失、强度减小、有射程概念。应用：工业上厚度计仪表、气相色谱仪中作为能源、医学上作为辐射源。粒子能量：源是放射高速运动电子的源，高能粒子的速度可 射线能谱:射线是放射性中应用最多(1nm-0.1nm)放射源：

4、137Cs 与 60Co它与X射线一样,是一种高能辐射,对物质具有较强的穿透力.射线与物质相互作用可能产生三种效应: 光电效应,康普顿效应,电子对效应。射线穿过物质时强度按指数规律衰减，没有射程概念 (能量不变化）,它们的强度约2微居里。 射线能谱:射线是放射性中应用最多(1nm-0.1nm)图中，已知能量峰值为137Cs的0.184Mev和0.662Mev。60C0的1.17MeV和1.33MeV。 137Cs铯60C0钴 源的能谱图图中，137Cs铯60C0钴 源的能谱图磁谱仪 NaI(T1)单晶闪烁谱仪NaI(T1)单晶闪烁谱仪：闪烁探头与多道分析器是进行能量探测与能量幅度甄别的，与计算

5、机相联后，探测到的粒子能量与粒子数将即时地在计算机上显示并图示。同济大学 物理实验中心碘化钠晶体可把入射的高速粒子动能转化成可见光脉冲；光电倍增管把这些光脉冲转化为电脉冲。闪烁探头磁谱仪 NaI(T1)单晶闪烁谱仪NaI微机与多道分析器：由光电倍增管产生的电脉冲经线性放大器放大后，由微机与多道分析器对它们进行幅度分析，按电脉冲幅度大小微机与多道分析器将其可分成512道（相当于一阶梯），即不同幅度的电脉冲计入不同的道（阶梯），电脉冲幅度越高，则所处的道数应越大。电脉冲幅度与阶梯道数关系的线性度与斜率可通过调节光电倍增管的高压与增益改变。所以每次实验测量前，需对微机与多道分析器的512道（或102

6、4道）进行定标。 定标：采用两个放射源的已知能谱图数据。 微机与多道分析器：由光电倍增管产生的电脉冲经线性放大器放大后相对论-物理实验分解课件测量高速运动电子的动量的实验方法 在磁场外左侧有一固定架可放置源。让高速运动的电子（ 粒子）进入一磁场，如图 ：该磁场强度均匀、方向与电子速度方向垂直（ ）。根据电磁理论，高速电子在磁场中受到洛伦兹力的作用而作半径为R的圆周运动。源放射的电子在保持磁场区B均匀不变的情况下，各个不同动量的电子将以不同半径R的半圆周运动被分离，这也称为磁分离技术。所以电子的动量是： 式中e=1.60210-19C是电子电荷量，B为磁场强度，R为粒子轨道的半径，因此，动量P值

7、只要测出R（即测距粒子源距离X，R=X/2）即可根据B求得P。在磁场外距源不同X处放置一个能量探测器，接收并可测得高速电子不同的动能值。测量高速运动电子的动量的实验方法 在磁场外左侧有一固定架可实验内容一学习与了解实验的基本知识， 熟悉实验仪各部件作用与软件。二. 采用源进行实验定标。三. 高速电子粒子的动能与动量测量。四实验数据处理。五. 实验数据的修正。实验内容一学习与了解实验的基本知识，一学习与了解实验的基本知识， 熟悉实验仪各部件作用与软件。Winmca-测量软件。Rela-数据处理软件，用于绘制定标曲线，相对论实验测量曲线和理论曲线，经典物理理论曲线。一学习与了解实验的基本知识， 熟

8、悉实验仪各部件作用二.采用源进行实验定标。 定标实验也就是对闪烁计数器、微机与多道分析器的512道数进行能量标定, 通过定标实验可得到： 即能量-道数关系式。式中N是道数，E是与N道数相应的能量。 求出线性拟合公式中的截距a与斜率b。定标实验即完成。 1.选择三个不同高压,测定分辨率与线性2.计算137Cs、60CO各全能峰的分辨率(线性度最好)3.根据全能峰线性度最好的定标公式或图线计算反散射峰与康普顿边界即反冲电子最大能量、理论值、测量百分误差.二.采用源进行实验定标。 定标实验也就是对137Cs铯60C0钴 源的能谱图137Cs铯60C0钴 源的能谱图线性拟合：Y=A+B*XA=-37.

9、52 B=3.206 r=0.999定标数据处理：线性拟合：Y=A+B*X定标数据处理：三. 高速电子粒子的动能与动量测量 。把真空室放入磁场区域内并抽真空，真空表达最高值后，就可将真空泵电源关掉。打开源盖子对准真空室放在座架上，开始实验。移动探测器测量选定位置处的粒子能谱峰位所对应的道数，并记录相应的位置坐标（探测器与源的间距2R）。 三. 高速电子粒子的动能与动量测量 。把真空室放入磁场区域实验数据：实验数据：实验结果：电子的动量与能量的相对论关系实验结果：电子的动量与能量的相对论关系实验注意事项 1、放射源随用随开，用完即盖上。 使用完放射源，请用肥皂洗手。 2、开启多道分析仪后，将光电

10、倍增管高压电源逐步增大，实验结束，应将其关小后，再关电源。 3、小心真空室薄膜，不要弄破。 4、不要将与放射源同时开启。实验注意事项 1、放射源随用随开，用完即盖上。四实验数据处理：1、将定标数据用作图法或最小二乘法求出式中的a、b以及相关系数r。（计算机中有数据处理软件）2、根据以上a、b值及实验测量的道数计算粒子在不同x处的动能Ek，在其值修正后算出与狭义相对论计算理论值的百分误差。3、计算粒子的动量P。4、作图：Pc（单位为MeV）-Ek （单位为MeV ）图， 并画出经典力学与相对论的理论关系曲线。四实验数据处理：五.实验数据的修正：1对于粒子的动能损失修正。2关于动量P数据处理。五.

11、实验数据的修正：六.实验思考题：1、实验可否先测量源的动量动能关系，再用放射源进行定标？有什么区别？2、本实验为什么要抽真空？在空气中做此实验可能会有什么问题？3、根据经典力学和相对论,分别计算动能为2KeV与2MeV的电子的速度，并讨论结果。1.不能，不先定标的话动能和动量的关系会出现偏差。2.空气中做实验会大大降低精确度，空气分子会阻碍电子的运动。电子在空气中只能飞几厘米的距离3.经典力学没有质能转换现象，因此速度会大于相对论给出的数据。能量与动量之间的关系为：E=Pv/2。质量在运动系统增加量为：M=m/（1-v/c）不过这中质量增加是相对观测系统来说的,运动系统本身观测并不会出现自身的能量增加.六.实验思考题：1、实验可否先测量源的动量动能关系，再用参考资料1 陆廷济等主编. 物理实验教程M. 上海：同济大学出版社，2000.2 杨福家.原子物理学M. 北京