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1、2了解相对论 选学 3初识量子论 选学 1 知道物体运动在接近光速时的现象 需要狭义相对论理论解释 在引力很强的大尺度范围时 遵循广义相对论 2 知道狭义相对论中的尺缩效应和钟慢效应 及质量随运动速度增大而增大 知道经典力学是相对论在低速情况下的近似 3 了解微观现象中的不连续性或量子性 4 知道微观粒子具有波粒二象性 知道微观粒子运动不遵守确定性规律而遵循统计规律 初步了解量子论的作用 狭义相对论狭义相对论的主要效应有以下几种 1 长度收缩 式中v是运动物体的速度 c是真空中的光速 L0是运动体中的观察者测得的长度 L是地面上的观察者测得的长度 短 2 钟慢效应 3 物体的质量与运动速度的关
2、系 式中m0是物体静止时的质量 m是物体速度为v时的质量 c是真空中的光速 3 物体的质量与运动速度的关系 式中m0是物体静止时的质量 m是物体速度为v时的质量 c是真空中的光速 可见 当v c时 m m0 当v趋近于c时 m趋近于无穷大 4 质量m和能量E之间的关系 E mc2 5 任何物体的速度都不能超过光速c 广义相对论1916年 爱因斯坦创立了广义相对论 得出了一系列的结果 例如 光线通过强引力场时 光线会发生弯曲 即时空会发生弯曲 如图5 2 3 1所示 图5 2 3 1 量子论的基本内容 1 量子论认为微观世界的某些物理量不能连续变化而只能是某些分立值 相邻两分立值之差称为该物理量
3、的一个 如物质吸收或发射的辐射能量量子 h是普朗克常量 是辐射的频率 这种辐射能量的变化是一份一份的 即 n为自然数 量子 h E n 2 一切微观粒子都具有 3 由于微观粒子运动的特殊规律性 使一个微观粒子的某些物理量不可能同时具有确定的数值 如粒子的和 其中一个量越确定 另一个量就越不确定 粒子的运动不遵守确定性规律而遵守 波粒二象性 位置 动量 统计性规律 注意 在垂直于运动方向上 杆的长度没有变化 这种长度的变化是相对的 如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动 与他们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了 可见 当v c时 m m0 当v趋近于c时 m趋近于无穷大 因此 当
4、物体的速度远小于真空中的光速时 经典力学完全适用 当物体的速度接近光速时 经典力学就不适用了 典例1 某列车的静止时的长度为100m 试问 1 当它以30m s的速度做匀速直线运动时 对地面的观察者来说它的长度是多少 2 假如列车做匀速直线运动的速度达到2 7 108m s 对地面的观察者来说它的长度又是多少 了解相对论 答案 1 99 9999999999995m 2 43 6m借题发挥物体的长度随其运动速度的变化 体现了空间的相对性 当然 尺缩效应 只有在物体的速度接近光速时才能明显地表现出来 对于低速运动的物体 其长度几乎不变 变式1 介子是一种基本粒子 质量为电子的208倍 电荷为 e
5、或 e 速度为0 9966c 它在静止时的平均寿命为2 2 10 6s 据报道 在一组高能物理实验中 测得它通过的平均距离为8km左右 怎样解释这一现象 答案见解析 典例2 已知功率为100W灯泡消耗的电能的5 转化为所发出的可见光的能量 光速c 3 0 108m s 普朗克常量h 6 63 10 34J s 假定所发出的可见光的波长都是560nm 计算灯泡每秒内发出的光子数 初识量子论 答案1 4 1019个 变式2 对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点 以下说法正确的是 A 以某一个最少能量值一份一份地辐射或吸收B 辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍C 吸收的能量可以是连续的D 辐射和吸收
6、的能量是量子化的答案ABD 科学家发现超光速中微子挑战爱因斯坦相对论 之二 有待检验 这不是爱因斯坦的光速理论首次遭遇挑战 2007年 美国费米国家实验室研究人员取得类似实验结果 但对实验的精确性存疑 奥佩拉 项目发言人伊拉蒂塔托说 项目组充分相信实验结果 继而公开发表 我们对实验结果非常有信心 我们一遍又一遍检查测量中所有可能出错的地方 却什么也没有发现 我们想请同行们独立核查 这一项目使用一套复杂的电子和照相装置 重1800吨 位于格兰萨索国家实验室地下140米深处 爱因斯坦图5 2 3 2 项目研究人员说 这套接收装置与欧洲核子研究中心之间的距离精度为20厘米以内 测速精度为10纳秒以内
