牛顿力学中:
相互作用是客观的,分析力与参考系无关。质量的测量与运动无关。
[PPT] 角动量守恒定律 - 没有幻灯片标题
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讨论力矩对时间的累积作用,得出角动量定理和角动量守恒定律。 ..... 因速度 与参考系有关,所以经伽利略变换后洛仑兹力将发生变化,经典电磁定律不具有伽利略变换的不 ...
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四、平行轴定理
前例中JC表示相对通过质心的轴的转动惯量, JA表示相对通过棒端的轴的转动惯量。两轴平行,相距L/2。可见:
推广上述结论,若有任一轴与过质心的轴平行,相距为d,刚体对其转动惯量为J,则有:
这个结论称为平行轴定理。
例:右图所示刚体对经过棒端且与棒垂直的轴的转动惯量如何计算?(棒长为L、球体半径为R)
作业: P150 4-8 4-9
解:
棒绕zz’轴的转动惯量:
球体绕球心O的转动惯量:
利用平行轴定理:
五、刚体定轴转动的转动定律的应用
例1、一个质量为M、半径为R的定滑轮(当作均匀圆盘)上面绕有细绳,绳的一端固定在滑轮边上,另一端挂一质量为m的物体而下垂。忽略轴处摩擦,求物体m由静止下落高度h时的速度和此时滑轮的角速度。
解:如图所示,M、m的受力图得知:
M
m
例2、一个飞轮的质量为69kg,半径为0.25m,正在以每分1000转的转速转动。现在要制动飞轮,要求在5.0秒内使它均匀减速而最后停下来。求闸瓦对轮子的压力N为多大?
F
0
解:飞轮制动时有角加速度
外力矩是摩擦阻力矩,角加速度为负值。
0
N
fr
例3、一根长为l、质量为m的均匀细直棒,其一端有一固定的光滑水平轴,因而可以在竖直平面内转动。最初棒静止在水平位置,求它由此下摆角时的角加速度和角速度。
解:棒下摆为加速过程,外力矩为重力对O的力矩。 棒上取质元dm,当棒处在下摆角时,重力矩为:
X
O
dmg
dm
x
重力对整个棒的合力矩与全部重力集中作用在质心所产生的力矩一样。
mg
C
dmg
X
O
dm
xc
作业:P151 4-10 4-14
§4-3 角动量、角动量守恒定律
1、质点的角动量
~讨论力矩对时间的累积作用,得出角动量定理和角动量守恒定律。
一、质点的角动量定理和角动量守恒定律
设质量为m的质点在时刻t以速度 运动,它对所取参考点O的角动量定义:
其方向:右手法则确定;
大小:
注意:质点的角动量是与位矢、动量、参考点0的选择有关。因此在讲述质点的角动量时,必须指明是对哪一点的角动量。
例:若质点在半径为r的圆周上运动,在某一时刻,质点位于点A速度为 。
以圆心0为参考点,那么,
质点绕oz轴做圆周运动角动量为:
2、质点的角动量定理
~质点的角动量定义、牛顿定律导出。
因为:
设质量为m的质点,在合外力 作用下,其运动方程为:
质点对参考点O的位矢为 ,故以 叉乘上式两边,有:
其中:
所以:
~作用于质点的合力对参考点O的力矩,等于质点对该点O的角动量随时间的变化率。
这与牛顿第二定律在形式上是相似的,
上式还可写成:
合力 对参考点0的合力矩:
力矩与作用时间的乘积,叫做冲量矩
~质点的角动量定理
质点的角动量定理:
对同一参考点0,质点所受的冲量矩等于质点角动量的增量。
3、质点的角动量守恒定律
若质点所受合力矩为零,即 ,则有:
当质点所受对参考点O的合力矩为零时,质点对该参考点O的角动量为一恒矢量。
~质点的角动量守恒定律
注意:
有两种情况:①
②
通过参考点O,即
单位: 千克二次方米每秒;
量纲: 。
1. 定轴转动刚体的角动量
即
对 的角动量:
转轴 角速度
