相对论与量子论初步.ppt

第第6章章 相对论与量子论初步相对论与量子论初步n课程标准及解读：n（1）初步了解经典时空观和相对论时空观，知道相对论对人类认识世界的影响。n在共同必修模块中引入经典时空观与相对论时空在共同必修模块中引入经典时空观与相对论时空观的比较，旨在为学生开启了解近代物理的一些观的比较，旨在为学生开启了解近代物理的一些窗户，让学生了解近代物理的一些核心内容，同窗户，让学生了解近代物理的一些核心内容，同时也让学生了解经典物理的一些局限性。时也让学生了解经典物理的一些局限性。n爱因斯坦的相对论是近代物理的支柱之一，学生爱因斯坦的相对论是近代物理的支柱之一，学生应该了解相对论时空观的主要思想，了解相对论应该了解相对论时空观的主要思想，了解相对论对人类认识世界的影响。本条目体现了经典物理对人类认识世界的影响。本条目体现了经典物理与近代物理的结合。与近代物理的结合。n（2）初初步步了了解解微微观观世世界界中中的的量量子子化化现现象象，知知道道宏宏观观物物体体和和微微观观粒粒子子的的能能量量变变化化特特点点，体体会会量量子子论论的的建建立立深化了人类对于物质世界的认识。深化了人类对于物质世界的认识。n在在共共同同必必修修中中引引入入量量子子论论的的一一些些思思想想，这这有有利利于于学学生生了了解解与与宏宏观观世世界界有有区区别别的的微微观观世世界界，了了解解近近代代物物理理的的另另一一支支柱柱微微观观世界的量子论。世界的量子论。n本本条条目目要要求求学学生生初初步步了了解解微微观观世世界界的的量量子子化化现现象象，知知道道微微观观世世界界的的能能量量变变化化与与宏宏观观世世界界的的能能量量变变化化不不同同，即即不不是是连连续续的的，而而是是量量子子化化的的。体体会会量量子子论论的的建建立立是是如如何何促促进进人人们们认认识识物物质质世世界界的的。本本条条目目也也体体现现了了经典物理与近代物理的结合。经典物理与近代物理的结合。编者编写意图：编者编写意图：n初步了解经典时空观和相对论时空观的区别，知初步了解经典时空观和相对论时空观的区别，知道相对论对人类认识世界的影响。初步了解微观道相对论对人类认识世界的影响。初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点。的能量变化特点。n通过本章学习，体会理想实验、物理模型等研究通过本章学习，体会理想实验、物理模型等研究方法的重要作用，发展想象能力，培养敢于质疑方法的重要作用，发展想象能力，培养敢于质疑的精神和创新的意识；体会量子论的建立深化了的精神和创新的意识；体会量子论的建立深化了人类对物质世界的认识，知道科学理论不是一成人类对物质世界的认识，知道科学理论不是一成不变的，而是一个逐步完善的过程。不变的，而是一个逐步完善的过程。课程简介：课程简介：n本章导入部分利用本章导入部分利用19和和20世纪之交的物理学世纪之交的物理学天空中的天空中的“两朵乌云两朵乌云”，向学生展示完全不，向学生展示完全不同于我们熟悉的低速宏观世界的另一个崭新同于我们熟悉的低速宏观世界的另一个崭新的的:世界高速世界和量子世界。世界高速世界和量子世界。n第一节高速世界，从经典力学解释迈克尔逊第一节高速世界，从经典力学解释迈克尔逊莫雷实验结果所产生的矛盾入手，按照物莫雷实验结果所产生的矛盾入手，按照物理学发展的历程，引出爱因斯坦的两个基本理学发展的历程，引出爱因斯坦的两个基本假设。通过形象生动的画面和通俗易懂的实假设。通过形象生动的画面和通俗易懂的实例让学生初步认识狭义相对论。例让学生初步认识狭义相对论。n第二节量子世界，从热辐射规律入手，揭示第二节量子世界，从热辐射规律入手，揭示经典物理学理论与实验结果的严重背离，阐经典物理学理论与实验结果的严重背离，阐述普朗克述普朗克“量子假说量子假说”，初步认识玻儿理论，初步认识玻儿理论重要意义，同时让学生认识光的粒子性和波重要意义，同时让学生认识光的粒子性和波动性。通过实例初步了解微观世界量子假说。动性。通过实例初步了解微观世界量子假说。第第1节节 高速世界高速世界n一、一、内容与地位：内容与地位：n在此之前的学习过程中，学生已经对经典物理学的理论和在此之前的学习过程中，学生已经对经典物理学的理论和成就有了一定的了解。但是，学生在共同必修模块中，没成就有了一定的了解。