相對(duì)論與量子論初步.ppt

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第6章相對(duì)論與量子論初步,課程標(biāo)準(zhǔn)及解讀：（1）初步了解經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀，知道相對(duì)論對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。,,在共同必修模塊中引入經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的比較，旨在為學(xué)生開啟了解近代物理的一些窗戶，讓學(xué)生了解近代物理的一些核心內(nèi)容，同時(shí)也讓學(xué)生了解經(jīng)典物理的一些局限性。愛因斯坦的相對(duì)論是近代物理的支柱之一，學(xué)生應(yīng)該了解相對(duì)論時(shí)空觀的主要思想，了解相對(duì)論對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響。本條目體現(xiàn)了經(jīng)典物理與近代物理的結(jié)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(diǎn)，體會(huì)量子論的建立深化了人類對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。,,在共同必修中引入量子論的一些思想，這有利于學(xué)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(xué)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(huì)量子論的建立是如何促進(jìn)人們認(rèn)識(shí)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(jié)合。,編者編寫意圖：,初步了解經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀的區(qū)別，知道相對(duì)論對(duì)人類認(rèn)識(shí)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(diǎn)。通過本章學(xué)習(xí)，體會(huì)理想實(shí)驗(yàn)、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(shí)；體會(huì)量子論的建立深化了人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，知道科學(xué)理論不是一成不變的，而是一個(gè)逐步完善的過程。,課程簡(jiǎn)介：,本章導(dǎo)入部分利用19和20世紀(jì)之交的物理學(xué)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(gè)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(xué)解釋邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果所產(chǎn)生的矛盾入手，按照物理學(xué)發(fā)展的歷程，引出愛因斯坦的兩個(gè)基本假設(shè)。通過形象生動(dòng)的畫面和通俗易懂的實(shí)例讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)狹義相對(duì)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(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的嚴(yán)重背離，闡述普朗克“量子假說”，初步認(rèn)識(shí)玻兒理論重要意義，同時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)光的粒子性和波動(dòng)性。通過實(shí)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(xué)習(xí)過程中，學(xué)生已經(jīng)對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的理論和成就有了一定的了解。但是，學(xué)生在共同必修模塊中，沒有接觸波動(dòng)學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等相關(guān)知識(shí)，學(xué)生對(duì)這些相關(guān)知識(shí)的了解還停留在初中極淺顯的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上。所以，在指導(dǎo)學(xué)生研習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)，要充分做好先行知識(shí)的組織，使學(xué)生通過對(duì)經(jīng)典時(shí)空觀的突破來了解相對(duì)論時(shí)空觀的主要思想。在教學(xué)活動(dòng)中要淡化愛因斯坦和相對(duì)論的神秘色彩，要使學(xué)生領(lǐng)會(huì)愛因斯坦在研究工作中表現(xiàn)出來的創(chuàng)新精神、所應(yīng)用的科學(xué)方法不是高不可攀的，我們是可以理解問題的。,二、教學(xué)目標(biāo)：,1、初步了解經(jīng)典時(shí)空觀被突破的過程和愛因斯坦構(gòu)建新理論的方法。從而了解相對(duì)論時(shí)空觀的主要思想，并根據(jù)相對(duì)論時(shí)空觀進(jìn)行公式推導(dǎo)，解釋相關(guān)的一些現(xiàn)象。2、認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的實(shí)用范圍和局限性，知道相對(duì)論對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響，體會(huì)科學(xué)研究方法和尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度對(duì)人們認(rèn)識(shí)自然的重要作用。,三、重點(diǎn)和難點(diǎn)：,重點(diǎn)：通過分析和討論，了解經(jīng)典物理時(shí)空觀的局限性及其與相對(duì)論時(shí)空觀之間的差異。