刚体上任一质点
转轴与其转动平面交点
绕 圆周运动半径为
转动平面
二、刚体的角动量定理和角动量守恒定律
刚体定轴转动的特点:
(1) 质点均在垂直于转轴的转动平面内,作半径不
同的圆周运动;
(2) 各质点的角速度 大小相等,且均沿轴向。
定义:质点 对 点的角动量的大小,称为质点对转轴的角动量。
刚体对 z 轴的总角动量为:
式中
~刚体对轴的转动惯量
2、刚体的角动量定理
对 个质点 组成的质点系,由
可得
两边求和得
于是:
质点系总角动量的时间变化率等于质点系所受外力矩的矢量和 (合外力矩 )
注意: 合外力矩 是质点系所受各外力矩的矢量和,而非合力的力矩。
由图可知
在定轴转动中,可用标量表示:
刚体定轴转动的转动定律实质是角动量定理的沿固定轴方向的分量式的一种特殊形式。
积分:
对某个固定轴的外力矩的作用在某段时间内的积累效果,称为冲量矩
右边为刚体对同一转动轴的角动量的增量。
~当转轴给定时,作用在物体上的冲量矩等于角动量的增量。叫做角动量定理
J也改变时,
J不变时,
3、角动量守恒定律
L不变的含义为:
刚体:J不变 非刚体:J不变
注意:
有两种情况:①
②
通过参考点O,即
但它与轴平行,对定轴转动没有作用,则刚体对此轴的角动量依然守恒。
子弹对棒的反作用力对棒的冲量矩为:
因, 由两式得
解:以 代表棒对子弹的阻力,对子弹有:
例1、如图所示,一质量为m的子弹以水平速度射入一静止悬于顶端长棒的下端,穿出后速度损失3/4,求子弹穿出后棒的角速度。已知棒长为 ,质量为 。
例2.已知:两平行圆柱在水平面内转动,
求:接触且无相对滑动时
.o1
m1
R1
.o2
R2
m2
o1.
o2.
解一:因摩擦力为内力,外力过轴 ,外力矩为零,则:J1 + J2 系统角动量守恒 ,以顺时针方向为正:
接触点无相对滑动:
又:
联立1、2、3、4式求解,对不对?
o2
F2
o1.
F1
f1
f2
分别以m1 , m2 为研究对象,受力如图:
o2
F2
o1.
F1
f1
f2
系统角动量不守恒!
解二:分别对m1 , m2 用角动量定理列方程
设:f1 = f2 = f , 以顺时针方向为正
问题:(1) 式中各角量是否对同轴而言?
(2) J1 +J2 系统角动量是否守恒?
m1对o1 轴:
m2对o2 轴:
接触点:
联立各式解得:
作业:
P152 4-17
一、力矩作功
力矩对转动物体作的功等于相应力矩和角位移的乘积。
称为力矩的功。
x
O
r
v
F
P
dr
d
§4-4 力矩作功 刚体绕定轴转动的动能定理
①如果力矩的大小和方向都不变,则
即恒力矩对绕定轴转动的刚体所作的功,等于力矩的大小与转过的角度的乘积。
②如果作用在绕定轴转动的刚体上的力矩是变化的,则
二、 力矩的功率
设刚体在恒力矩作用下绕定轴转动时,则力矩的功率:
即刚体绕定轴转动的转动动能等于刚体的转动惯量与角速度二次方的乘积的一半。
刚体上所有质元的动能之和为:
四、 刚体绕定轴转动的动能定理
三、转动动能
将定轴转动的转动定律两边乘以d 再同时对 积分,有:
合外力矩对一个绕固定轴转动的刚体所做的功等于刚体的转动动能的增量。
上式即为:
这个结论称为定轴转动的动能定理。
五、刚体的重力势能
h
hi
hc
x
O
m
C
m
一个质元:
整个刚体:
一个不太大的刚体的重力势能相当于它的全部质量都集中在质心时所具有的势能。
六、机械能守恒
对于含有刚体的系统,如果在运动过程中只有保守内力作功,则此系统的机械能守恒。
P139 表4-3 质点运动与刚体定轴转动对照表
例1.(P137 例1)一质量为M,半径R的圆盘,盘上绕由细绳,一端挂有质量为m的物体。问物体由静止下落高度h时,其速度为多大?
