2了解相對論(選學(xué))3初識量子論(選學(xué))[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道物體運動在接近光速時的現(xiàn)象，需要狹義相對論理論解釋；在引力很強的大尺度范圍時，遵循廣義相對論.2.知道狹義相對論中的尺縮效應(yīng)、鐘慢效應(yīng)及質(zhì)量隨運動速度增大而增大.知道經(jīng)典力學(xué)是相對論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(yīng)(1)運動長度l會收縮，即l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2)).(2)運動時鐘會變慢，即τ＝eq\f(τ0,\r(1－\f(v2,c2))).(3)物體質(zhì)量m隨速度v的增大而變大，其關(guān)系為m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2))).(4)質(zhì)量m和能量E之間存在著一個相互聯(lián)系的關(guān)系式：E＝mc2，稱為質(zhì)能關(guān)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(dāng)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(xué)與物理學(xué)相結(jié)合的典范.在廣義相對論中，時間、空間、物質(zhì)與運動是緊密地聯(lián)系在一起的.二、量子論的基本內(nèi)容1.量子論認(rèn)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.[即學(xué)即用]判斷下列說法的正誤.(1)質(zhì)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(zhì)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(xué)與經(jīng)典力學(xué)是一致的.(√)(4)光線經(jīng)過任何物體附近時都是沿直線傳播的.(×)一、了解相對論[導(dǎo)學(xué)探究]1.地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是3×104m/s，設(shè)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0.999999999987倍光速的速度，請思考：(1)地球的公轉(zhuǎn)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(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量增大了還是減小了？答案(1)地球公轉(zhuǎn)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(zhì)量比電子的靜止質(zhì)量增大了.2.在經(jīng)典力學(xué)和狹義相對論中，位移和時間的測量結(jié)果在不同的參考系中有何區(qū)別？答案在經(jīng)典力學(xué)中，同一過程的位移和時間的測量結(jié)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(jié)果在不同參考系中是不同的.[知識深化]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(dǎo)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(zhì)量的影響(1)在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)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(zhì)量隨速度的增大而增大，即m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))，其中m0是物體靜止時的質(zhì)量，m是物體速度為v時的質(zhì)量，c是真空中的光速.在高速運動時，質(zhì)量的測量結(jié)果是與運動狀態(tài)密切相關(guān)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(jīng)典力學(xué)規(guī)律來處理.對于高速運動問題，經(jīng)典力學(xué)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(guān)系經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為位移和時間的測量與參考系無關(guān)，相對論認(rèn)為，同一過程的位移和時間的測量與參考系有關(guān)，在不同的參考系中測量結(jié)果不同.例1在靜止坐標(biāo)系中的正立方體邊長為l0，另一坐標(biāo)系以相對速度v平行于立方體的一邊運動.問在后一坐標(biāo)系中的觀察者測得的立方體的體積是多少？答案leq\o\al(

3,0)eq\r(1－\f(v,c)2)解析本題中立方體相對于坐標(biāo)系以速度v運動，一條邊與運動方向平行，則坐標(biāo)系中觀察者測得該條邊的長度為l＝l0eq\r(1－\f(v,c)2)測得立方體的體積為V＝leq\o\al(

2,0)l＝leq\o\al(

3,0)eq\r(1－\f(v,c)2)物體靜止長度l0和運動長度l之間的關(guān)系為：l＝l0eq\r(1－\f(v2,c2))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(yīng)現(xiàn)象.(2)我們平常觀察不到這種長度收縮效應(yīng)，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(yīng)極不明顯，即使運動物體的速度達(dá)到v＝30000km/s(即0.1c)，長度收縮效應(yīng)也只不過是5%，因此，在低速運動中，v?c，l≈l0，長度收縮效應(yīng)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(jié)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(yuǎn)離自己，由τ＝eq\f(τ0,\r(1－\f(v2,c2)))知，在火箭A上的人觀察到的結(jié)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τ＝eq\f(τ0,\r(1－\f(v2,c2)))理解：(1)時間延緩效應(yīng)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(xué)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(yīng).(3)日常生活中的時間延緩效應(yīng)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電子的靜止質(zhì)量為me，加速后的電子相對實驗室的速度是eq\f(4,5)c(c為光速)，在實驗室中觀察到的加速后電子的質(zhì)量是多大？答案1.67me解析m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2)))＝eq\f(me,\r(1－\f(4c,5c)2))≈1.67me，即以eq\f(4,5)c運動的電子的質(zhì)量約是電子靜止質(zhì)量的1.67倍.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運動的慣性系中測量，物體的運動質(zhì)量為m＝eq\f(m0,\r(1－\f(v2,c2))).由于v<c，所以m>m0，速度v越大，運動質(zhì)量也越大.二、量子論的基本內(nèi)容[導(dǎo)學(xué)探究]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(zhì)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(zhì)子)所帶電荷量的整數(shù)倍，故電荷量不能連續(xù)變化.[知識深化]經(jīng)典力學(xué)與相對論、量子理論的比較1.區(qū)別狹義相對論經(jīng)典力學(xué)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(xué)經(jīng)典力學(xué)適用于宏觀世界；量子力學(xué)能夠正確描述微觀粒子的運動規(guī)律廣義相對論經(jīng)典力學(xué)在弱引力的情況下與實驗結(jié)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(1)當(dāng)物體的運動速度遠(yuǎn)小于光速時，相對論物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別.(2)當(dāng)另一個重要常數(shù)即“普朗克常量”可以忽略不計時，量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的結(jié)論沒有區(qū)別.(3)相對論和量子力學(xué)并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)是二者在一定條件下的特殊情形.1.(對相對論的了解)關(guān)于經(jīng)典物理學(xué)和相對論，下列說法正確的是()A.經(jīng)典物理學(xué)和相對論是各自獨立的學(xué)說，互不相容B.相對論完全否定了經(jīng)典物理學(xué)C.相對論和經(jīng)典物理學(xué)是兩種不同的學(xué)說，二者沒有聯(lián)系D.經(jīng)典物理學(xué)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(nèi)仍然成立答案D解析經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速(v?c)條件下的近似，即只要速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換狹義相對論的公式就全部變化為牛頓經(jīng)典力學(xué)的公式，故A錯誤；相對論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)，而是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有各自成立范圍，故B、C錯誤；經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速(v?c)條件下的近似，因此經(jīng)典力學(xué)包含于相對論之中，經(jīng)典力學(xué)是相對論的特例，故D正確.2.(鐘慢效應(yīng))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(jīng)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(xué)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(jìn)程越慢，生理進(jìn)程也越慢D.這是神話，科學(xué)無法解釋答案C解析根據(jù)公式τ＝eq\f(τ0,\r(1－\f(v,c)2))可知，