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1、6.2狭义相对论的基本原理6.3爱因斯坦心目中的宇宙6.4微观世界与量子论学 习 目 标知 识 脉 络1.知道经典时空观和相对论时空观及两个基本公设(重点) 2.知道同时、时间间隔和长度的相对性(难点) 3.知道光电效应及光的波粒二象性(重点)4.了解原子光谱的知识及应用，知道物质波的概念(难点)狭义相对论的基本原理与爱因斯坦的时空观1经典力学的时空观经典力学中的时空观，在物理学中叫做绝对时空观，它的特点是时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物体运动无关，都是绝对的2狭义相对论的基本公设(1)伽利略相对性原理惯性系如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫惯性系伽利略相对性原理力学
2、规律在任何惯性系中都是相同的，或者说任何惯性系都是等价的，这就是伽利略相对性原理(2)两条基本公设在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的这个公设通常叫做爱因斯坦相对性原理在一切惯性系中，光在真空中传播的速度都等于c，跟光源的运动无关3爱因斯坦的时空观(1)同时的相对性在一个参考系中同时发生的两个事件，在另一个参考系看来是不同时的，这被称为“同时”的相对性(2)时空的相对性根据光速不变原理和时空的性质，可导出如下关系式：4两个奇特的效应(1)长度收缩效应：运动的尺子缩短(2)时间延缓效应：运动的时钟变慢5质速关系和质能关系(1)质速关系物体的质量随速度的增大而增大m(其中m0为静止质量)(
3、2)质能关系公式：Emc2.1在不同的惯性系中，真空中的光速不发生变化()2物体的质量不随速度的变化而变化，是固定不变的()3在高速运动中，时间、长度、质量是会变化的()同学们相互探讨一下经典力学的时空观内容及其所遇到的困难【提示】经典力学的时空观认为：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的按该观点和伽利略的相对性原理，就会得到在不同的惯性系中所测得的光速是不同的而实验事实却是光速不变，这样实验事实便与理论产生了矛盾，使经典力学时空观遇到了困难探讨1：相对性原理和光速不变原理各表明了什么问题？【提示】(1)相对性原理表明：在某个惯性系中描述某个物理系统的某个物理过程的
4、物理定律，在其他一切惯性系中对该系统该过程做出描述的物理定律形式不变(2)光速不变原理表明：在一切惯性系中观测在真空中传播的光，不论沿任何方向，其速度大小都是c，与光源或观察者的运动无关探讨2：时间延缓效应是不是指时钟走得慢了？长度收缩效应是不是指物体长度变短了？【提示】不是时间延缓效应和长度收缩效应说明在不同惯性系中观测时，测得的结果不同，是相对论时空观的体现，不是时钟真的变慢了或物体长度真的变短了1时间延缓效应在相对论时空观中，运动时钟与静止时钟的关系：t，t为运动时间，t为静止时间，由上式可以看出vt，因此如果某时钟所显示的某个物理过程经历的时间间隔小，我们称该时钟走得慢，所以我们说运动
5、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：ll，由于vc，所以ll.这种长度观测效应被称为长度收缩3质速关系在相对物体静止的参考系中测量，物体具有最小的质量m0(称为静止质量)；在相对物体以速度v运动的惯性系中测量，物体的运动质量为m.4质能关系(1)经典物理学的观点：在经典物理学中，质量和能量是两个独立的概念(2)相对论的观点：由相对论及基本力学定律可推出质量和能量的关系为Emc2，能量变化量和质量变化量关系为Emc2.1一支静止时长l的火箭以
6、v的速度从观察者的身边飞过(1)火箭上的人测得火箭的长度应为多少？(2)观察者测得火箭的长度应为多少？(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多少？【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)l2(2016福州高一检测)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
7、估算5 000年内总共减少了多少质量，并求5 000年内减少的质量与太阳的总质量21027 t的比值【解析】由太阳每秒钟辐射的能量E可得其每秒内失去的质量为：mkg1010kg4.4109 kg.在5 000年内太阳总共减少的质量为Mmt10105 000243653 600 kg71020 kg.与太阳的总质量比值为k3.51010.【答案】4.4109 kg71020kg3.51010时间延缓效应和长度收缩效应的应用方法1(1)“钟慢效应”或“动钟变慢”是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化，而是在不同参考系中对时间的观测效应(2)运动时钟
8、变慢完全是相对的，在两个惯性参考系中的观测者都将发现对方的钟变慢了2(1)长度收缩效应是狭义相对论时空观的一种体现，即在不同惯性系中的观测者对同一物体的同一个空间广延性进行观测，测得的结果不同(2)这种沿着运动方向的长度的变化是相对的；另外垂直于速度方向的长度不变光 电 效 应 及 光 谱1光电效应(1)光电效应金属受光照或电磁辐射后，从表面逸出电子的现象，叫光电效应(2)光子光不是连续的，而是一份一份的，每一份光叫光子，光子的能量Eh.2连续光谱与线光谱(1)连续光谱连续光谱是指连续分布着的包含着从红光到紫光的各种色光的光谱例如：白光通过三棱镜后在光屏上得到的就是连续光谱(2)线状光谱只含有
9、一些不连续的亮线的光谱叫做线状光谱线状光谱中的亮线叫谱线线状光谱又简称线光谱由稀薄气体通电后发光的光谱即为线状光谱3实物粒子与波德布罗意把实物粒子所对应的波叫做物质波，后人又称之德布罗意波1任何光照金属板时都能发生光电效应()2光电效应说明光是不连续的，光具有粒子性()3光既是电磁波，又具有粒子的特征，因而光具有波粒二象性()夏天雨后，乌云飞散，太阳重新露头，在太阳对面的天空中，常会出现美丽的半圆彩虹，彩虹中的七种颜色是怎样排布的？【提示】雨后美丽的彩虹实际是太阳光被小水珠色散而成的光谱，它的颜色是按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列的探讨1：平时生活中，为什么很难碰到量子化的现象？【提示】
10、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2：光既具有粒子性，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E只能是某一最小能量单位的整数倍，En，n1,2,3n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
11、，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3(多选)光电效应实验的装置如图621所示，则下面说法中正确的是()【导学号：02690071】图621A用紫外光照射锌板，验电器指针会发生偏转B用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转C锌板带的是正电荷D使验电器指针发生偏转的是
12、正电荷【解析】将擦得很亮的锌板连接验电器，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来，锌板中缺少电子，于是带正电，A、C、D选项正确；红光不能使锌板发生光电效应【答案】ACD4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】A量子化假设的应用技巧(1)量子化假设与传统的经典物理的连续性概念是不同的，微观物质系统的存在是量子化的，物体间传递的相互作用是量子化的，物体的状态及其变化也是量子化的(2)量子化假设说明最小能量h由光的频率决定要计算宏观物体辐射的总能量与光子个数的关系E总Nh.(3)由公式知，假设已知光在真空中的波长和速度，便可求出光的频率再由h便可知一份光量子的能量