難點(diǎn)：揭示出經(jīng)典時(shí)空觀與麥克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體的矛盾表現(xiàn)。,四、教學(xué)設(shè)計(jì)：,（一）導(dǎo)入新課1900年的4月27日，在英國(guó)倫敦皇家研究所舉行的科學(xué)報(bào)告會(huì)上，一位德高望重的老科學(xué)家開爾文作了一個(gè)演講，題目是《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云》。他的第一段話是這么說的：,,“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)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(gè)“烏云”的比喻后來被反復(fù)地引用。聯(lián)系到當(dāng)時(shí)人們對(duì)經(jīng)典物理學(xué)成就的樂觀情緒，許多時(shí)候這個(gè)表述又變成了“物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)：（1900年左右）：研究熱輻射的能量與溫度的關(guān)系。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的現(xiàn)象用當(dāng)時(shí)已有的物理學(xué)理論無法進(jìn)行合理的解釋。正是這兩朵的烏云，不久以后釀成了物理學(xué)中一場(chǎng)巨大的變革。我們先來看看物理學(xué)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(xué),1、高速世界的兩個(gè)基本原理經(jīng)典力學(xué)的研究表明所有的機(jī)械波都必須通過介質(zhì)才能傳播。麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論揭示了光就是電磁波。光既然是波，當(dāng)時(shí)人們自然要想：傳播光波的介質(zhì)是什么呢？當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家假定這種介質(zhì)叫做“以太”，整個(gè)宇宙空間都充滿了“以太”，認(rèn)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(dòng)理論，這種介質(zhì)的彈力又是極其大的，光波才會(huì)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?cè)陟o止的空氣中快速前進(jìn)，就會(huì)感覺到有風(fēng)迎面吹來，為什么？因?yàn)殡m然空氣相對(duì)于地面是靜止的，但空氣相對(duì)于我們正在前進(jìn)的人卻是運(yùn)動(dòng)的。地球是用30km/s的速度在宇宙中繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的，如果“以太”這種介質(zhì)充滿了宇宙，也必然會(huì)有30km/s的“以太風(fēng)”迎著地球吹來，我們能觀測(cè)到這種“以太”風(fēng)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(yùn)動(dòng)，設(shè)光在“以太”中的傳播速度為c，地球相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的速度為v，那么當(dāng)光的傳播方向與地球的運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，以地球?yàn)閰⒄瘴飼r(shí)，會(huì)測(cè)得光的速度是多大呢？u1=（c-v）,,當(dāng)光的傳播方向迎著地球的運(yùn)動(dòng)方向而來時(shí)，以地球?yàn)閼T性參照物又會(huì)測(cè)得光速為多大呢？生：應(yīng)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(gè)方向速度相同的規(guī)律，只有在用“以太”為慣性參照物時(shí)才是適用的，在用地球這類相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的物體做參照物時(shí)電磁波各個(gè)方向速度相同的規(guī)律就不適用了，就會(huì)導(dǎo)致“不同的慣性參照系中物理規(guī)律是不同的”這樣一個(gè)結(jié)論。,,美國(guó)物理學(xué)工作者邁克爾遜和莫雷在1881至1887年間在不斷提高實(shí)驗(yàn)精確度的過程中，反復(fù)做了同一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把儀器固定在地面上與地球一起運(yùn)動(dòng)，在光順著地球運(yùn)動(dòng)方向傳播、逆著地球運(yùn)動(dòng)方向傳播、以及光傳播方向與地球運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，不同情況下測(cè)量光速的差異。令人驚異的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：以地球?yàn)閼T性參照物時(shí)測(cè)得各個(gè)方向的光速?zèng)]有差異。這個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)后來物理學(xué)界把它叫做邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)。,,【板書】邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果：以地球?yàn)閼T性參照物時(shí)測(cè)得各個(gè)方向的光速?zèng)]有超出實(shí)驗(yàn)誤差范圍的明顯差異。這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與經(jīng)典的物理學(xué)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(xué)工作者對(duì)邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出了一些使人感到牽強(qiáng)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(duì)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?cè)恚涸谝磺袘T性系中，測(cè)量到的真空中的光速c都一樣。