相對論與量子論初步.ppt

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第6章相對論與量子論初步,課程標準及解讀：（1）初步了解經(jīng)典時空觀和相對論時空觀，知道相對論對人類認識世界的影響。,,在共同必修模塊中引入經(jīng)典時空觀與相對論時空觀的比較，旨在為學生開啟了解近代物理的一些窗戶，讓學生了解近代物理的一些核心內(nèi)容，同時也讓學生了解經(jīng)典物理的一些局限性。愛因斯坦的相對論是近代物理的支柱之一，學生應該了解相對論時空觀的主要思想，了解相對論對人類認識世界的影響。本條目體現(xiàn)了經(jīng)典物理與近代物理的結合。,,（2）初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點，體會量子論的建立深化了人類對于物質(zhì)世界的認識。,,在共同必修中引入量子論的一些思想，這有利于學生了解與宏觀世界有區(qū)別的微觀世界，了解近代物理的另一支柱——微觀世界的量子論。本條目要求學生初步了解微觀世界的量子化現(xiàn)象，知道微觀世界的能量變化與宏觀世界的能量變化不同，即不是連續(xù)的，而是量子化的。體會量子論的建立是如何促進人們認識物質(zhì)世界的。本條目也體現(xiàn)了經(jīng)典物理與近代物理的結合。,編者編寫意圖：,初步了解經(jīng)典時空觀和相對論時空觀的區(qū)別，知道相對論對人類認識世界的影響。初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點。通過本章學習，體會理想實驗、物理模型等研究方法的重要作用，發(fā)展想象能力，培養(yǎng)敢于質(zhì)疑的精神和創(chuàng)新的意識；體會量子論的建立深化了人類對物質(zhì)世界的認識，知道科學理論不是一成不變的，而是一個逐步完善的過程。,課程簡介：,本章導入部分利用19和20世紀之交的物理學天空中的“兩朵烏云”，向?qū)W生展示完全不同于我們熟悉的低速宏觀世界的另一個嶄新的:世界高速世界和量子世界。,,第一節(jié)高速世界，從經(jīng)典力學解釋邁克爾遜—莫雷實驗結果所產(chǎn)生的矛盾入手，按照物理學發(fā)展的歷程，引出愛因斯坦的兩個基本假設。通過形象生動的畫面和通俗易懂的實例讓學生初步認識狹義相對論。第二節(jié)量子世界，從熱輻射規(guī)律入手，揭示經(jīng)典物理學理論與實驗結果的嚴重背離，闡述普朗克“量子假說”，初步認識玻兒理論重要意義，同時讓學生認識光的粒子性和波動性。通過實例初步了解微觀世界量子假說。,第1節(jié)高速世界,一、內(nèi)容與地位：在此之前的學習過程中，學生已經(jīng)對經(jīng)典物理學的理論和成就有了一定的了解。但是，學生在共同必修模塊中，沒有接觸波動學、電磁學、光學等相關知識，學生對這些相關知識的了解還停留在初中極淺顯的認識基礎上。所以，在指導學生研習這部分內(nèi)容時，要充分做好先行知識的組織，使學生通過對經(jīng)典時空觀的突破來了解相對論時空觀的主要思想。在教學活動中要淡化愛因斯坦和相對論的神秘色彩，要使學生領會愛因斯坦在研究工作中表現(xiàn)出來的創(chuàng)新精神、所應用的科學方法不是高不可攀的，我們是可以理解問題的。,二、教學目標：,1、初步了解經(jīng)典時空觀被突破的過程和愛因斯坦構建新理論的方法。從而了解相對論時空觀的主要思想，并根據(jù)相對論時空觀進行公式推導，解釋相關的一些現(xiàn)象。2、認識經(jīng)典力學的實用范圍和局限性，知道相對論對人類認識世界的影響，體會科學研究方法和尊重實驗事實的科學態(tài)度對人們認識自然的重要作用。,三、重點和難點：,重點：通過分析和討論，了解經(jīng)典物理時空觀的局限性及其與相對論時空觀之間的差異。難點：揭示出經(jīng)典時空觀與麥克爾遜—莫雷實驗結果具體的矛盾表現(xiàn)。