愛因斯坦心目中的宇宙 微觀世界與量子論1理解相對論時空觀，靈活運(yùn)用質(zhì)能關(guān)系分析解決問題(重點(diǎn)難點(diǎn))2理解光電效應(yīng)和光的波粒二象性，理解氫原子光譜(重點(diǎn))一、愛因斯坦的時空觀1同時的相對性“同時性”在慣性系中，在低速時是沒有疑問的，例如一列火車在做勻速直線運(yùn)動，在某車廂中的中點(diǎn)一個人點(diǎn)燃一支蠟燭他看到車廂前后兩壁是同時被照亮的，地面上的人也應(yīng)認(rèn)為前后壁都是被同時照亮的但有了光速不變原理時，情況就不一樣了，當(dāng)火車速度較大時，地面上的人將認(rèn)為光先到達(dá)后壁，而后到達(dá)前壁這就是“同時的相對性”2時空的相對性假如有一個事件p發(fā)生，在參考系a中的坐標(biāo)為(x，y，z)，發(fā)生的時間為t，在以速度v運(yùn)動的參考系b中的坐標(biāo)為(x，y，z)，發(fā)生的時間為t，則有變換公式：愛因斯坦的時空相對性揭示了時間、空間與物質(zhì)運(yùn)動存在著內(nèi)在的不可分割的聯(lián)系，并給出了它們之間的定量關(guān)系二、兩個奇特的效應(yīng)1長度收縮效應(yīng)物體靜止長度l0和運(yùn)動長度l之間的關(guān)系為：ll0上面的式子說明，相對于地面以速度v運(yùn)動的物體，從地面上看，沿著運(yùn)動方向上的長度變短了，速度越大，變短得越多2時間延緩效應(yīng)t上面的式子具有普遍意義，當(dāng)從地面觀察以速度v前進(jìn)的火車時，車上的時間進(jìn)程變慢了，不僅時間變慢了，物理、化學(xué)過程和生命的過程都變慢了，但車上的人都沒有這種感覺，他們反而認(rèn)為地面上的時間進(jìn)程變慢了三、愛因斯坦的質(zhì)速公式經(jīng)過嚴(yán)格的證明，物體有靜止質(zhì)量m0和運(yùn)動的質(zhì)量m，它們之間有如下關(guān)系：m 從上式可以看出，當(dāng)物體(一般是粒子)的速度很大時，其運(yùn)動時的質(zhì)量明顯大于靜止時的質(zhì)量四、質(zhì)能關(guān)系按照相對論和基本力學(xué)定律可推出質(zhì)量和能量具有如下關(guān)系：emc2這就是著名的質(zhì)能關(guān)系如果用m表示物體質(zhì)量的變化，e表示能量的變化，那么它們的關(guān)系可以表示為emc2該式表示，隨著一個物體質(zhì)量的減小，會釋放一定的能量；與此同時，另一個物體吸收了能量，質(zhì)量也會增大五、光電效應(yīng)1定義：當(dāng)可見光和其他電磁輻射照射到金屬表面上時，能從金屬表面打出電子，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，而被打出的電子叫做光電子2光子說概述：愛因斯坦于1905年提出光子說光在空間的傳播是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，一個光子的能量為eh，為光的頻率，普朗克常量h6631034 js光子具有動量和能量3光的波粒二象性：光既是電磁波，又具有粒子的特征，即光具有波粒二象性一切輻射(電磁波和熱輻射)都具有波粒二象性六、連續(xù)光譜與線光譜1連續(xù)光譜(1)形式：連續(xù)分布著的包含著從紅光到紫光的各種色光的光譜(2)產(chǎn)生：灼熱的固體及液體和高壓氣體直接發(fā)光時形成連續(xù)光譜2線狀光譜(分為明線光譜和吸收光譜)(1)形式：明線光譜由一些不連續(xù)的亮線組成，吸收光譜是在連續(xù)光譜的背景上分布著若干條暗線(2)產(chǎn)生：由稀薄氣體通電后發(fā)光產(chǎn)生的，觀察稀薄氣體放電后發(fā)光的光譜的實(shí)驗(yàn)中需要用光譜管和分光鏡當(dāng)白光通過氣體時，才形成吸收光譜(暗線光譜)(3)原子光譜：某種元素的原子發(fā)出的分立的線狀譜叫原子光譜七、實(shí)物粒子與波德布羅意理論指出，每個物質(zhì)粒子都伴隨著一種波，這種波稱為物質(zhì)波，又稱為德布羅意波相對論時空觀的理解1對長度收縮效應(yīng)的理解可以想象這樣一幅圖景：一列火車以接近光的速度從我們身邊飛馳而過，我們感到車廂變短了，車窗變窄了火車越快，這個現(xiàn)象越明顯，但是車廂和車窗的高度都沒有變化車上的人有什么感覺呢？