第六章第一節(jié)：相對(duì)論與量子論初步

1、LOGO第六章第六章 相對(duì)論與量子論初步相對(duì)論與量子論初步第第1 1節(jié)節(jié) 高速世界高速世界在在1919世紀(jì)世紀(jì)2020世紀(jì)之交，許多人陶醉于經(jīng)典物世紀(jì)之交，許多人陶醉于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成功之中，近乎完美的經(jīng)典理論及其理學(xué)的巨大成功之中，近乎完美的經(jīng)典理論及其廣泛應(yīng)用使人們產(chǎn)生這樣一種感覺(jué)：物理學(xué)這座廣泛應(yīng)用使人們產(chǎn)生這樣一種感覺(jué)：物理學(xué)這座莊嚴(yán)雄偉、動(dòng)人心弦的美麗殿堂已經(jīng)建成了。莊嚴(yán)雄偉、動(dòng)人心弦的美麗殿堂已經(jīng)建成了。（一）引入新課（一）引入新課 1900 1900年，英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文年，英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文躊躇滿志地宣告：在已經(jīng)基本建成的躊躇滿志地宣告：在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大夏中，后輩物理學(xué)

2、家只要做一科學(xué)大夏中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。但在這盡些零碎的修補(bǔ)工作就行了。但在這盡善盡美之中，也還有一點(diǎn)小小的遺憾。善盡美之中，也還有一點(diǎn)小小的遺憾。用開(kāi)爾文的話說(shuō)，在物理學(xué)睛朗天空用開(kāi)爾文的話說(shuō)，在物理學(xué)睛朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的烏云。烏云。開(kāi)爾文開(kāi)爾文第一朵烏云第一朵烏云邁克爾遜邁克爾遜- -莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)第二朵烏云第二朵烏云黑體輻射的黑體輻射的“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”。對(duì)該對(duì)該實(shí)驗(yàn)的解釋及一系列有關(guān)的工作，把人們帶入了實(shí)驗(yàn)的解釋及一系列有關(guān)的工作，把人們帶入了一個(gè)以量子論為標(biāo)志的微觀世界。一個(gè)以量子論為標(biāo)志的微觀世界。對(duì)

3、該實(shí)驗(yàn)的解釋及一系列有關(guān)的工作，把人對(duì)該實(shí)驗(yàn)的解釋及一系列有關(guān)的工作，把人們帶入了一個(gè)以相對(duì)論為標(biāo)志的高速運(yùn)動(dòng)世界。們帶入了一個(gè)以相對(duì)論為標(biāo)志的高速運(yùn)動(dòng)世界。經(jīng)典時(shí)空觀運(yùn)動(dòng)的合成經(jīng)典時(shí)空觀運(yùn)動(dòng)的合成同理：設(shè)光從光源發(fā)出其速度為同理：設(shè)光從光源發(fā)出其速度為c c，當(dāng)?shù)厍蛞砸唬?dāng)?shù)厍蛞砸欢ǖ乃俣榷ǖ乃俣认鄬?duì)于光源運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球上的人觀測(cè)相對(duì)于光源運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球上的人觀測(cè)到光的速度為到光的速度為c c/ /，則，則 此人測(cè)得向他迎面而來(lái)的光速：此人測(cè)得向他迎面而來(lái)的光速： 此人測(cè)得向他背面而來(lái)的光速：此人測(cè)得向他背面而來(lái)的光速：c c/ /= =c+c+c c/ /= =c-c-=20m/s車=25m/

4、s球=？=20m/s車=25m/s球=？1、高速世界的兩個(gè)基本原理高速世界的兩個(gè)基本原理 相對(duì)性原理相對(duì)性原理在不同的慣性參考系中，在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的一切物理規(guī)律都是相同的。 即：在地面上觀測(cè)物體上拋運(yùn)動(dòng)遵循動(dòng)即：在地面上觀測(cè)物體上拋運(yùn)動(dòng)遵循動(dòng)能定理，那么在高速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)上觀測(cè)上拋能定理，那么在高速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)上觀測(cè)上拋物體的運(yùn)動(dòng)同樣遵循相同形式的動(dòng)能定理。物體的運(yùn)動(dòng)同樣遵循相同形式的動(dòng)能定理。這就是相對(duì)性原理。這就是相對(duì)性原理。 光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)聿还茉谀膫€(gè)慣性系中，測(cè)不管在哪個(gè)慣性系中，測(cè)得的真空中的光速都相同。得的真空中的光速都相同。 即：在真空環(huán)境中，靜止

