高中物理 第6章 相对论与量子论初步 第1讲 高速世界学案 鲁科版必修2Word文档下载推荐.docx

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按照相对论及基本力学定律可得质量和能量的关系为E＝______，称为质能关系式．物质的质量减少（或增加）时，必然伴随________的减少（或增加），其关系为ΔE＝______.

六、时空弯曲

　爱因斯坦的理想实验：

1．科学预言：

__________能使光线弯曲，______也能使光线弯曲．在宇宙中，物质______大、______高的区域时空弯曲大；

物质______的地方，时空弯曲小．

2．实验验证：

恒星的光线在太阳附近弯曲数据与广义相对论预言相当吻合．

3．进一步推理：

光线在引力场中的弯曲可等效为空间本身被引力弯曲．引力不但影响______，而且影响______即时空弯曲.

一、对“两个基本原理”和“两个效应”的理解

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．也就是说，物理学定律与惯性系的选择无关．

（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．也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的．

2．两个效应

（1）时间延缓效应：

爱因斯坦曾预言，两个校准过的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些．这已被高精度的铯原子钟超高速环球飞行实验证实．在相对论时空观中，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：

Δt＝

.由于v＜c，所以Δt＞Δt′，即运动的钟比静止的钟走得慢．这种效应被称为时间延缓．

（2）长度收缩效应：

按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关．观测长度l′与静止长度l之间的关系：

，由于v＜c，所以l′＜l.这种长度观测效应被称为长度收缩．

例1　关于狭义相对论的基本假设，下列说法正确的是（　　）

A．在不同惯性系中，力学规律都是相同的

B．在不同的惯性系中，真空中的光速是不同的

C．在不同参照系中，一切物理规律都是相同的

D．对任何惯性系，真空中的光速都是相同的

针对训练1　一列很长的火车在沿平直车道飞快地匀速行驶，车厢中央有一个光源发出了一个闪光，闪光照到车厢的前壁和后壁．对这两个事件说法正确的是（　　）

A．车上的观察者认为两个事件是同时的

B．车上的观察者认为光先到达后壁

C．地面上的观察者认为两个事件是同时的

D．地面上的观察者认为光到达前壁的时刻晚些

二、对质速关系和质能关系的理解

1．相对论的质速关系

（1）物体的质量随物体速度的增加而增大，物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量m0之间有如下关系：

.

（2）物体运动时的质量总要大于静止时的质量m0.

2．相对论质能关系

用m表示物体的质量，E表示它具有的能量，则爱因斯坦质能方程为：

E＝mc2.

例2　太阳内部不停地发生着剧烈的热核反应，太阳每秒钟向外释放的能量约为3.8×

1026J，则太阳的质量每秒钟减少多少？

针对训练2　一被加速器加速的电子，其能量为3.0×

109eV，试问：

（1）此时电子的质量是其静质量的多少倍？

（2）此时电子的速率为多少？

（电子的静质量为0.91×

10－30kg）

高速世界的两个基本原理

1．如图1所示，强强乘坐速度为0.9c（c为光速）的宇宙飞船追赶正前方的壮壮，壮壮的飞行速度为0.5c.强强向壮壮发出一束光进行联络，则壮壮观测到该光速的传播速度为（　　）

图1

A．0.4cB．0.5c

C．0.9cD．1.0c

时间延缓效应和长度收缩效应

2．如果飞船以0.75c的速度从你身边飞过，飞船上的人看飞船上的一个灯亮了10min，你观测到这个灯亮的时间约为多少？

3．惯性系S中有一边长为l的正方形（如下图所示），从相对S系沿x方向以接近光速匀速飞行的飞行器上测得该正方形的图象是（　　）

质速关系和质能关系

4．为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程E＝mc2，科学家用中子轰击铀原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性．设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为ΔE，则这一实验需验证的关系式是（　　）

A．ΔE＝（m1－m2－m3）c2

B．ΔE＝（m1＋m3－m2）c2

C．ΔE＝（m2－m1－m3）c2

D．ΔE＝（m2－m1＋m3）c2

答案精析

第6章　相对论与量子论初步

第1讲　高速世界

预习导学

一、1.相同的形式

2．真空　都一样

二、1.运动的钟

2．Δt＝

三、1.长度收缩

2．想一想　由长度收缩效应表达式

，因为日常生活在低速世界中，v≪c故l′近似等于l，故此现象不明显．

四、运动　运动速度　运动质量　静止质量

想一想　由质速关系可知，物体的质量随着速度的增大而增大，当速度接近光速时，物体的质量趋于无穷大，物体的加速度趋于零，因此物体被加速时，其速度不可能等于甚至大于光速.