mg
T
M
m
解:
解得:
a
l
o
v
解:
30°
例2.(P138 例2)一长为l,质量为M的杆可饶支点o自由转动。一质量为m,速度为v的子弹射入距支点为a的棒内。若棒偏转角为30°。问子弹的初速度为多少。
系统机械能守恒:
系统:杆、子弹,角动量守恒:
例3.如图所示,将单摆和一等长的匀质直杆悬挂在同一点,杆的质量m与单摆的摆锤相等。开始时直杆自然下垂,将单摆的摆锤拉到高度ho ,令它自静止状态下垂,于铅垂位置和直杆作弹性碰撞。求碰撞后直杆下端达到的高度h 。
(1)
m
l
ho
l
c
hc
h’
h=3h0/2
(2)
解:碰撞前单摆摆锤的速度为:
令碰撞后直杆的角速度为,摆锤的速度为v'。由角动量守恒,有
在弹性碰撞过程中机械能也是守恒的:
二式联立解得:
①
②
按机械能守恒,碰撞后摆锤达到的高度为
而杆的质心达到的高度满足:
得:
作业: P153 4-23 4-28
刚体的质心被限制在一平面上运动,则这种刚体的运动就称为刚体的平面平行运动。
一、定义:
§4-5 刚体的平面平行运动
二、研究方法:
刚体运动:质心的平动、刚体绕质心的转动的合成。
①质心的平动:
②刚体绕质心的转动:
③刚体的动能:
刚体质心的平动动能
刚体绕质心的转动动能
④刚体的势能视为是质心的势能,即:
例1(P140)一绳索缠绕在半径为R、质量为m的均匀圆盘的圆周上,绳的另一端悬挂在天花板上(图4-32)。设绳的质量忽略不计,求:(1)圆盘质心的加速度;(2)绳的张力。
①质心的平动:
②刚体绕质心的转动:
解1 用转动定律求解:作用在圆盘上的力有重力 和绳索的张力 ,建立坐标 。
圆盘质心相对天花板的加速度
通过圆盘质心的转轴的角加速度
③圆盘滚动时,绳索相对于圆盘质心的加速度:
代入上式:
即:
所以:
解1 用功能原理求解:系统:绳索、圆盘、地球。
系统满足机械能守恒定律,有:
对t求导,有:
其中:
且:
作业:
P155 4-34
§4-6 经典力学的成就和局限性
经典物理:伽利略时期~19世纪末
经过300年发展,到达全盛的“黄金时代”
形成三大理论体系
1. 机械运动: 以牛顿定律和万有引力定律为基础的
经典力学
2. 电磁运动: 以麦克斯韦方程组为基础的经典电磁学
3. 热运动:以热力学三定律为基础的热力学宏观理论
分子热运动为基础的统计物理学微观理论
在牛顿定律基础上建立的力学理论体系称为牛顿力学或经典力学。
成就:
②经典力学是物理学中较早地发展成为理论严密、体系完整、应用广泛的一门学科,并且还是经典电磁学和经典统计力学的基础。
③促进了蒸汽机和电机的发明,为产业革命和电力技术革命奠定了基础。
④科学技术的发展,如智能技术、信息技术、材料科学、生命科学等技术,经典力学还是极为重要的基础之一。
①质点力学和刚体力学流体力学、弹性力学、结构力学等多门工程力学学科均属于牛顿力学或经典力学的范畴。
⑤可以肯定,在科学技术今后的发展中,它仍将发挥其不可替代的作用。
局限性:
物理学家感到自豪而满足,两个事例:
在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字而已。
——开尔芬(1899年除夕)
理论物理实际上已经完成了,所有的微分方程都已经解出,青年人不值得选择一种将来不会有任何发展的事去做。
——约利致普朗克的信
正当物理学家们为经典物理学的成就感到满意的时候,一些新的实验事实却给经典物理学以有力的冲击,这些冲击主要来自以下三个方面。
①1887年的迈克耳孙—莫雷实验否定了绝对参考系的存在;
②1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理来说明热辐射现象时,出现了所谓的“紫外灾难”;
③1896年贝克勒尔首次发现放射性现象,说明原子不是物质的基本单元,原子是可分的。
经典物理理论无法对这些新的实验结果作出正确的解释,从而使经典物理处于非常困难的境地,也使一些物理学家深感困惑。
1905年爱因斯坦建立了狭义相对论、1925年前后建立了量子理论对实验结果作出正确的解释。
一、经典力学只适用于处理物体的低速运动问题,而不能用于处理高速运动问题
1.牛顿力学的相对性原理和伽利略变换
研究的问题:
在两个惯性系中考察同一物理事件
实验室参考系
运动参考系
牛顿力学的绝对时空:长度和时间的测量与参照系无关。
在不同的惯性系中,考察同一物理事件。
开始两个参考系对表
问题:
P
与
重合时,
(一)伽利略变换 Galilean transformation
t时刻,物体到达P点
分量式
正变换
逆变换
速度变换
正变换
逆变换
加速度变换
正变换
逆变换
惯性系
在两个惯性系中
(二)牛顿的相对性原理 Newton Principle of relativity
牛顿力学中:
相互作用是客观的,分析力与参考系无关。质量的测量与运动无关。
宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同。
或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。
或 牛顿力学规律是伽利略不变式。
3) 高速运动的粒子
与参照系无关
牛顿力学的困难:
2) 光速C — 在哪个参考系中测的?