5、于地面上的人觀測(cè)即：在真空環(huán)境中，靜止于地面上的人觀測(cè)的光速是的光速是3108m/s，靜止在勻速運(yùn)行列車中（，靜止在勻速運(yùn)行列車中（車速為車速為1108m/s）的觀測(cè)者觀測(cè)的光速仍然是）的觀測(cè)者觀測(cè)的光速仍然是3108m/s2.2.四維空間四維空間經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為：經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為：時(shí)間與空間是獨(dú)時(shí)間與空間是獨(dú)立的，并且與物質(zhì)的存在與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，立的，并且與物質(zhì)的存在與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，世界是三維的。世界是三維的。相對(duì)論認(rèn)為：相對(duì)論認(rèn)為：時(shí)間與空間是相互聯(lián)時(shí)間與空間是相互聯(lián)系相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)系相互影響的，并且與物質(zhì)的存在及運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，即空間三維加時(shí)間一維，動(dòng)密切相關(guān)，即空間三維加時(shí)間一維，

6、即世界是四維空間。即世界是四維空間。（1 1）時(shí)間延緩效應(yīng)）時(shí)間延緩效應(yīng)愛(ài)因斯坦從上面兩個(gè)基本原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了愛(ài)因斯坦從上面兩個(gè)基本原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)：一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)：假定列車以速度假定列車以速度勻速行駛，靜止在車廂內(nèi)勻速行駛，靜止在車廂內(nèi)人手持一個(gè)光源，從車廂的地板上豎直向上將一人手持一個(gè)光源，從車廂的地板上豎直向上將一束光射向頂部的一面反射鏡，光束來(lái)回往返過(guò)程束光射向頂部的一面反射鏡，光束來(lái)回往返過(guò)程如圖所示，在此過(guò)程中，車上的鐘走過(guò)的時(shí)間為如圖所示，在此過(guò)程中，車上的鐘走過(guò)的時(shí)間為t t/ /，稱為固有時(shí)。，稱為固有時(shí)。O/Oh甲：車上的人甲：車上的人認(rèn)為閃光沿豎認(rèn)為閃光沿豎直方

7、向到達(dá)小直方向到達(dá)小鏡又沿豎直方鏡又沿豎直方向反射向反射乙：車下站在地面的人認(rèn)為接乙：車下站在地面的人認(rèn)為接收后的閃光是沿斜線傳播的收后的閃光是沿斜線傳播的（1 1）時(shí)間延緩效應(yīng)）時(shí)間延緩效應(yīng) 在此過(guò)程中，車上的鐘走過(guò)的時(shí)間為在此過(guò)程中，車上的鐘走過(guò)的時(shí)間為t t/ /，稱固有時(shí)間稱固有時(shí)間. .靜止在地面上的觀察者看來(lái)，由于列靜止在地面上的觀察者看來(lái)，由于列車在高速行駛測(cè)得該過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間為車在高速行駛測(cè)得該過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間為t t。/22221htchtc/221ttvc 問(wèn)題問(wèn)題1 1：對(duì)同一個(gè)物理過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間，在不對(duì)同一個(gè)物理過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的慣性參考系中觀測(cè)，相同嗎？同的慣性參

8、考系中觀測(cè)，相同嗎？不相同，這就是相對(duì)論時(shí)空的體現(xiàn)。不相同，這就是相對(duì)論時(shí)空的體現(xiàn)。 因?yàn)橐驗(yàn)閏tt t/ /。即：。即：運(yùn)動(dòng)的鐘比靜運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢止的鐘走得慢。這種效應(yīng)稱為這種效應(yīng)稱為時(shí)間延緩效應(yīng)。時(shí)間延緩效應(yīng)。問(wèn)題問(wèn)題2：時(shí)鐘（計(jì)時(shí)器）真的走快了或是走慢了？時(shí)鐘（計(jì)時(shí)器）真的走快了或是走慢了？由于是標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘，鐘并沒(méi)有走快或走慢，由于是標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘，鐘并沒(méi)有走快或走慢，也不是被觀測(cè)過(guò)程的節(jié)奏變化了，只是一種觀測(cè)也不是被觀測(cè)過(guò)程的節(jié)奏變化了，只是一種觀測(cè)效應(yīng)。效應(yīng)。（2 2）長(zhǎng)度收縮效應(yīng)）長(zhǎng)度收縮效應(yīng)經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為：經(jīng)典時(shí)空觀認(rèn)為：三維空間與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。即三維空間與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。即一個(gè)物體