但是，学生在共同必修模块中，没有接触波动学、电磁学、光学等相关知识，学生对这些相有接触波动学、电磁学、光学等相关知识，学生对这些相关知识的了解还停留在初中极浅显的认识基础上。所以，关知识的了解还停留在初中极浅显的认识基础上。所以，在指导学生研习这部分内容时，要充分做好先行知识的组在指导学生研习这部分内容时，要充分做好先行知识的组织，使学生通过对经典时空观的突破来了解相对论时空观织，使学生通过对经典时空观的突破来了解相对论时空观的主要思想。在教学活动中要淡化爱因斯坦和相对论的神的主要思想。在教学活动中要淡化爱因斯坦和相对论的神秘色彩，要使学生领会爱因斯坦在研究工作中表现出来的秘色彩，要使学生领会爱因斯坦在研究工作中表现出来的创新精神、所应用的科学方法不是高不可攀的，我们是可创新精神、所应用的科学方法不是高不可攀的，我们是可以理解问题的。以理解问题的。二、二、教学目标：教学目标：n1、初步了解经典时空观被突破的过程和爱因、初步了解经典时空观被突破的过程和爱因斯坦构建新理论的方法。从而了解相对论时空斯坦构建新理论的方法。从而了解相对论时空观的主要思想，并根据相对论时空观进行公式观的主要思想，并根据相对论时空观进行公式推导，解释相关的一些现象。推导，解释相关的一些现象。n2、认识经典力学的实用范围和局限性，知道、认识经典力学的实用范围和局限性，知道相对论对人类认识世界的影响，体会科学研究相对论对人类认识世界的影响，体会科学研究方法和尊重实验事实的科学态度对人们认识自方法和尊重实验事实的科学态度对人们认识自然的重要作用。然的重要作用。三、三、重点和难点：重点和难点：n重点：通过分析和讨论，了解经典物理重点：通过分析和讨论，了解经典物理时空观的局限性及其与相对论时空观之时空观的局限性及其与相对论时空观之间的差异。间的差异。n难点：揭示出经典时空观与麦克尔逊难点：揭示出经典时空观与麦克尔逊莫雷实验结果具体的矛盾表现。莫雷实验结果具体的矛盾表现。四、教学设计：四、教学设计：n（一）导入新课（一）导入新课n1900年的年的4月月27日，在英国伦敦皇家日，在英国伦敦皇家研究所举行的科学报告会上，一位德研究所举行的科学报告会上，一位德高望重的老科学家开尔文作了一个演高望重的老科学家开尔文作了一个演讲，题目是讲，题目是在热和光动力理论上空在热和光动力理论上空的的19世纪乌云世纪乌云。他的第一段话是这。他的第一段话是这么说的：么说的：n“动力学理论断言，热和光都是运动的动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了”(The beauty and clearness of the dynamical theory,which asserts heat and light to be modes of motion,is at present obscured by two clouds.)n这个这个“乌云乌云”的比喻后来被反复地引用。联的比喻后来被反复地引用。联系到当时人们对经典物理学成就的乐观情绪，系到当时人们对经典物理学成就的乐观情绪，许多时候这个表述又变成了许多时候这个表述又变成了“物理学晴朗天物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。云。”n这两朵这两朵“乌云乌云”是：是：n1、【板书板书】迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验（莫雷实验（1881年年1887年间）：研究光沿不同方向传播速度的差异。年间）：研究光沿不同方向传播速度的差异。n2、【板书板书】热辐射实验：（热辐射实验：（1900年左右）：研究年左右）：研究热辐射的能量与温度的关系。热辐射的能量与温度的关系。n这两个实验所观测到的现象用当时已有的物理学理这两个实验所观测到的现象用当时已有的物理学理论无法进行合理的解释。正是这两朵的乌云，不久论无法进行合理的解释。正是这两朵的乌云，不久以后酿成了物理学中一场巨大的变革。以后酿成了物理学中一场巨大的变革。n我们先来看看物理学的天空中这令人不安的第一朵我们先来看看物理学的天空中这令人不安的第一朵“乌云乌云”：光沿不同方向传播的速度是否相同？：光沿不同方向传播的速度是否相同？（二）新课教学（二）新课教学n1、高速世界的两个基本原理、高速世界的两个基本原理n经典力学的研究表明所有的机械波都必须通过介质经典力学的研究表明所有的机械波都必须通过介质才能传播。