1) 电磁场方程组不服从伽利略变换
1. 伽利略变换不是经典电磁定律的对称操作
带电粒子受力:
洛仑兹力
电场力
因速度 与参考系有关,所以经伽利略变换后洛仑兹力将发生变化,经典电磁定律不具有伽利略变换的不变性。
推广:一切与速度有关的力都不具有伽利略变换的不变性。
洛仑兹力:
垂直于 决定的平面
2. 与高速运动(光的传播)的实验结果不符
真空中的光速: c
由经典电磁理论
与参考系选择无关
由伽利略变换速度与参考系选择有关。
彼此矛盾!
双星观察实验
枪沿圆周运动,并以恒定速率 u 发射子弹。
对双星星光的观测,没有类似结果!
光速与光发射体的运动无关,不遵从伽利略变换。
实验检验:
观察者接收到的子弹密度会呈周期性变化。
相对性原理的普遍性(对称性)
伽利略变换(经典力学)
电磁学定律
三者无法协调
解决困难的途径:
① 否定相对性原理的普遍性,承认惯性系对电磁学定律不等价,寻找电磁学定律在其中成立的特殊惯性系。
② 改造电磁学理论,重建具有对伽利略变换不变性的电磁学定律。
③ 重新定位伽利略变换,改造经典力学,寻求对电磁理论和改造后的力学定律均为对称操作的“新变换”。
①②无一例外遭到失败,爱因斯坦选择 ③取得成功。
爱因斯坦的选择来自坚定的信念:
自然的设计是对称的,不仅力学规律在所有的惯性系中有相同的数学形式,所有的物理规律都应与惯性系的选择无关。
实验结果说明,在所有惯性系中,真空中的光速恒为c ,伽利略变换以及导致伽利略变换的牛顿绝对时空观有问题,必须寻找新的变换,建立新的时空观。
“爱因斯坦把方法倒了过来,他不是从已知的方程组出发去证明协变性是存在的,而是把协变性应当存在这一点作为假设提出来,并且用它演绎出方程组应有的形式。”
——— 洛仑兹
“我尊敬的迈克尔孙博士,您开始工作时,我还是个孩子,只有1米高,正是您将物理学家引向新的道路,通过您精湛的实验工作,铺平了相对论发展的道路,您揭示了光以太的隐患,激发了洛仑兹和菲兹杰诺的思想,狭义相对论正是由此发展而来的。没有您的工作,相对论今天顶多也只是一个有趣的猜想,您的验证使之得到最初的实验基础。”
“我的实验竟然对相对论这个怪物的诞生起了作用,我对此感到十分遗憾。”
爱因斯坦1931年会见迈克尔孙
1905爱因斯坦提出了狭义相对论,描述了一种新的时空观,认为时间和空间是相互联系的,且时间的流逝和空间的延拓与物质和运动有关。
2、 光在真空中的速度与发射体的运动状态无关~光速不变原理
1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展
说明
一切物理规律
力学规律
2) 光速不变与伽利略变换与伽利略的速度叠加原理针锋相对
3) 观念上的变革
速度与参考系有关
(相对性)
与参考系无关
牛顿力学
时间标度
长度标度
质量的测量
1、一切物理规律在任何惯性系中形式相同~相对性原理
基本假设
狭义相对论力学
长度、时间测量的相对性
光速不变
介绍几个力学中的物理量,在高速运动与低速运动时的差异。(P143)
1.高速运动时速度的相对性
式中:c为光速, 为质点在S系中沿Ox轴的速度, S’系相对S系沿Ox轴的速度, 为质点在S’系中沿Ox轴的速度
~狭义相对沦的速度变换式也称洛伦兹速度变换式。
如果质点P在S’系中的速度远小于光速,即
2. 高速运动时的动量和质量
爱因斯坦的狭义相对论指出,质点的动量为:
如果质点P在S’系中的速度远小于光速,即
质点在高速运动时的质量为:
3. 高速运动时的动能
爱因斯坦的狭义相对论指出,质点的动能为:
如果质点P在S’系中的速度远小于光速,即
4. 质量与能量之间的关系:
这个关系式深刻地反映了物质与其运动的不可分割性;有质量必有能量,有能量必有质量,任何物体都具有质量和与之相对应的能量。
牛顿力学中: 相互作用是客观的,分析力与参考系无关。质量的测量与运动无关
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发出连续电磁波→ 连续光谱,. 电子能量↓ → 坠入原子核→原子湮灭. 事实:. 氢原子光谱是线状(而不是连续光谱);. 原子没
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11/02/2010 postreply
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盧瑟福,電動勢再增高,電流也不能再加大; 輻射出來的能量,其單元大小并不是一樣的,而与其振蕩頻率成正比。所以只有當擁有大量可用的
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11/02/2010 postreply
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当用比较大的时间尺度和距离尺度来测量电磁辐射时,波动性质会比较显著;而用比较小的时间尺度和距离尺度,则粒子性质比较显著
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11/02/2010 postreply
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电场,磁场都遵守叠加原理。因为电场和磁场都是矢量场,所有的电场矢量和磁场矢量都适合做矢量加运算。例如,一个行进电磁波,入射于一个
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11/02/2010 postreply
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干涉是两个或两个以上的波,叠加形成新的波样式。假若几个电磁波的电场同方向,磁场也同方向,则这干涉是建设性干涉;反之,则是摧毁性干
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11/02/2010 postreply
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在低温状况,电磁振子的平均能量与能量均分定理的预测相差很大。这显示出,由于量子效应,能量均分在低温状况是不正确的
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11/02/2010 postreply
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普朗克的辐射定律是依据熵对能量二阶导数的两个极限值内推而得到的 (图)
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11/02/2010 postreply
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激光:用脉冲闪光灯泡把Cr++离子从基态激发到4F2,同时观察基态在磁场磁距分开的两个能级造成的微波吸收(0.38cm-1,1.
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11/03/2010 postreply
