2018-2019學年高中物理 第五章 經典力學的成就與局限性 2 了解相對論(選學)3 初識量子論(選學)學案 教科版必修2

2了解相對論(選學)3初識量子論(選學)學習目標1.知道狹義相對論中運動長度l和運動時鐘及質量隨運動速度的變化規(guī)律.2.知道愛因斯坦質能關系，知道經典力學是相對論力學在低速情況下的近似.3.了解微觀現(xiàn)象中的不連續(xù)性或量子性.4.知道微觀粒子具有波粒二象性；知道微觀粒子運動不遵守確定性規(guī)律而遵守統(tǒng)計性規(guī)律；初步了解量子論的作用一、了解相對論1狹義相對論中的主要效應(1)運動長度l會收縮，即ll0.(2)運動時鐘會變慢，即 .(3)物體質量m隨速度v的增大而變大，其關系為m .(4)質量m和能量E之間存在著一個相互聯(lián)系的關系式：Emc2，稱為質能關系，式中c是光速(5)任何物體的速度不能超過光速c.2廣義相對論點滴(1)當光線通過強引力場時，光線在引力場中會發(fā)生偏折(2)廣義相對論是數(shù)學與物理學相結合的典范在廣義相對論中，時間、空間、物質與運動是緊密地聯(lián)系在一起的二、量子論的基本內容1量子論認為微觀世界的某些物理量不能連續(xù)變化而只能取某些分立值，相鄰兩分立值之差稱為該物理量的一個量子2一切微觀粒子都具有波粒二象性3由于微觀粒子運動的特殊規(guī)律性，使一個微觀粒子的某些物理量不可能同時具有確定的數(shù)值判斷下列說法的正誤(1)質量是物體的固有屬性，任何時候都不會變(×)(2)對于高速運動的物體，它的質量隨著速度的增大而增大()(3)對于宏觀物體的低速運動問題，相對論、量子力學與經典力學是一致的()(4)光線經過任何物體附近時都是沿直線傳播的(×)一、了解相對論1地球繞太陽公轉的速度是3×104 m/s，設在美國伊利諾斯州費米實驗室的圓形粒子加速器可以把電子加速到0.999 999 999 987倍光速的速度，請思考：(1)地球的公轉速度在狹義相對論中屬于低速還是高速？被加速器加速后的電子的速度呢？(2)加速后電子的質量比電子的靜止質量增大了還是減小了？答案(1)地球公轉速度屬于低速，被加速器加速后的電子的速度屬于高速(2)加速后電子的質量比電子的靜止質量增大了2在經典力學和狹義相對論中，位移和時間的測量結果在不同的參考系中有何區(qū)別？答案在經典力學中，同一過程的位移和時間的測量結果在不同參考系中是相同的；在狹義相對論中，同一過程的位移和時間的測量結果在不同參考系中是不同的1低速與高速(1)低速：通常所見物體的運動，如行駛的汽車、發(fā)射的導彈、人造地球衛(wèi)星及宇宙飛船等物體皆為低速運動物體(2)高速：有些微觀粒子在一定條件下其速度可以與光速相接近，這樣的速度稱為高速2速度對質量的影響(1)在經典力學中，物體的質量不隨運動狀態(tài)的改變而改變(2)愛因斯坦的狹義相對論指出，物體的質量隨速度的增大而增大，即m，其中m0是物體靜止時的質量，m是物體速度為v時的質量，c是真空中的光速在高速運動時，質量的測量結果是與運動狀態(tài)密切相關的3速度對物理規(guī)律的影響對于低速運動問題，一般用經典力學規(guī)律來處理對于高速運動問題，經典力學已不再適用，需要用相對論知識來處理4位移、時間與參考系的關系經典力學認為位移和時間的測量與參考系無關，相對論認為，同一過程的位移和時間的測量與參考系有關，在不同的參考系中測量結果不同例1在靜止坐標系中的正立方體邊長為l0，另一坐標系以相對速度v平行于正立方體的一邊運動問在后一坐標系中的觀察者測得的立方體的體積是多少？答案l03解析本題中正立方體相對于另一坐標系以速度v運動，一條邊與運動方向平行，則坐標系中觀察者測得該條邊的長度為ll0測得立方體的體積為Vl02ll03物體靜止長度l0和運動長度l之間的關系為：ll0上面的式子說明，相對于地面以速度v運動的物體，從地面上看，沿著運動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多理解：(1)在垂直于運動方向不發(fā)生長度收縮效應現(xiàn)象(2)我們平常觀察不到這種長度收縮效應，是因為我們生活在比光速低得多的低速世界里，長度收縮效應極不明顯，即使運動物體的速度達到v30 000 km/s(即0.1c)，長度收縮效應也只不過是5，因此，在低速運動中，vc，ll0，長度收縮效應可忽略不計例2A、B兩火箭沿同一方向高速飛過地面上的某處，vA>vB，在火箭A上的人觀察到的結果正確的是()A火箭A上的時鐘走得最快B地面上的時鐘走得最快C火箭B上的時鐘走得最快D火箭B上的時鐘走得最慢答案A解析在火箭A上的人看來，地面和火箭B都高速遠離自己，由知，在火箭A上的人觀察到的結果是地面和火箭B上的時鐘都變慢了，且vA>vB，故地面的時鐘最慢，因此A正確，B、C、D錯誤運動的時鐘變慢，即理解：(1)時間延緩效應是時空的一種屬性：在運動參考系中的時間節(jié)奏變慢了(一切物理過程、化學過程乃至觀察者自己的生命節(jié)奏都變慢了)(2)由于運動是相對的，故在某一個參考系中觀察另一個不同參考系里發(fā)生的物理事件時，總能感到時間延緩效應(3)日常生活中的時間延緩效應可以忽略不計，在運動速度接近光速時，則變得特別明顯例3微觀粒子的速度很高，它高速運動時的質量明顯大于靜止時的質量在研究制造回旋加速器時必須考慮相對論效應的影響如圖1所示，1988年中國第一座高能粒子加速器北京正負電子對撞機首次對撞成功在粒子對撞中，有一個電子經過高壓加速，速度達到光速的.