1、第1节高速世界第2节量子世界学 习 目 标知 识 脉 络1.了解高速世界的两个基本原理，知道时间延缓、长度缩短、质速关系、质能关系和时空弯曲，能应用相对论知识解释简单的现象(重点)2.了解经典物理学的局限性，知道经典时空观与相对论时空观之间的关系(重点)3.了解普朗克“量子假说”的背景和“量子假说”的主要内容，体会经典力学的局限性.4.了解爱因斯坦“光量子说”的含义，知道光具有波粒二象性(难点)爱 因 斯 坦 的 狭 义 相 对 论1两个基本原理(1)相对性原理所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式(2)光速不变原理在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速c都一样(c3108 m/s)
2、2两个效应(1)时间延缓效应在相对论时空观中，运动的时钟比静止的时钟走得慢关系式为t，t为运动时间，t为静止时间(2)长度收缩效应在相对于物体运动着的惯性系中沿运动方向测出的物体长度，比在相对静止的惯性系中测出的长度变小关系式： ll.3两种关系(1)质速关系在经典力学中，物体的质量与物体的运动无关但在相对论中，运动物体的质量随其运动速度的变化而变化关系式：m其中m为物体的运动质量，m0为静止质量，v为物体相对惯性系的运动速度(2)质能关系按照相对论及基本力学定律可推出质量和能量有如下关系：Emc2，这就是著名的质能关系式质量和能量是物质不可分离的属性，当物质的质量减少或增加时，必然伴随着能量
3、的减少或增加，其关系为Emc2.1汽车运动时没发现长度变化，故狭义相对论是错误的()2由质能关系可知，质量就是能量，能量也就是质量，二者无区别()3时钟延缓效应是低速的时钟比高速的时钟走得慢()如果你使一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？【提示】不能因为物体的质量随速度的增大而增大，假若物体的速度趋近于光速，这时物体的质量会趋近于无穷大，故不可能把物体的速度增大到等于光速，当然更不可能大于光速，因为光速是速度的最大值1半人马星座星是离太阳系最近的恒星，它距地球为4.31016 m设有一宇宙飞船自地球往返于半人马星座星之间(1)若宇宙飞船的速率为0.999c，按地
4、球上时钟计算，飞船往返一次需要时间为_s.(2)如以飞船上时钟计算，往返一次的时间为_s.【解析】(1)由于题中恒星与地球的距离s和宇宙飞船的速度v均是地球上的观察者测量的，故飞船往返一次，地球时钟所测时间间隔t2.87108 s.(2)可从相对论的时间延缓效应考虑把飞船离开地球和回到地球视为两个事件，显然飞船上的钟测出两事件的时间间隔t是固定的，地球上所测的时间间隔t与t之间满足时间延缓效应的关系式以飞船上的时钟计算，飞船往返一次的时间间隔为tt1.28107 s.【答案】(1)2.87108 s(2)1.28107 s2一支静止时长l的火箭以v的速度从观察者的身边飞过(1)火箭上的人测得火
5、箭的长度应为_(2)观察者测得火箭的长度应为_(3)如果火箭的速度为光速的二分之一，观察者测得火箭的长度应为_. 【导学号：45732162】【解析】(1)火箭上的人测得的火箭长度与火箭静止时测得的长度相同，即为l.(2)火箭外面的观察者看火箭时，有相对速度v，测量长度将变短，由相对论长度收缩效应公式知ll，其中c为真空中的光速(3)将v代入长度收缩效应公式得ll.【答案】(1)l(2)l(3)l3太阳内部不停地发生着剧烈的热核反应，在不断地辐射能量因而其质量也不断地减少若太阳每秒钟辐射的总能量为41026 J，试计算太阳在1 s内失去的质量为_kg.【解析】由太阳每秒钟辐射的能量E可得其每秒
6、内失去的质量为：mkg1010kg4.4109 kg.【答案】4.4109量 子 化 理 论1量子假说的内容(1)物质辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍，即En(n1,2,3，)(2)辐射是由一份份的能量组成的，一份能量叫做一个量子量子的能量大小取决于辐射的波长，量子的能量与频率成正比，即hh，h为普朗克常数(h6.631034 Js)2量子化本质是不连续性，在微观世界里，量子化或不连续性是明显的微观物质系统的存在是量子化的，物质之间传递的相互作用量是量子化的，物体的状态及其变化也是量子化的3光的本质光具有波粒二象性，它在一定条件下，突出地表现出微粒性，实质是不连续性；而在另
7、一些条件下，又突出地表现出波动性，因此，光具有波粒二象性1运动的物体具有波粒二象性，而静止的物体不具有波粒二象性()2所谓量子或量子化，本质是不连续性()3光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著()平时生活中，为什么很难碰到量子化的现象？【提示】量子化在微观世界里表现明显，在宏观世界里表现不明显探讨1：黑体辐射的能力与什么因素有关？“紫外灾难”给科学家怎样的启示？【提示】(1)黑体辐射的能力与黑体的辐射波波长和温度有关(2)在黑体辐射中，由于经典的理论与某些实验结果不相符，这就启发了科学家们必须探索一种新的理论，用新的理论去解释实验，从而推动了科学的发展探讨2：光既具有粒子性，
8、又具有波动性，光的粒子性及波动性表现在哪些方面？【提示】光的粒子性表现为光的反射、光的折射等，光的波动性表现为光的干涉、衍射等1量子化假设：普朗克提出物质辐射(或吸收)的能量只能是某一最小能量单位的整数倍，En，n1,2,3，n叫作量子数量子的能量h.式中h为普朗克常数(h6.631034 Js)，是微观现象量子特征的表征，为频率，c为真空中的光速，为光波的波长2量子化：量子化的“灵魂”是不连续在宏观领域中，这种量子化(或不连续性)相对于宏观量或宏观尺度极微小，完全可以忽略不计，但在微观世界里，量子化(或不连续)是明显的，微观物质系统的存在、物体之间传递的相互作用量、物体的状态及变化等都是量子
9、化的3光的波粒二象性(1)大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果显示出粒子性(2)光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是波动性特征的物理量，因此h，揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系(3)对不同频率的光子，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著4人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉普朗克常量为6.631034 Js，光速为3.0108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()A2.31018 WB3.81019 WC7.01010 W D1.21018 W【解析】因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，所以察觉到绿光所接收的最小功率P，式中E6，又hh，可解得P W2.31018 W.【答案】A5为了验证光具有波动性，某同学采用下列做法，其中可行的是() 【导学号：45732163】A让一束光照射到一个轻小物体上，观察轻小物体是否会振动B让一束光通过一狭缝，观察是否发生衍射现象C让一束光通过一圆孔，观察是否发生小孔成像D以上做法均不可行【解析】光波是一种概率波，不能理解为质点参与的振动，故A不可行；经过狭缝的光在屏上能产生明暗相间的衍射条纹，故B可行；光通过小孔成像，说明了光的直线传播，故C不可行【答案】B