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"脉冲激光":脉冲就是隔一段相同的时间发出的波(电波/光波等等)等机械形式
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猫的初生视觉皮层有神经激发相关振荡现象 (图)
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11/03/2010 postreply
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猫的信仰函数是连续的,行为脉冲? 量子概率密度,空间中一点的概率关于空间即x,y,z的3阶偏导数
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11/03/2010 postreply
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函数在一点处连续必须是沿空间的任何方向均连续, 向均连续,故由偏导数存在不能推出函数连续
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11/03/2010 postreply
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物理好图 高中物理>>物理博览>>大学物理导论(下)
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11/02/2010 postreply
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达到光速的物体不变但他周围的空间会缩成一个点,时间变成〇
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11/11/2010 postreply
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被洛伦兹收缩的人事物本身,并不会察觉到被收缩了:从静系看来,动系上的观测者,就像拿着一根被收缩的尺,去测量被收缩的物体 (图)
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11/11/2010 postreply
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原时最短,原长最长:在两个运动系测量时间间隔,空间间隔,质量,时间等要换算,相对论中则不然。 和S两个惯性参照系里钟的走时和
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11/11/2010 postreply
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2. 时间和空间彼此分离、相互独立:点是一只蚊子,则用三维来描述就不够完美,而用四维就好多了,这第四维就是时间t,蚊子飞行的时空
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11/11/2010 postreply
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3. 光的传播需要时间,能量,花钱
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4. 真空中,光沿各个方向在所有惯性参考系中
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11/11/2010 postreply
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5. 时间的相对性过去我们对两个事件(事件即发生的事情)同时发生的描述通常是不准确的。
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11/11/2010 postreply
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6. 钟慢一台相对于你是静止的钟表,信息以u 的速度离你而飞是以光到你眼睛所需的时间要长)才能传到你的眼睛
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11/11/2010 postreply
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假设,钟表飞行速度达到光速,你永远接收不到它转动的信息了,时钟停止
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7. 尺缩测量一个物体的长度
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8. 空间的相对性 所以对不同的观察者,空间是不同的,
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11/11/2010 postreply
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我们描述物体在空间的位置或行为,总是以别的某种物体为参考
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9. 质量增加 质量是描述物体内物质的多少,它在数值上等于物体
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11/11/2010 postreply
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经典公式m0=F/a(m0 代表物体的固有质量 在相对论中,质量不再意味着物体内物质的;当物体高速运动
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10. 光速是极限速度
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11/11/2010 postreply
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1. 以太观念 光相对于以太的速度是个唯一固定的常数,穿过以太运动的观察者应当测量到光不同于常数的各种相对速度
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11/11/2010 postreply
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爱因斯坦认为,不是运动物体长度的“机械式收缩”抵消了光速变化所带来的距离差,而是因为光速不变导致了运动物体长度的“相对性收缩”