麦克斯韦的电磁场理论揭示了光就是电才能传播。麦克斯韦的电磁场理论揭示了光就是电磁波。光既然是波，当时人们自然要想：传播光波磁波。光既然是波，当时人们自然要想：传播光波的介质是什么呢？的介质是什么呢？n当时的物理学家假定这种介质叫做当时的物理学家假定这种介质叫做“以太以太”，整个，整个宇宙空间都充满了宇宙空间都充满了“以太以太”，认为，认为“以太以太”是非常是非常稀薄，密度极小的、完全透明的、难以感觉到的介稀薄，密度极小的、完全透明的、难以感觉到的介质。按照经典的波动理论，这种介质的弹力又是极质。按照经典的波动理论，这种介质的弹力又是极其大的，光波才会在里面有如此巨大的传播速度。其大的，光波才会在里面有如此巨大的传播速度。是一种使人感到奇怪的介质。是一种使人感到奇怪的介质。n思考：如果我们在静止的空气中快速前进，就思考：如果我们在静止的空气中快速前进，就会感觉到有风迎面吹来，为什么？会感觉到有风迎面吹来，为什么？n因为虽然空气相对于地面是静止的，但空气相因为虽然空气相对于地面是静止的，但空气相对于我们正在前进的人却是运动的。对于我们正在前进的人却是运动的。n地球是用地球是用30km/s的速度在宇宙中绕太阳运动的速度在宇宙中绕太阳运动的，如果的，如果“以太以太”这种介质充满了宇宙，也这种介质充满了宇宙，也必然会有必然会有30km/s的的“以太风以太风”迎着地球吹来，迎着地球吹来，我们能观测到这种我们能观测到这种“以太以太”风吗？风吗？n问题：宇宙中充满了传播光的介质问题：宇宙中充满了传播光的介质“以太以太”，地球又在宇宙中运动，设光在地球又在宇宙中运动，设光在“以太以太”中的中的传播速度为传播速度为c，地球相对于地球相对于“以太以太”运动的速运动的速度为度为v，那么当光的传播方向与地球的运动方那么当光的传播方向与地球的运动方向相同时，以地球为参照物时，会测得光的向相同时，以地球为参照物时，会测得光的速度是多大呢？速度是多大呢？nu1=（c-v）n当光的传播方向迎着地球的运动方向而来时，当光的传播方向迎着地球的运动方向而来时，以地球为惯性参照物又会测得光速为多大呢？以地球为惯性参照物又会测得光速为多大呢？n生：应该是生：应该是u2=（c+v）n如果以地球做惯性参照物，不同方向的光（电如果以地球做惯性参照物，不同方向的光（电磁波）的速度的确有不同的话，就说明麦克斯磁波）的速度的确有不同的话，就说明麦克斯韦理论描述的电磁波各个方向速度相同的规律，韦理论描述的电磁波各个方向速度相同的规律，只有在用只有在用“以太以太”为惯性参照物时才是适用的，为惯性参照物时才是适用的，在用地球这类相对于在用地球这类相对于“以太以太”运动的物体做参运动的物体做参照物时电磁波各个方向速度相同的规律就不适照物时电磁波各个方向速度相同的规律就不适用了，就会导致用了，就会导致“不同的惯性参照系中物理规不同的惯性参照系中物理规律是不同的律是不同的”这样一个结论。这样一个结论。n美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在1881至至1887年间在不断提高实验精确度的过程中，年间在不断提高实验精确度的过程中，反复做了同一个实验：把仪器固定在地面上与反复做了同一个实验：把仪器固定在地面上与地球一起运动，在光顺着地球运动方向传播、地球一起运动，在光顺着地球运动方向传播、逆着地球运动方向传播、以及光传播方向与地逆着地球运动方向传播、以及光传播方向与地球运动方向垂直时，不同情况下测量光速的差球运动方向垂直时，不同情况下测量光速的差异。令人惊异的实验结果是：以地球为惯性参异。令人惊异的实验结果是：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有差异。这个著照物时测得各个方向的光速没有差异。这个著名的实验后来物理学界把它叫做迈克尔逊名的实验后来物理学界把它叫做迈克尔逊莫莫雷实验。雷实验。n【板书板书】迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验结果：以地球为莫雷实验结果：以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有超出实惯性参照物时测得各个方向的光速没有超出实验误差范围的明显差异。