他認(rèn)為車上的一切和往常一樣，因?yàn)樗突疖囀窍鄬o止的但是，他卻認(rèn)為地面上的景象有些異常：沿線的電線桿間的距離變短了，面對鐵路線的正方形布告牌由于寬度變小而高度未變竟成了窄而高的矩形2對時間延緩效應(yīng)的理解時間延緩效應(yīng)也叫鐘慢效應(yīng)一個相對于我們做高速運(yùn)動的慣性系中發(fā)生的物理過程，在我們看來，它所經(jīng)歷的時間比在這個慣性系中直接觀察到的時間長對于化學(xué)反應(yīng)、生命過程等這一結(jié)論也是正確的根據(jù)同樣道理，設(shè)一對孿生子，一人停在地面上，另一人乘飛船飛行，當(dāng)回到地面時，兩人站在一起，后者比前者年輕，這稱作孿生子效應(yīng)3對質(zhì)速關(guān)系的理解在相對物體靜止的參考系中測量，物體具有最小的質(zhì)量m0(稱為靜止質(zhì)量)，在相對物體以速度v運(yùn)動的慣性系中測量，物體的運(yùn)動質(zhì)量為m由于vm0，速度v越大，運(yùn)動質(zhì)量也越大4對質(zhì)能關(guān)系的理解質(zhì)量和能量是物體不可分離的屬性，其關(guān)系式為emc2一個靜止質(zhì)量為m0的物體，在相對它靜止的參考系中測量其質(zhì)量為m0，能量為em0c2，該能量稱為物體的靜能量當(dāng)物體的質(zhì)量減少時，它會釋放出一定的能量；反之，當(dāng)物體吸收能量后，它會增加一定的質(zhì)量不過，要使物體的質(zhì)量發(fā)生變化并非易事，人類現(xiàn)在已經(jīng)找到了引發(fā)物體質(zhì)量發(fā)生變化的方法核裂變和核聚變原子能發(fā)電站、原子彈和氫彈便是核反應(yīng)能量釋放的實(shí)際應(yīng)用根據(jù)質(zhì)能關(guān)系式，當(dāng)物體有m的質(zhì)量發(fā)生變化時，一定伴隨著有e的能量變化，其關(guān)系式為emc2和平利用原子能這一新能源，正是當(dāng)前全世界人民所期盼的在一個飛船上測得船的長度為100 m，高度為10 m，當(dāng)飛船以060c的速度從你身邊經(jīng)過時，按你的測量，飛船的高度和長度各為多少？解題探究 (1)公式ll 中各符號的意義是什么？(2)長度收縮發(fā)生在哪個方向？解析因?yàn)殚L度收縮只發(fā)生在運(yùn)動的方向上，在垂直于運(yùn)動的方向上的長度沒有這種效應(yīng)，故飛船的高度仍為10 m，若測得飛船的長度為l，由長度收縮效應(yīng)知ll0 100 m80 m答案10 m80 m時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)的應(yīng)用方法(1)明確時間間隔的相對性公式中各量的含義，t是在“靜止的參考系”(通常將觀察者所在的參考系看成是靜止的)中測得的時間差，t是在相對于“靜止參考系”為v的“運(yùn)動參考系”中測得的時間差(2)“鐘慢效應(yīng)”或“動鐘變慢”是兩個不同慣性系進(jìn)行時間比較的一種效應(yīng)，不要認(rèn)為是時鐘的結(jié)構(gòu)或精度因運(yùn)動而發(fā)生了變化(3)運(yùn)動時鐘變慢完全是相對的，在兩個慣性參考系中的觀測者都將發(fā)現(xiàn)對方的鐘變慢了 一個電子運(yùn)動的速度為v08c，它的質(zhì)量測量值m是靜止質(zhì)量m0的()a08倍b06倍c125倍 d17倍解析：選d根據(jù)質(zhì)速關(guān)系m，有17，即選項(xiàng)d正確量子化現(xiàn)象分析1光電效應(yīng)(1)在光的照射下從物體表面發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)發(fā)射出的電子叫光電子(2)演示實(shí)驗(yàn)如圖所示2光電效應(yīng)規(guī)律(1)瞬時性(109 