7、 过去两年 他们观测到超过1 6万次 超光速 现象 依据这些数据 他们认定 实验结果达到六西格玛或六标准差 即确定正确 欧洲核子研究中心物理学家埃利斯对这一结果仍心存疑虑 科学家先前研究1987a超新星发出的中微子脉冲 如果最新观测结果适用于所有中微子 这颗超新星发出的中微子应比它发出的光提前数年到达地球 然而 观测显示 这些中微子仅早到数小时 这难以符合 欧佩拉 项目观测结果 埃利斯说 美国费米实验室中微子项目专家阿尔方斯 韦伯认为 欧佩拉 实验 仍存在测量误差可能 费米实验室女发言人珍妮 托马斯说 欧佩拉 项目结果公布前 费米实验室研究人员就打算继续做更多精确实验 可能今后一年或两年开始
8、伊拉蒂塔托欢迎同行对实验数据提出怀疑 同样态度谨慎 他告诉路透社记者 这一发现如此让人吃惊 以至于眼下所有人都需要非常慎重 就韦伯而言 即使实验结果获得确认 相对论 仍是优秀理论 只不过 需要做一些扩充或修正 他说 艾萨克 牛顿的重力理论不完美 但并不妨碍人类借助它飞向太空 理性看待对于相对论来说 中微子即便是超越了光速 也无法对相对论造成巨大的影响 相对论只能进行补充 但不会被推翻 任何一个理论 都是有它的适应范围的 如果超过了它的适应范围 那就需要新的理论来约束他 中微子是否超越了光速 这还是一个未知的问题 超新星SN1987A爆发的时候 科学家也发现了中微子比光子提前到达了地球 但是可以
9、用超新星对光子的不透明现象来解释 而且能量也不是opera实验室的水平 这次的超光速也带来了一些驳论 假如中微子真的是超过了光速 那他是如何被探测到的那 因为如果超过了光速 那么理论上中微子会回到过去 也就是穿越了 呵呵 这听起来很科幻 但是仔细想想 还真是那么一回事 是爱因斯坦错了吗 还是opera实验室的科学家错了 再一个问题就是中微子是否走了捷径 这个所谓的捷径 可以理解为更高的维度 M理论假设宇宙中存在11个维度 中微子是否走了维度的捷径 这还是一个未知 光是什么 光是电磁场的震荡 粒子上是由光子组成 它的质量为零 宇宙中质量为零的物质速度就是极限 任何物质都不可能快过他 物理学上有一
10、种理论 叫做快慢宇宙 慢宇宙既是我们所在的宇宙 在这里最小的质量就是0 可以想象一下 两个博尔特 一个是很轻的 一个是很重的 哪个跑得快 图5 2 3 3 对于快宇宙来说 最大质量即为0 在那里 最慢的速度就是光速 只要你愿意 你可以一瞬间从宇宙这头到宇宙的另一头 但是温度也可以达到宇宙极限 但是问题又来了 既然最慢速度都是光速了 那那里不是每时每刻都在回到未来 这确实又是一个问题 对于这次的中微子 据说计算出来的中微子质量是个复数 没错 质量是个i 那这个中微子还是我们这个宇宙中的吗 可以说如果这次的实验是正确的 那么对于相对论来说并没有多大的影响 因为相对论仅适用于我们这个范围 爱因斯坦还
11、是正确的 就好像牛顿的经典力学适用于低速 相对论适用于高速 图5 2 3 4 但是物理学可能就要翻开新的一页了 因为他很可能逾越了我们所认知的宇宙 因为我们所熟知的宇宙仅仅是个4维 对于更高维的 还仅仅是想象而已 更高的维度 有兴趣的读者可以看看大统一理论 他试图将整个宇宙中的一切维度 用一个公式来表示 M理论 超弦理论 在空间中 从一个点到另一个点 你并不需要有多么快的速度 你需要的是捷径 想象一下 一张纸 把它对折 你就会发现 从一个点到另外一个点并不是多么困难的事情 只需要一个对折 没错 这很可能就是中微子所走的捷径 答案D 2 某物体静止时的质量为1kg 若该物体分别以100m s和0 9倍光速运动 试按照狭义相对论的观点分别计算出物体在两种情况下的质量 此结果说明了什么 答案见解析 答案A 4 人眼对绿光最为敏感 正常人的眼睛接收到波长为530nm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 63 10 34J s 光速为3 0 108m s 则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是 A 2 3 10 18WB 3 8 10 19WC 7 0 10 10WD 1 2 10 18W 答案A