验误差范围的明显差异。n这样的实验结果，与经典的物理学理论产生了这样的实验结果，与经典的物理学理论产生了难以调和的矛盾，令人感到不安。怎么办？难以调和的矛盾，令人感到不安。怎么办？n许多物理学工作者对迈克尔逊许多物理学工作者对迈克尔逊莫雷实验的结莫雷实验的结果提出了一些使人感到牵强的解释，无法从根果提出了一些使人感到牵强的解释，无法从根本上解决问题。比如本上解决问题。比如“以太以太牵引说牵引说”、“洛仑兹收缩说洛仑兹收缩说”等。等。n爱因斯坦的办法：于爱因斯坦的办法：于1905年写了一篇论文提年写了一篇论文提出了他的想法：出了他的想法：n1、相对性原理：物理规律在一切惯性参照系相对性原理：物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式。中都具有相同的形式。n2、光速不变原理：在一切惯性系中，测量到、光速不变原理：在一切惯性系中，测量到的真空中的光速的真空中的光速c都一样。都一样。2 2、时间延缓效应、时间延缓效应n问题：静止的观测者、顺着光速方向运动的观问题：静止的观测者、顺着光速方向运动的观测者、逆着光速方向运动的观测者，光相对于测者、逆着光速方向运动的观测者，光相对于他们通过的位移是不同的，测量到的光速却都他们通过的位移是不同的，测量到的光速却都是一样的，这是为什么呢？是一样的，这是为什么呢？n生猜想：可否认为不同的惯性参照系中测得的生猜想：可否认为不同的惯性参照系中测得的时间也是不相同的呢？观测者测得光通过的距时间也是不相同的呢？观测者测得光通过的距离较长时，如果他测得的时间也较长，则光速离较长时，如果他测得的时间也较长，则光速有可能是一样的。有可能是一样的。n师：爱因斯坦也正是这么想的。师：爱因斯坦也正是这么想的。2 2、时间延缓效应、时间延缓效应n讨论：假定一辆列车以速度讨论：假定一辆列车以速度v相对于地面匀速相对于地面匀速运动，静止在车厢里的人手持一个光源，从车运动，静止在车厢里的人手持一个光源，从车厢的地板竖直向上将一束光射向顶部的一面反厢的地板竖直向上将一束光射向顶部的一面反射镜，然后又反射回车厢的地板。设车厢中的射镜，然后又反射回车厢的地板。设车厢中的顶部和地板之间的高度为顶部和地板之间的高度为d，则在车厢中以车则在车厢中以车厢为惯性参照物的观察者看来，厢为惯性参照物的观察者看来，“光在空中来光在空中来回回”的过程中，所测得的时间为的过程中，所测得的时间为t则光速是则光速是多大呢？（参看教学资料上的插图）多大呢？（参看教学资料上的插图）n这个关系式很重要，我们虽然是从这个关系式很重要，我们虽然是从“光在空中来回光在空中来回”这一特殊事件中这一特殊事件中推导出来的，但在爱因斯坦在相对推导出来的，但在爱因斯坦在相对论中作了更复杂、更充分的推导认论中作了更复杂、更充分的推导认为它是一个对各种事件都普遍适用为它是一个对各种事件都普遍适用的公式。的公式。n例题：有一个实验事实：在宇宙射线中会产生一种微例题：有一个实验事实：在宇宙射线中会产生一种微观粒子叫做观粒子叫做子，在实验室中测算出它们静止时的平子，在实验室中测算出它们静止时的平均寿命（存在时间）是均寿命（存在时间）是=2.210-6秒，按照经典秒，按照经典的时空观（时间是孤立的，与惯性参照物无关），的时空观（时间是孤立的，与惯性参照物无关），子以接近光的速度运动（子以接近光的速度运动（v=0.998c）时，在这段时时，在这段时间内间内子能飞过的平均路程只有：子能飞过的平均路程只有：s=c=31082.210-6=660 m，然后然后子就子就会消失，可是对宇宙射线的大量观测却发现，大部分会消失，可是对宇宙射线的大量观测却发现，大部分高速高速子能够从约子能够从约10km的高空大气层到达海平面，的高空大气层到达海平面，这是为什么呢？可以用相对论来解释吗？这是为什么呢？可以用相对论来解释吗？n分析：假设有一辆列车和分析：假设有一辆列车和子一起速度子一起速度v=0.998c运动，运动，子相对于列车是静止的。因此，以列车为惯性参照子相对于列车是静止的。因此，以列车为惯性参照物，测得物，测得子的寿命就是子的寿命就是子静止时的寿命子静止时的寿命=2.210-6秒，而以地面做参照物时，秒，而以地面做参照物时，子是运动子是运动的，地面上的钟测得其寿命将是：的，地面上的钟测得其寿命将是：n在这段时间内在这段时间内子能飞过的平均路程有：子能飞过的平均路程有：s=c=31083.4810-5=10.44 km.n相对于光速相对于光速c而言，通常的运动物体（如飞机、火而言，通常的运动物体（如飞机、火箭），其速度箭），其速度v都远远小于光速都远远小于光速c，时间延缓效应时间延缓效应是可以忽略不计的。