s)：從光照到發(fā)射電子幾乎是同時的(2)任何金屬都存在一個極限頻率，只有入射極限時才能發(fā)生光電效應(yīng)(3)逸出光電子的最大初動能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射的增大而增大(4)在入射光頻率不變時，入射光強(qiáng)度增加，光電流增大，飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比3愛因斯坦光子說：光是由一個個光子構(gòu)成，每個光子能量：eh，h為普朗克常量光電效應(yīng)方程：ekhw逸當(dāng)剛好能發(fā)生光電效應(yīng)時：h0w逸，0為極限頻率，不同的金屬材料，w逸不同，0也不同不變時，增大i入射，光子數(shù)增多，光電子數(shù)增多，光電流越大4光的波粒二象性和物質(zhì)波(1)光的波動性：(2)光的粒子性：eh當(dāng)較大時，e較大，粒子性顯著，當(dāng)較小時，較大，波動性顯著(3)物質(zhì)波：一切微觀粒子都具有波粒二象性，它的波長與它的動量之間的關(guān)系是，宏觀物體也具有波動性，只是波長太小很難觀察到，實(shí)物粒子波又叫物質(zhì)波或德布羅意波5原子光譜原子光譜分為(1)發(fā)射光譜：由發(fā)光物體直接產(chǎn)生的光譜發(fā)射光譜又分為連續(xù)光譜和明線光譜(2)吸收光譜：高溫物體發(fā)出的白光通過物質(zhì)時，某些波長的光被物質(zhì)吸收而形成的，其特點(diǎn)是在連續(xù)光譜的背景上，由一些不連續(xù)的暗線組成例如，太陽光中的連續(xù)譜線中有許多暗線，它們對應(yīng)著某些元素的特征譜線，產(chǎn)生這些暗線是由于太陽表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素這些元素把太陽光譜中相應(yīng)波長的光吸收了，會在太陽光的連續(xù)譜線中留下暗線一束單色光照射到某金屬表面上時發(fā)生了光電效應(yīng)，若保持入射光的顏色不變，而將入射光的強(qiáng)度減弱，那么()a從光照至金屬表面到發(fā)射光電子的時間間隔明顯增加b金屬表面逸出光電子的最大初動能將減小c單位時間從金屬表面逸出的光電子數(shù)將減少d當(dāng)光的強(qiáng)度減弱到某一數(shù)值時就沒有光電子逸出解析入射光的強(qiáng)度取決于入射光子數(shù)，強(qiáng)度減弱，即單位時間內(nèi)的入射光子數(shù)減少；能否發(fā)生光電效應(yīng)，要看入射光的頻率是否大于金屬的極限頻率，由于入射光顏色不變、頻率不變，可見仍能發(fā)生光電效應(yīng)，發(fā)生光電效應(yīng)時，光電子的產(chǎn)生幾乎都是瞬時的，與入射光強(qiáng)度無關(guān)，故a、d錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，逸出光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān)，跟入射光的強(qiáng)度無關(guān)，所以b也錯誤；由于逸出光電子與入射光子的一對一的關(guān)系，當(dāng)光強(qiáng)減弱時，單位時間入射光子數(shù)減少，因此單位的時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)也將減少答案c(1)光電效應(yīng)就是在光的照射下，從金屬板上打出電子的現(xiàn)象，發(fā)生光電效應(yīng)的條件必須是入射光的頻率大于金屬板的極限頻率 (2)發(fā)生光電效應(yīng)時，如果入射光的強(qiáng)度變大，就表示入射光單位時間通過垂直光的傳播方向單位面積內(nèi)光的能量變大，也就是單位時間內(nèi)的光子數(shù)量增多，從而使單位時間內(nèi)從金屬上打出來的電子數(shù)量增多，因此單位時間內(nèi)的光電子個數(shù)與單位時間內(nèi)入射光的光子個數(shù)成正比【通關(guān)練習(xí)】1(多選)研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則下列說法中正確的是()a用紫外光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)b用紅色光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)c鋅板帶的是負(fù)電荷d使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷解析：選ad將擦的很亮的鋅板連接在驗(yàn)電器上，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗(yàn)電器指針張開一個角度，說明鋅板帶了電，進(jìn)一步研究表明鋅板帶正電這說明在紫外光的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出來，鋅板中缺少電子，于是帶了正電，a、d選項(xiàng)正確，c錯誤；紅光不一定能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，故b錯2氦氖激光器發(fā)射波長為6 328 (11010 m)的單色光，試計算這種光的一個光子的能量為多少？