五、mc2　能量　Δmc2

六、1.加速运动　引力　能量　密度　稀少

3．空间　时间

课堂讲义

例1　AD　[狭义相对论的基本假设均建立在惯性参考系的基础上，故A、D正确．]

针对训练1　AD

例2　4.2×

109kg

解析　太阳向外释放出巨大的能量必然伴随着自身质量的减少，由ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量为

Δm＝

＝

kg≈4.2×

109kg.

针对训练2　

（1）5857倍　

（2）0.999999985c

解析　

（1）由爱因斯坦质能方程E＝mc2有

kg≈5.33×

10－27kg

则

≈5857（倍）

（2）由质速关系m＝

有

v＝

c≈0.999999985c.

对点练习

1．D　[根据光速不变原理，在任何参照系中测量的光速都是c，D正确．]

2．约15min

解析　设观测灯亮的时间为Δt，则

min≈15min.

3．C　[由l＝l0

可知沿速度方向即x轴方向的长度变短了，而垂直于速度方向，即y轴上的边长不变，故C对．]

4．B　

2019-2020年高中物理第6章相对论与量子论初步第2讲量子世界学案鲁科版必修2

[目标定位]　1.通过对简单现象的探究，理解热辐射、黑体、能量子等概念.2.了解普朗克“量子假说”的背景，体会经典力学的局限性.3.了解爱因斯坦“光量子说”的含义，知道光具有波粒二象性.4.了解德布罗意的物质波假说及意义．

一、“紫外灾难”

1．热辐射：

因物体中的______________受到激发而发射出________的现象，称为热辐射．物体在任何温度下都会发生热辐射现象．

2．黑体：

黑体是物理学家为了研究热辐射的规律而设想的一个理想化模型，它是一个能______________热辐射而________热辐射的物体．

3．“紫外灾难”：

（1）实验曲线：

人们发现，黑体的单色辐出度与黑体的辐射波______和______有关，并得出了黑体的单色辐出度与辐射波________、________之间关系的实验曲线．

（2）“紫外灾难”：

在推导符合实验曲线的公式时，发现结果与实验曲线______．这个与实验不符的结果出现在紫外区．

想一想　是否只有高温物体才能辐射出电磁波？

二、不连续的能量

1．普朗克的量子说

（1）提出的目的：

普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释的困难而提出的．

（2）含义：

物体辐射（或吸收）的能量E只能是某一最小能量单位的________．

E＝____（n＝0,1,2,3，…）

（3）量子的能量：

辐射中的一份能量就是一个量子．量子能量的大小取决于辐射的______，量子的能量ε与______成正比．

ε＝hν，公式中h＝________________，称为普朗克常量．

普朗克常量是普朗克引进的一个物理普适常数，是微观现象量子特征的表征．

2．量子（化）含义

所谓量子（或量子化），本质是____________．

三、物质的波粒二象性

1．物理学史

（1）光的微粒说的创始人是______，可以解释________、____________等．

（2）光的波动说的代表人物是________．

（3）光量子假设的提出者是____________，直到________的发现才验证了光量子假说的正确性．

2．光的本质：

光具有____________，它在一定条件下，突出地表现出________，实质是不连续性；

而在另一些条件下，又突出地表现出________．

3．物质波：

物理学家德布罗意进一步提出了________理论，根据这一理论，每个物质粒子都伴随着________，这种波被称为物质波，又称为________，戴维孙、革末及汤姆孙的____________实验证实了物质波的存在．

4．结论：

光与静止质量不为零的物质都具有____________．

想一想　如何理解光的波粒二象性？

一、热辐射和能量量子化

1．热辐射

在任何温度下，任何物体都会发射电磁波．辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同．这是热辐射的一种特性．同一物体在一定温度下所辐射的能量，在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高，光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高．

温馨提示　热辐射是热传递的一种方式，它的特点是热不凭借其他物体即可直接传播．

2．量子化假设

普朗克提出物质辐射（或吸收）的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍，E＝nε，n＝1,2,3…，n叫做量子数．量子的能量：

ε＝hν＝

.式中h为普朗克常数（h＝6.63×

10－34J·

s）是微观现象量子特征的表征，ν为频率，c为真空的光速，λ为光波的波长．

3．原子的能量分布

（1）原子只能处于一系列不连续的能量状态中．

（2）原子的不同能量状态对应电子的不同运行轨道，即电子的轨道半径是不连续的．

（3）原子的能量状态变化时，要吸收（或辐射）一定频率的光的能量hν，因此原子光谱是不连续的．

4．量子假说的“灵魂”有不连续性

温馨提示　在宏观世界中，量子化现象几乎显示不出来，因此它的状态变化是连续的，由于在微观世界中主要特征是量子化的，因此在宏观世界中总结出来的规律不能适用于微观世界．