試求此時電子的質量變?yōu)殪o止時質量的多少倍？圖1答案1.15倍解析設電子靜止時的質量為m0，根據(jù)愛因斯坦狹義相對論中高速運動時的質量與靜止質量的關系得m1.15m0.【考點】速度對質量的影響【題點】速度對質量的影響在相對物體靜止的參考系中測量，物體具有最小的質量m0(稱為靜止質量).在相對物體以速度v運動的慣性系中測量，物體的運動質量為m.由于v<c，所以m>m0，速度v越大，運動質量也越大.二、量子論的基本內容帶電物體所帶的電荷量能連續(xù)變化嗎？答案最小的電荷量是一個電子(或質子)所帶的電荷量，帶電體所帶的電荷量只能是一個電子(或質子)所帶電荷量的整數(shù)倍，故電荷量不能連續(xù)變化經典力學與相對論、量子理論的比較(1)區(qū)別狹義相對論經典力學適用于低速運動的物體；狹義相對論闡述物體在以接近光速運動時所遵循的規(guī)律量子力學經典力學適用于宏觀世界；量子力學能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律廣義相對論經典力學在弱引力的情況下與實驗結果符合得很好；愛因斯坦的廣義相對論能夠解釋強引力情況下的作用規(guī)律(2)聯(lián)系當物體的運動速度遠小于光速時，相對論物理學與經典物理學的結論沒有區(qū)別當另一個重要常量即“普朗克常量”可以忽略不計時，量子力學和經典力學的結論沒有區(qū)別相對論和量子力學并沒有否定經典力學，經典力學是二者在一定條件下的特殊情形例4關于經典力學、狹義相對論和量子力學，下列說法中正確的是()A狹義相對論和經典力學是相互對立、互不相容的兩種理論B經典力學包含于相對論之中，經典力學是相對論的特例C經典力學只適用于宏觀物體的運動，量子力學只適用于微觀粒子的運動D不論是宏觀物體，還是微觀粒子，經典力學和量子力學都是適用的答案B解析相對論沒有否定經典力學，經典力學是相對論在一定條件下的特殊情形，選項A錯誤，B正確經典力學適用于宏觀、低速、弱引力的領域，選項C、D錯誤【考點】經典力學、狹義相對論和量子力學的認識【題點】經典力學、狹義相對論和量子力學的認識1(對相對論的了解)關于經典物理學和相對論，下列說法正確的是()A經典物理學和相對論是各自獨立的學說，互不相容B相對論完全否定了經典物理學C相對論和經典物理學是兩種不同的學說，二者沒有聯(lián)系D經典物理學作為相對論在宏觀物體低速運動時的特例，在自己的適用范圍內仍然成立答案D解析經典力學是狹義相對論在低速(vc)條件下的近似，即只要速度遠小于光速，經過數(shù)學變換狹義相對論的公式就全部變化為牛頓經典力學的公式，故A錯誤；相對論并沒有否定經典力學，而是在其基礎上發(fā)展起來的，有各自成立范圍，故B、C錯誤；經典力學是狹義相對論在低速(vc)條件下的近似，因此經典力學包含于相對論之中，經典力學是相對論的特例，故D正確2(經典力學、量子力學和狹義相對論)下列說法中正確的是()A經典力學適用于任何情況下的任何物體B狹義相對論否定了經典力學C量子力學能夠描述微觀粒子運動的規(guī)律性D萬有引力定律也適用于強相互作用力答案C解析經典力學只適用于宏觀、低速、弱引力的情況，故A項錯誤；狹義相對論沒有否定經典力學，在宏觀低速情況下，相對論的結論與經典力學沒有區(qū)別，故B項錯誤；量子力學正確描述了微觀粒子運動的規(guī)律，故C項正確；萬有引力定律只適用于弱相互作用力，而對于強相互作用力是不適用的，故D項錯誤【考點】經典力學、狹義相對論和量子力學的認識【題點】經典力學、狹義相對論和量子力學的認識3(鐘慢效應)話說有兄弟倆個，哥哥乘坐宇宙飛船以接近光速的速度離開地球去遨游太空，經過一段時間返回地球，哥哥驚奇地發(fā)現(xiàn)弟弟比自己要蒼老許多，則該現(xiàn)象的科學解釋是()A哥哥在太空中發(fā)生了基因突變，停止生長了B弟弟思念哥哥而加速生長C由相對論可知，物體速度越大，其時間進程越慢，生理進程也越慢D這是神話，科學無法解釋答案C解析根據(jù)公式可知，物體的速度越大，其時間進程越慢4(尺縮效應)假設地面上有一列火車以接近光速的速度運行，其內站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車里的人，觀察的結果是()A這個人是一個矮胖子B這個人是一個瘦高個子C這個人矮但不胖D這個人瘦但不高答案D解析由公式ll0可知，在運動方向上，人的寬度要減小，在垂直于運動方向上，人的高度不變5(速度對質量的影響)真空中的光速為c3.0×108 m/s，如果一個物體的運動速度為v12.4×108 m/s時，質量為3 kg.當它的速度為1.8×108 m/s時，質量為多少？答案2.25 kg解析根據(jù)狹義相對論，m，由題意知m1，m2所以，所以m2m12.25 kg.8