若該激光器的發(fā)光功率為18 mw，則每秒鐘發(fā)射多少個光子？(h6631034 js)解析：光子能量h，而c，所以 j3141019 j；因?yàn)榘l(fā)光功率已知，所以1 s內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)為n 個5731016 個答案：3141019 j5731016 個隨堂檢測1相對論告訴我們，物體運(yùn)動時的質(zhì)量與其靜止時的質(zhì)量相比()a運(yùn)動時的質(zhì)量比靜止時的質(zhì)量大b運(yùn)動時的質(zhì)量比靜止時的質(zhì)量小c運(yùn)動時的質(zhì)量與靜止時的質(zhì)量相等d是兩個不同的概念無法比較解析：選a由公式m可知，物體運(yùn)動時的質(zhì)量比靜止時的質(zhì)量大2愛因斯坦提出了質(zhì)能方程，揭示了質(zhì)量與能量的關(guān)系，關(guān)于質(zhì)能方程，下列說法正確的是()a質(zhì)量就是能量b當(dāng)物體向外釋放能量時，其質(zhì)量必定減少，且減少的質(zhì)量m與釋放的能量e滿足emc2c如果物體的能量增加了e，那么它的質(zhì)量相應(yīng)減少了m，并且emc2dmc2是物體能夠放出能量的總和解析：選b由質(zhì)能方程可知，能量與質(zhì)量之間存在著一種對應(yīng)關(guān)系，而不能認(rèn)為質(zhì)量就是能量或能量就是質(zhì)量，能量與質(zhì)量是兩個不同的概念，因此本題正確答案為b3愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎某種金屬逸出光電子的最大初動能ekm與入射光頻率的關(guān)系如圖所示，其中0為極限頻率從圖中可以確定的是()a逸出功與有關(guān)bekm與入射光強(qiáng)度成正比c當(dāng)0時，會逸出光電子d圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān)解析：選d由愛因斯坦的光電效應(yīng)方程hekmw得：ekmhw，因此wkm圖像的斜率為h，故d對；ekm隨入射光頻率的增大而增大，b錯；逸出功是由金屬自身決定的，與無關(guān)，a錯當(dāng)0，無光電子逸出，c錯4a、b、c是三個完全相同的時鐘，a放在地面上，b、c分別放在兩個火箭上，以速度vb、vc朝同一方向飛行，且vbvc地面上的觀察者認(rèn)為哪個時鐘走得最慢？哪個走得最快？解析：地面上的觀察者認(rèn)為c鐘走得最慢，因?yàn)樗鄬τ^察者的速度最大根據(jù)公式t可知，相對于觀察者的速度v越大，其時間進(jìn)程越慢地面時鐘v0，它所記錄的兩個事件的時間間隔最大，即地面時鐘走得最快答案：c鐘走得最慢a鐘走得最快課時作業(yè)學(xué)生用書p129(單獨(dú)成冊)一、單項(xiàng)選擇題1關(guān)于光的波粒二象性，下列說法中正確的是()a有的光是波，有的光是粒子b光子與電子是同樣的粒子c光的波長越長，其波動性越明顯，波長越短，其粒子性越明顯d光子說和波動說是相互對立、互不聯(lián)系的兩種學(xué)說解析：選c光既具有波的性質(zhì)，又具有粒子的性質(zhì)，這兩個性質(zhì)都是光同時具有的，而且光的波長越長，其波動性越明顯，波長越短，其粒子性越明顯2日常生活中我們并沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量隨著物體運(yùn)動速度的變化而變化，其原因是()a運(yùn)動中物體無法稱量質(zhì)量b物體的速度遠(yuǎn)小于光速，質(zhì)量變化極小c物體的質(zhì)量太大d物體的質(zhì)量不隨速度的變化而變化解析：選b我們?nèi)粘Ｉ钪形矬w的速度遠(yuǎn)小于光速，物體的質(zhì)量隨著速度的變化量極小，可以認(rèn)為物體的質(zhì)量沒有變化，此時經(jīng)典力學(xué)仍然成立3假設(shè)地面上有一列火車以接近光速的速度運(yùn)行，其內(nèi)站立著一個中等身材的人，站在路旁的人觀察車?yán)锏娜?