,四、教學設計：,（一）導入新課1900年的4月27日，在英國倫敦皇家研究所舉行的科學報告會上，一位德高望重的老科學家開爾文作了一個演講，題目是《在熱和光動力理論上空的19世紀烏云》。他的第一段話是這么說的：,,“動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……”(‘Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.’),,這個“烏云”的比喻后來被反復地引用。聯(lián)系到當時人們對經(jīng)典物理學成就的樂觀情緒，許多時候這個表述又變成了“物理學晴朗天空的遠處，漂浮著兩朵小小的令人不安的烏云?！?,這兩朵“烏云”是：1、【板書】邁克爾遜—莫雷實驗（1881年—1887年間）：研究光沿不同方向傳播速度的差異。2、【板書】熱輻射實驗：（1900年左右）：研究熱輻射的能量與溫度的關系。這兩個實驗所觀測到的現(xiàn)象用當時已有的物理學理論無法進行合理的解釋。正是這兩朵的烏云，不久以后釀成了物理學中一場巨大的變革。我們先來看看物理學的天空中這令人不安的第一朵“烏云”：光沿不同方向傳播的速度是否相同？,（二）新課教學,1、高速世界的兩個基本原理經(jīng)典力學的研究表明所有的機械波都必須通過介質(zhì)才能傳播。麥克斯韋的電磁場理論揭示了光就是電磁波。光既然是波，當時人們自然要想：傳播光波的介質(zhì)是什么呢？當時的物理學家假定這種介質(zhì)叫做“以太”，整個宇宙空間都充滿了“以太”，認為“以太”是非常稀薄，密度極小的、完全透明的、難以感覺到的介質(zhì)。按照經(jīng)典的波動理論，這種介質(zhì)的彈力又是極其大的，光波才會在里面有如此巨大的傳播速度。是一種使人感到奇怪的介質(zhì)。,,思考：如果我們在靜止的空氣中快速前進，就會感覺到有風迎面吹來，為什么？因為雖然空氣相對于地面是靜止的，但空氣相對于我們正在前進的人卻是運動的。地球是用30km/s的速度在宇宙中繞太陽運動的，如果“以太”這種介質(zhì)充滿了宇宙，也必然會有30km/s的“以太風”迎著地球吹來，我們能觀測到這種“以太”風嗎？,,,問題：宇宙中充滿了傳播光的介質(zhì)“以太”，地球又在宇宙中運動，設光在“以太”中的傳播速度為c，地球相對于“以太”運動的速度為v，那么當光的傳播方向與地球的運動方向相同時，以地球為參照物時，會測得光的速度是多大呢？u1=（c-v）,,當光的傳播方向迎著地球的運動方向而來時，以地球為慣性參照物又會測得光速為多大呢？生：應該是u2=（c+v）,,如果以地球做慣性參照物，不同方向的光（電磁波）的速度的確有不同的話，就說明麥克斯韋理論描述的電磁波各個方向速度相同的規(guī)律，只有在用“以太”為慣性參照物時才是適用的，在用地球這類相對于“以太”運動的物體做參照物時電磁波各個方向速度相同的規(guī)律就不適用了，就會導致“不同的慣性參照系中物理規(guī)律是不同的”這樣一個結論。,,美國物理學工作者邁克爾遜和莫雷在1881至1887年間在不斷提高實驗精確度的過程中，反復做了同一個實驗：把儀器固定在地面上與地球一起運動，在光順著地球運動方向傳播、逆著地球運動方向傳播、以及光傳播方向與地球運動方向垂直時，不同情況下測量光速的差異。令人驚異的實驗結果是：以地球為慣性參照物時測得各個方向的光速沒有差異。這個著名的實驗后來物理學界把它叫做邁克爾遜—莫雷實驗。,,【板書】邁克爾遜—莫雷實驗結果：以地球為慣性參照物時測得各個方向的光速沒有超出實驗誤差范圍的明顯差異。這樣的實驗結果，與經(jīng)典的物理學理論產(chǎn)生了難以調(diào)和的矛盾，令人感到不安。怎么辦？許多物理學工作者對邁克爾遜—莫雷實驗的結果提出了一些使人感到牽強的解釋，無法從根本上解決問題。比如“‘以太’牽引說”、“洛侖茲收縮說”等。