,2、時(shí)間延緩效應(yīng),問題：靜止的觀測(cè)者、順著光速方向運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者、逆著光速方向運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者，光相對(duì)于他們通過的位移是不同的，測(cè)量到的光速卻都是一樣的，這是為什么呢？生猜想：可否認(rèn)為不同的慣性參照系中測(cè)得的時(shí)間也是不相同的呢？觀測(cè)者測(cè)得光通過的距離較長(zhǎng)時(shí)，如果他測(cè)得的時(shí)間也較長(zhǎng)，則光速有可能是一樣的。師：愛因斯坦也正是這么想的。,2、時(shí)間延緩效應(yīng),討論：假定一輛列車以速度v相對(duì)于地面勻速運(yùn)動(dòng)，靜止在車廂里的人手持一個(gè)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(shè)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(cè)得的時(shí)間為⊿t則光速是多大呢？（參看教學(xué)資料上的插圖）,,這個(gè)關(guān)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(dǎo)出來的，但在愛因斯坦在相對(duì)論中作了更復(fù)雜、更充分的推導(dǎo)認(rèn)為它是一個(gè)對(duì)各種事件都普遍適用的公式。,,例題：有一個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)：在宇宙射線中會(huì)產(chǎn)生一種微觀粒子叫做μ子，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)算出它們靜止時(shí)的平均壽命（存在時(shí)間）是τ=2.210-6秒，按照經(jīng)典的時(shí)空觀（時(shí)間是孤立的，與慣性參照物無關(guān)），μ子以接近光的速度運(yùn)動(dòng)（v=0.998c）時(shí)，在這段時(shí)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(huì)消失，可是對(duì)宇宙射線的大量觀測(cè)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(dá)海平面，這是為什么呢？可以用相對(duì)論來解釋嗎？,,分析：假設(shè)有一輛列車和μ子一起速度v=0.998c運(yùn)動(dòng)，μ子相對(duì)于列車是靜止的。因此，以列車為慣性參照物，測(cè)得μ子的壽命就是μ子靜止時(shí)的壽命τ=2.210-6秒，而以地面做參照物時(shí)，μ子是運(yùn)動(dòng)的，地面上的鐘測(cè)得其壽命將是：在這段時(shí)間內(nèi)μ子能飛過的平均路程有：s=cτ=31083.4810-5=10.44km.,,相對(duì)于光速c而言，通常的運(yùn)動(dòng)物體（如飛機(jī)、火箭），其速度v都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速c，時(shí)間延緩效應(yīng)是可以忽略不計(jì)的。所以我們認(rèn)為當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀還是有效的，沒有必要徹底拋棄。只有在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)的時(shí)空觀才不再適用了?！景鍟拷?jīng)典物理學(xué)時(shí)空觀的局限性：只在低速（與光速相比較）條件下有效。,3、長(zhǎng)度收縮效應(yīng),愛因斯坦在相對(duì)論中通過推導(dǎo)得出了：運(yùn)動(dòng)慣性參照系上尺度縮短效應(yīng)注意：其實(shí)并不是車上尺子本身的長(zhǎng)度真的發(fā)生了收縮，這是由于相對(duì)論的時(shí)空關(guān)系導(dǎo)致的結(jié)果。,,例題：對(duì)于前面在時(shí)鐘延緩效應(yīng)中討論過的例題，也可以從相對(duì)論的尺縮效應(yīng)來看這個(gè)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(yùn)動(dòng)，所以以靜止的μ子測(cè)得運(yùn)動(dòng)的大氣層厚度只有：所以，μ子可以穿過大氣層到達(dá)海平面。,（三）小結(jié)：,五、案例心得,這個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)思想是在學(xué)生能夠理解的前提下，解析狹義相對(duì)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(shí)現(xiàn)的。教學(xué)設(shè)計(jì)突出了相對(duì)論構(gòu)建過程中問題與問題解決的分析，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)研究方法和尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度對(duì)人們認(rèn)識(shí)自然的重要作用。有利于淡化愛因斯坦及其相對(duì)論在學(xué)生心目中的神秘感，培養(yǎng)學(xué)生批判、創(chuàng)新的科學(xué)精神。案例中的例題對(duì)學(xué)生而言可能有一定的難度，可以改為由教師邊啟發(fā)學(xué)生思考，邊講解。,,在網(wǎng)絡(luò)搜索中分別輸入“物理學(xué)晴朗天空，漂浮著兩朵令人不安的烏云。”、“邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)”、“以太”、“相對(duì)性原理”、“光速不變?cè)怼?、“時(shí)間延緩效應(yīng)”、“尺度縮短效應(yīng)”等關(guān)鍵詞，可以從網(wǎng)上搜索到有關(guān)于相對(duì)論的知識(shí)信息，從中選擇一些合適的內(nèi)容作為學(xué)生的閱讀材料。,