，觀察的結(jié)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這個人瘦但不高解析：選d由公式ll0可知，在運(yùn)動方向上，人的寬度要減小，在垂直于運(yùn)動方向上，人的高度不變4氦氖激光器發(fā)出的波長為633 nm的激光，當(dāng)激光器的輸出功率為1 mw時，每秒發(fā)出的光子個數(shù)約為(1 nm109 m)()a221015b321015c221014 d321014解析：選b由題意知，時間t內(nèi)激光器因發(fā)光釋放的能量ept這些能量以光子的形式釋放出來，一個光子的能量eh，則釋放光子的個數(shù)n，把t1 s代入上式解得n321015個，故b正確5如圖所示，有兩個走時很準(zhǔn)的時鐘，一個在高速行駛的汽車上(假設(shè)接近光速)，另一個在公路的一側(cè)，當(dāng)汽車在經(jīng)過路邊的時鐘時，下列說法中正確的是()a車上的人觀察到地上的時鐘走得快b車上的人觀察到車上的時鐘走得快c地上的人觀察到車上的時鐘走得快d地上的人觀察到兩時鐘走得一樣快解析：選b對車上的人而言，地上的時鐘是運(yùn)動的，根據(jù)運(yùn)動時鐘延緩這一結(jié)論，車上的時鐘走得快同理，對地上的人而言，車上的時鐘走得慢6下表給出一些金屬材料的逸出功材料銫鈣鎂鈹鈦逸出功(1019 j)3043596266現(xiàn)用波長為400 nm的單色光照射上述材料，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的材料最多有幾種(普朗克常量h6621034 js，光速為c300108 m/s)()a2種 b3種c4種 d5種解析：選a由公式ehh6621034 j49651019 j故大于銫、鈣的逸出功，選項(xiàng)a正確二、多項(xiàng)選擇題7光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，下列表述正確的是()a光照時間越長光電流越大b入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流c遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)d入射光頻率大于極限頻率才能產(chǎn)生光電子解析：選cd由愛因斯坦光電效應(yīng)方程知，只有當(dāng)入射光頻率大于極限頻率時才能產(chǎn)生光電子，光電流幾乎是瞬時產(chǎn)生的，其大小與光強(qiáng)有關(guān)，與光照時間長短無關(guān)，易知eucekhw0(其中uc為遏止電壓，ek為光電子的最大初動能，w0為逸出功，為入射光頻率)由以上分析知，a、b錯誤，c、d正確8下列說法中正確的是()a一條桿的長度不會因?yàn)橛^察者是否與桿做相對運(yùn)動而不同，這是經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)b一條沿自身長度方向運(yùn)動的桿，其長度總比桿靜止時的長度小c一條桿的長度靜止時為l，不管桿如何運(yùn)動，桿的長度均小于ld如果兩條平行的桿在沿自己的長度方向上做相對運(yùn)動，與它們一起運(yùn)動的兩位觀察者都會認(rèn)為對方的桿縮短了解析：選abd經(jīng)典理論認(rèn)為，物體的長度與速度無關(guān)，選項(xiàng)a正確；根據(jù)相對論理論，由公式ll0可知，當(dāng)桿沿自身長度方向運(yùn)動時，長度要比靜止時的要短，選項(xiàng)b、d正確，c錯誤9聯(lián)合國將2005年定為“國際物理年”，以紀(jì)念愛因斯坦對物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程emc2，以下說法中正確的是()aemc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比bemc2中的e是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能c根據(jù)emc2可以計算核反應(yīng)中釋放的核能demc2表示發(fā)生的質(zhì)量虧損m轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰縠釋放出來解析：選ac愛因斯坦質(zhì)能方程emc2表明物體具有