,,愛因斯坦的辦法：于1905年寫了一篇論文提出了他的想法：1、相對性原理：物理規(guī)律在一切慣性參照系中都具有相同的形式。2、光速不變原理：在一切慣性系中，測量到的真空中的光速c都一樣。,2、時間延緩效應,問題：靜止的觀測者、順著光速方向運動的觀測者、逆著光速方向運動的觀測者，光相對于他們通過的位移是不同的，測量到的光速卻都是一樣的，這是為什么呢？生猜想：可否認為不同的慣性參照系中測得的時間也是不相同的呢？觀測者測得光通過的距離較長時，如果他測得的時間也較長，則光速有可能是一樣的。師：愛因斯坦也正是這么想的。,2、時間延緩效應,討論：假定一輛列車以速度v相對于地面勻速運動，靜止在車廂里的人手持一個光源，從車廂的地板豎直向上將一束光射向頂部的一面反射鏡，然后又反射回車廂的地板。設車廂中的頂部和地板之間的高度為d，則在車廂中以車廂為慣性參照物的觀察者看來，“光在空中來回”的過程中，所測得的時間為⊿t則光速是多大呢？（參看教學資料上的插圖）,,這個關系式很重要，我們雖然是從“光在空中來回”這一特殊事件中推導出來的，但在愛因斯坦在相對論中作了更復雜、更充分的推導認為它是一個對各種事件都普遍適用的公式。,,例題：有一個實驗事實：在宇宙射線中會產(chǎn)生一種微觀粒子叫做μ子，在實驗室中測算出它們靜止時的平均壽命（存在時間）是τ=2.210-6秒，按照經(jīng)典的時空觀（時間是孤立的，與慣性參照物無關），μ子以接近光的速度運動（v=0.998c）時，在這段時間內(nèi)μ子能飛過的平均路程只有：s=cτ=31082.210-6=660m，然后μ子就會消失，可是對宇宙射線的大量觀測卻發(fā)現(xiàn)，大部分高速μ子能夠從約10km的高空大氣層到達海平面，這是為什么呢？可以用相對論來解釋嗎？,,分析：假設有一輛列車和μ子一起速度v=0.998c運動，μ子相對于列車是靜止的。因此，以列車為慣性參照物，測得μ子的壽命就是μ子靜止時的壽命τ=2.210-6秒，而以地面做參照物時，μ子是運動的，地面上的鐘測得其壽命將是：在這段時間內(nèi)μ子能飛過的平均路程有：s=cτ=31083.4810-5=10.44km.,,相對于光速c而言，通常的運動物體（如飛機、火箭），其速度v都遠遠小于光速c，時間延緩效應是可以忽略不計的。所以我們認為當物體的速度遠遠小于光速時，經(jīng)典物理學的時空觀還是有效的，沒有必要徹底拋棄。只有在物體高速運動時，經(jīng)典物理學的時空觀才不再適用了。【板書】經(jīng)典物理學時空觀的局限性：只在低速（與光速相比較）條件下有效。,3、長度收縮效應,愛因斯坦在相對論中通過推導得出了：運動慣性參照系上尺度縮短效應注意：其實并不是車上尺子本身的長度真的發(fā)生了收縮，這是由于相對論的時空關系導致的結果。,,例題：對于前面在時鐘延緩效應中討論過的例題，也可以從相對論的尺縮效應來看這個問題：被μ子穿越的大氣層厚度約是10.44km，但如果以μ子為慣性參照物，則μ子是靜止的，大氣層在以v=0.998c的速度向μ子運動，所以以靜止的μ子測得運動的大氣層厚度只有：所以，μ子可以穿過大氣層到達海平面。,（三）小結：,五、案例心得,這個教學設計思想是在學生能夠理解的前提下，解析狹義相對論基本思想的來龍去脈，這種做法是有必要而且也是可能實現(xiàn)的。教學設計突出了相對論構建過程中問題與問題解決的分析，讓學生體會到科學研究方法和尊重實驗事實的科學態(tài)度對人們認識自然的重要作用。有利于淡化愛因斯坦及其相對論在學生心目中的神秘感，培養(yǎng)學生批判、創(chuàng)新的科學精神。案例中的例題對學生而言可能有一定的難度，可以改為由教師邊啟發(fā)學生思考，邊講解。,,在網(wǎng)絡搜索中分別輸入“物理學晴朗天空，漂浮著兩朵令人不安的烏云?！薄ⅰ斑~克爾遜—莫雷實驗”、“以太”、“相對性原理”、“光速不變原理”、“時間延緩效應”、“尺度縮短效應”等關鍵詞，可以從網(wǎng)上搜索到有關于相對論的知識信息，從中選擇一些合適的內(nèi)容作為學生的閱讀材料。,