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11/11/2010 postreply
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物理好图 杨进第六章平面电磁波
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11/02/2010 postreply
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场的振动幅度与强度 脉冲 (图)
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11/02/2010 postreply
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我們一般認為腦是人體的最強電磁場製造者。然而出乎意外地,研究證實心臟才是人體內最強電磁場的製造者,且其強度可達腦部的5000倍以
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11/02/2010 postreply
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二维视野("拐点")转变为立体视野(三维空间"鞍点"):平面曲线在下降阶段其一阶导数为负,可以取两种不同的下降形态,上凸(c)时
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11/02/2010 postreply
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"鞍点"在三维空间中定义(图中的坐标原点),经过"鞍点"平行于z轴的平面束代表无穷多个发展方向 (图)
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11/02/2010 postreply
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economist 房四海:中国现在进入二阶拐点,未来消费走势是向上的,对大宗商品的需求还将继续增加,所以流动性选择中国是必然的
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11/02/2010 postreply
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economist 瑞银 汪涛
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11/02/2010 postreply
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刘煜辉 :传递的过程要求被调控能够信心调控者通过价格变动的信号,他表示出坚决的意志和决心,然后才做出自己的行为的调整,投资者、消
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11/02/2010 postreply
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人民币升值的压力来自于经济超速(incl cpi)的压力,带来的劳动生产率,利润率的提速
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11/02/2010 postreply
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你作用的力好比磁场强度,而物体的实际感受好比磁感应强度
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11/02/2010 postreply
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正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器。带电粒子必须以唯一确定的速度(包括大小、方向)才能匀速(或者说沿直线)通过速度选择器。否
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10/31/2010 postreply
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现自然光和麦克斯韦方程组所描述的电磁波之间有一个巨大的差别:于是电磁科学家都习惯把麦克斯韦方程组所描述的电磁波称为相干波,而把自
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10/31/2010 postreply
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自然光普通光:一般情况下,光由许多光子组成,在荧光(普通的太阳光、灯光、烛光等)中,光子与光子之间,毫无关联,即波长不一样、相位
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10/31/2010 postreply
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麦克斯韦指出电磁波是横波,其特征用相互垂直的振动矢量即电场强度 和磁场强度 来表征。横波具有偏振特性,由于光与物质相互作用过程中
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10/31/2010 postreply
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希尔伯特空间 广到自然光. 这时要对式(9) 中各种频率的成分的贡献求和
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10/31/2010 postreply
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一个抽象的希尔伯特空间中的元素往往被称为向量。在实际应用中,它可能代表了一列复数或是一个函数。例如在量子力学中,一个物理系统可
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10/31/2010 postreply
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角动量守恒定律:力矩对时间的累积作用,得出角动量定理和角动量守恒定律。 ..... 因速度 与参考系有关,所以经伽利略变换后洛仑
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10/29/2010 postreply
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