所以我们认为当物体的速度是可以忽略不计的。所以我们认为当物体的速度远远小于光速时，经典物理学的时空观还是有效远远小于光速时，经典物理学的时空观还是有效的，没有必要彻底抛弃。只有在物体高速运动时，的，没有必要彻底抛弃。只有在物体高速运动时，经典物理学的时空观才不再适用了。经典物理学的时空观才不再适用了。n【板书板书】经典物理学时空观的局限性：只在低速经典物理学时空观的局限性：只在低速（与光速相比较）条件下有效。（与光速相比较）条件下有效。3 3、长度收缩效应、长度收缩效应n爱因斯坦在相对论中通过推导得出了：爱因斯坦在相对论中通过推导得出了：n运动惯性参照系上尺度缩短效应运动惯性参照系上尺度缩短效应 n注意：其实并不是车上尺子本身的长度真的发生了注意：其实并不是车上尺子本身的长度真的发生了收缩，这是由于相对论的时空关系导致的结果。收缩，这是由于相对论的时空关系导致的结果。n例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题，例题：对于前面在时钟延缓效应中讨论过的例题，也可以从相对论的尺缩效应来看这个问题：被也可以从相对论的尺缩效应来看这个问题：被子子穿越的大气层厚度约是穿越的大气层厚度约是10.44km，但如果以但如果以子为子为惯性参照物，则惯性参照物，则子是静止的，大气层在以子是静止的，大气层在以v=0.998c的速度向的速度向子运动，所以以静止的子运动，所以以静止的子测子测得运动的大气层厚度只有：得运动的大气层厚度只有：n所以，所以，子可以穿过大气层到达海平面。子可以穿过大气层到达海平面。（三）小结：（三）小结：经典物理的时空观经典物理的时空观相对论时空观相对论时空观真空中光速真空中光速在不同的惯性参照系在不同的惯性参照系中测得光速不同中测得光速不同在任何惯性参照系在任何惯性参照系中测得的光速都相同中测得的光速都相同介质介质宇宙中传播光的介质宇宙中传播光的介质叫叫“以太以太”宇宙中不存在宇宙中不存在“以太以太”介质介质时间时间时间是独立的，时间是独立的，与参照系无关与参照系无关同一事件在不同的参照系中同一事件在不同的参照系中测得时间不同测得时间不同长度长度同一物体的长度同一物体的长度与参照系无关与参照系无关同一物体在不同的参照系中同一物体在不同的参照系中测得长度不同测得长度不同物体的速度物体的速度可以任意大可以任意大真空中光速是速度的极限，真空中光速是速度的极限，任何物体的速度不可能超任何物体的速度不可能超过真空中的光速过真空中的光速五、案例心得五、案例心得n这个教学设计思想是在学生能够理解的前提下，解这个教学设计思想是在学生能够理解的前提下，解析狭义相对论基本思想的来龙去脉，这种做法是有析狭义相对论基本思想的来龙去脉，这种做法是有必要而且也是可能实现的。必要而且也是可能实现的。n教学设计突出了相对论构建过程中问题与问题解决教学设计突出了相对论构建过程中问题与问题解决的分析，让学生体会到科学研究方法和尊重实验事的分析，让学生体会到科学研究方法和尊重实验事实的科学态度对人们认识自然的重要作用。有利于实的科学态度对人们认识自然的重要作用。有利于淡化爱因斯坦及其相对论在学生心目中的神秘感，淡化爱因斯坦及其相对论在学生心目中的神秘感，培养学生批判、创新的科学精神。培养学生批判、创新的科学精神。n案例中的例题对学生而言可能有一定的难度，可以案例中的例题对学生而言可能有一定的难度，可以改为由教师边启发学生思考，边讲解。改为由教师边启发学生思考，边讲解。n在网络搜索中分别输入在网络搜索中分别输入“物理学晴朗天空，物理学晴朗天空，漂浮着两朵令人不安的乌云。漂浮着两朵令人不安的乌云。”、“迈克尔迈克尔逊逊莫雷实验莫雷实验”、“以太以太”、“相对性原理相对性原理”、“光速不变原理光速不变原理”、“时间延缓效应时间延缓效应”、“尺度缩短效应尺度缩短效应”等关键词，可以从网上搜等关键词，可以从网上搜索到有关于相对论的知识信息，从中选择一索到有关于相对论的知识信息，从中选择一些合适的内容作为学生的阅读材料。些合适的内容作为学生的阅读材料。