例1　关于量子假说，下列说法正确的是（　　）

A．为了解决黑体辐射的理论困难，爱因斯坦提出了量子假说

B．量子假说第一次提出了不连续的概念

C．能量的量子化就是能量的不连续化

D．量子假说认为电磁波在空间的传播是不连续的

例2　太阳光垂直照射到地面上时，地面上1m2接受太阳光的功率为1.4kW，其中可见光部分约占45%，假如认为可见光的波长约为0.55μm，普朗克常量h＝6.63×

s，求地面上1m2面积上每秒接收到的可见光的光子数．

思路分析　先求每个光子的能量―→据能量守恒列公式―→求解结论

二、对波粒二象性的理解

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．光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量，和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用；

在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小（概率），由波动性起主导作用，因此称光波为概率波．

3．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ε＝hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系．

4．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．

5．实物粒子与波

（1）1924年，法国青年物理学家德布罗意在光具有波粒二象性的启发下，提出了一个大胆的观点：

一切实物粒子（如电子、原子、分子等）都具有波粒二象性．德布罗意把实物粒子所对应的波叫物质波，又称为德布罗意波．

波长表达式为λ＝

，其中λ是波长，p＝mv称为动量，h为普朗克常数．

（2）物质的波粒二象性在实践中的应用

电子显微镜的水平分辨率为0.2nm，垂直分辨率为0.1nm.达到了原子尺度，如利用铁原子排成原子围栏．

温馨提示　1.微观粒子具有明显的波动性，宏观物质也具有波动性，但极不明显．

2．光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律，不可把光当成宏观概念中的波和粒子．光在传播过程中往往显示波动性，在与物质作用时显示粒子性．

例3　关于光的本性，下列说法中正确的是（　　）

A．光子说并没有否定光的电磁说

B．光电效应现象反映了光的粒子性

C．光的波粒二象性是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说得出来的

D．大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性

针对训练　下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（　　）

A．有的光是波，有的光是粒子

B．光子与电子是同样的一种粒子

C．光的波长越长，其波动性越显著；

波长越短，其粒子性越显著

D．大量光子的行为往往显示出粒子性

紫外灾难

1．黑体辐射的“紫外灾难”是指（　　）

A．紫色的自然灾害

B．实验曲线与经典物理理论的计算结果不符合，该结果出现在紫外区，故称黑体辐射的“紫外灾难”

C．黑体温度达到一定值时，物体辐射的全部都是紫外线

D．黑体温度达到一定值时，物体辐射的全部都是紫色

不连续的能量

2．最早提出量子假说的物理学家是（　　）

A．爱因斯坦B．牛顿

C．开普勒D．普朗克

物质的波粒二象性

3．下列说法正确的是（　　）

A．光是一种电磁波

B．光是一种概率波

C．光子相当于高速运动的质点

D．光的直线传播只是宏观近似规律

第2讲　量子世界

一、1.分子、原子　电磁波

2．完全吸收　不反射

3．

（1）波长　温度　波长λ　温度T　

（2）不符

想一想　物体在任何温度下（包括0℃以下）都会辐射各种波长的电磁波．只是物体的辐射强度按波长分布情况不同．

二、1.

（2）整数倍　nε　（3）波长　频率ν　6.63×

s

2．不连续性

三、1.

（1）牛顿　光的反射　光的颜色　

（2）惠更斯　（3）爱因斯坦　康普顿

2．波粒二象性　微粒性　波动性

3．物质波　一种波　概率波　电子衍射

4．波粒二象性

想一想　光既具有波动性又具有粒子性．大量光子产生的效果显示出波动性，个别（或少量）光子产生的效果显示粒子性；

频率低、波长长的光，波动性显著，而频率高、波长短的光，粒子性显著．

例1　BC　[量子假说由普朗克提出，认为电磁波的发射和吸收都是不连续的，是一份一份进行的．它不但解决了黑体辐射的理论困难，而且更重要的是提出了“量子”概念，揭开了物理学上崭新的一页，选项B、C正确．]

例2　1.74×

1021个

解析　由光子能量与波长的关系可求出每个光子的能量，由总能量与每个光子的能量关系求出光子数．

每个光子的能量ε＝h

设地面上1m2每秒钟接收到n个光子

有0.45P＝nε

则n＝

＝1.74×

1021（个）．

例3　AB　[光既有粒子性，又有波动性，但这两种特性并不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说，它体现出的规律不再是宏观粒子和机械波所表现出的规律，而是自身体现的一种微观世界特有的规律．光子说和电磁说各自能解释光特有的现象，两者构成一个统一的整体，而微粒说和波动说是相互对立的．]

针对训练　C

1．B　[实验曲线与经典物理理论的计算结果不符合，随着波长变短，即向紫外区延伸时，计算的结果与实验曲线严重不符，该结果出现在紫外区，称其为黑体辐射的“紫外灾难”，故B正确，A、C、D错误．]

2．D　[普朗克是量子力学的奠基者，被称为量子力学之父．]

3．ABD　[不能把光波看做是宏观力学中的介质波、连续波，它实质上是电磁波、概率波；

也不能把光子看做宏观世界中的实物粒子、质点．]