2022-2023年高中物理竞赛 相对论中的动量与能量课件(重点难点易错点核心热点经典考点)

5/7/202311:13:40AM1第七章相对论7-3狭义相对论的动力学基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM2一.动量与质量

在牛顿力学中质量为m的质点以速度v运动，其动量为

依照牛顿运动定律，作用在质点上的作用力，无论力的大小有多大，只要作用的时间足够长，质点的运动速度都有可能超过光速。这显然是不符合实验事实的。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM3

爱因斯坦认为，质点运动的动量应该在洛伦兹变换下协变（即洛伦兹变换下动量的表达形式不变），这与狭义相对论的基本原理一致。因此爱因斯坦将质点的动量表达式修正为其中m为运动质点的质量，与质点的运动相关。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学v=0，m=mo为质点的静止质量。v≠0，m为运动质点的质量。5/7/202311:13:40AM4

1901年，实验物理学家考夫曼(W.Kaufmann，1871-1947)从镭辐射测射线在电场和磁场中的偏转，发现电子质量随速度变化。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学

经典力学中，质点的运动速度远小于光速，

v2/c2<<1，

m≈mo5/7/202311:13:40AM51908年，德国物理学家布雪勒（A.H.Bucherer，1863-1927)用改进了的方法测量电子的质量，证实了爱因斯坦理论。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM6

质点的质量与质点的运动状态有关，随着运动速度的增加，质点的惯性也增加。用有限大小的作用力永远不能将质点在有限长的时间内加速到速度超过光速。实验测得在加速器中被加速质子的质量实验结果与理论结果一致。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM7二.狭义相对论力学的基本方程

由牛顿力学，作用在质点上的作用力等于质点动量的变化率。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学对于质点系，系统的总动量如果质点系所受到的合外力为零，系统的总动量守恒5/7/202311:13:40AM8三.质量与能量的关系

如同经典力学一样，外力所作的功为

设质点沿x

轴运动，外力所作的功等于质点动能的增加基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM9基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM10

经典力学中动能的表达式和上式的形式差距很大，但是当

v<<c时基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM11质点以速度v运动时的总能量。质点速度为零时的能量，静能量。

质点静止时仍然具有能量moc2，在几个粒子相互作用（相互碰撞）的过程中，能量的守恒表现为基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM12

在狭义相对论中，能量的守恒与质量的守恒完全统一了。这里的质量应该是运动粒子的动质量。

粒子的质量是粒子运动惯性的量度，粒子的能量是粒子运动能量的量度。质量和能量这两个物理量间有着密切的联系。

就一个粒子来说，如果由于自身的过程使它的能量减少，它的静质量也将相应减少。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM131932年，英国物理学家考克钱夫和爱尔兰物理学家瓦尔顿利用他们设计的质子加速器进行人工核蜕变，为此获得1951年的诺贝尔物理学奖。J.D.Cockcroft,1892-1967E.T.Walton,1903-1995基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM14核反应前后，粒子的静止质量减少了。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM15

这与实验测得的氦原子核（粒子）的总能量17.3MeV相符。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM16四.核能利用1934年，意大利科学家费米(E.Fermi,1901-1954）利用穿透性很强的中子轰击原子核，实验发现许多核捕获中子后成为放射性核。为此费米荣获1938年诺贝尔物理学奖。但是费米希望利用中子轰击铀，再通过衰变获得（Z>92）超铀元素的期望并没有成功。www.nobel.se/physics基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM171934年约里奥·居里夫人(Joliot.Curie,1897-1956）用慢中子照射铀盐时，分离出了一种类似于“镧”(Ｚ=57)的放射性核素，它有放射性，半衰期为3.5小时。但是居里夫人对中子与铀（Z>92）发生反应，生成电荷数不同的镧核非常不理解其实这表明中子使铀核产生了裂变。约里奥·居里夫人离新发现仅一步之遥，她错失了良机。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM181939年，哈恩（O.Hahn,1879-1968）和斯特拉斯曼（F.Strassman,1902-1980）重复居里夫人的实验，在肯定了镧存在的同时，还发现了Z=56的放射性核素钡。梅特纳（L.Meitner,1878-1968）和弗里什（O.R.Frisch,1904-1979)对此做出了正确的解释，这是铀在中子的轰击下分裂成两个原子核，称作原子的核裂变。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM19

我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇通过实验进一步发现了核裂变的三裂变和四裂变现象。对核裂变的理论研究提供了重要信息。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM20

粒子或原子核在核反应前后，系统总能量不变，即系统总的质量保持不变。但是反应前后的静止能量会发生变化。由于粒子的静止能量反应了粒子结合能的大小，它与粒子的静止质量成正比，粒子静止质量的亏损，反映了在粒子内部有一部分能量被释放出来。

两个轻原子聚合成一个较重的原子或一个重原子分裂成两个较轻的原子，在核反应前后，都有静止质量的亏损。伴随质量亏损释放的这部分能量就是核能。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM21

原子弹和核反应堆就是利用放射性原子的核裂变释放出的核能。大亚湾核电站基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM22秦山核电站中景基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM23核电站的核反应堆基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM24我国第一颗原子弹爆炸成功基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM25铀235在热中子的轰击下裂变：1克铀235全部裂变释放的能量基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM26

氢弹、太阳等恒星上的热核反应、正在研究中的受控核聚变则是利用氕、氘、氚等氢原子的核聚变释放核能。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM27

我国第一颗氢弹爆炸成功。这是氢弹爆炸形成的蘑菇云。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM28

利用激光产生局部高温高压，“点燃”受控核聚变的核燃料。基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM29氘核的核聚变：1克氘核全部聚变释放的能量基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM301kg优质煤完全燃烧释放的能量比较1克铀235完全裂变比较1克氘完全聚变基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学5/7/202311:13:40AM31四.动量与能量

狭义相对论中的动量与能量间有基础物理学教程§7-3狭义相对论的动力学光子的动量和动质量分别