9、的長(zhǎng)、寬、高在靜止時(shí)觀測(cè)，與它運(yùn)動(dòng)一個(gè)物體的長(zhǎng)、寬、高在靜止時(shí)觀測(cè)，與它運(yùn)動(dòng)時(shí)的觀測(cè)完全一樣時(shí)的觀測(cè)完全一樣狹義相對(duì)論的時(shí)空觀認(rèn)為：狹義相對(duì)論的時(shí)空觀認(rèn)為：物體的長(zhǎng)、寬、高物體的長(zhǎng)、寬、高在靜止時(shí)觀測(cè)與它運(yùn)動(dòng)時(shí)觀測(cè)的結(jié)果是不相同的。在靜止時(shí)觀測(cè)與它運(yùn)動(dòng)時(shí)觀測(cè)的結(jié)果是不相同的。如一個(gè)物體相對(duì)它靜止的觀測(cè)者測(cè)得其長(zhǎng)度如一個(gè)物體相對(duì)它靜止的觀測(cè)者測(cè)得其長(zhǎng)度為為L(zhǎng)（靜止長(zhǎng)度，又稱為固有長(zhǎng)度），該物體相對(duì)（靜止長(zhǎng)度，又稱為固有長(zhǎng)度），該物體相對(duì)另一慣性系沿自身長(zhǎng)度方向以勻速另一慣性系沿自身長(zhǎng)度方向以勻速運(yùn)動(dòng)，則在運(yùn)動(dòng)，則在此慣性系中的觀測(cè)者測(cè)該物體的長(zhǎng)度為此慣性系中的觀測(cè)者測(cè)該物體的長(zhǎng)度為L(zhǎng)/ ,那么那

10、么2/21vllc因?yàn)橐驗(yàn)閏c，所以，所以L/ / L。這種觀測(cè)效應(yīng)稱為。這種觀測(cè)效應(yīng)稱為長(zhǎng)度收縮。長(zhǎng)度收縮。該效應(yīng)仍是狹義相對(duì)論時(shí)空觀的該效應(yīng)仍是狹義相對(duì)論時(shí)空觀的一種體現(xiàn)，即在不同慣性系中的觀測(cè)者對(duì)同一種體現(xiàn)，即在不同慣性系中的觀測(cè)者對(duì)同物體的同一個(gè)空間廣延性進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得的物體的同一個(gè)空間廣延性進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得的結(jié)果不相同，并不是物體本身發(fā)生了收縮。結(jié)果不相同，并不是物體本身發(fā)生了收縮。例如：現(xiàn)代高能物理研究例如：現(xiàn)代高能物理研究常用的粒子加速器中，粒子可常用的粒子加速器中，粒子可以加速到以加速到0.998c0.998c的高速，這時(shí)的高速，這時(shí)從加速器中高速運(yùn)動(dòng)的粒子的從加速器中高速運(yùn)動(dòng)的

11、粒子的角度來(lái)觀測(cè)，原長(zhǎng)角度來(lái)觀測(cè)，原長(zhǎng)1m1m的管道，的管道，沿它運(yùn)動(dòng)方向測(cè)量?jī)H有約沿它運(yùn)動(dòng)方向測(cè)量?jī)H有約2cm.2cm. 反之如果讓靜止在地面上長(zhǎng)度為反之如果讓靜止在地面上長(zhǎng)度為1m1m的的物體沿其長(zhǎng)度方向以物體沿其長(zhǎng)度方向以0.998c0.998c的高速運(yùn)動(dòng)，的高速運(yùn)動(dòng)，那么地面上的觀測(cè)者在它運(yùn)動(dòng)方向測(cè)量的那么地面上的觀測(cè)者在它運(yùn)動(dòng)方向測(cè)量的長(zhǎng)度也僅有約長(zhǎng)度也僅有約2cm.2cm.想一想：我們平常為什么觀察不到這種長(zhǎng)度收縮想一想：我們平常為什么觀察不到這種長(zhǎng)度收縮效應(yīng)？效應(yīng)？T乙（一）新課學(xué)習(xí)（一）新課學(xué)習(xí)3 3質(zhì)速關(guān)系質(zhì)速關(guān)系經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為：經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為：物體受到的重力會(huì)隨著它物體受到

12、的重力會(huì)隨著它所處的高度或緯度的變化而變化，而它的質(zhì)量所處的高度或緯度的變化而變化，而它的質(zhì)量在任何情況下是不會(huì)變化的。在任何情況下是不會(huì)變化的。按這個(gè)理論，只要始終對(duì)物體施加按這個(gè)理論，只要始終對(duì)物體施加一個(gè)恒力，那么這個(gè)物體就將一直保持一個(gè)恒力，那么這個(gè)物體就將一直保持勻加速運(yùn)動(dòng)，加速到光速時(shí)還會(huì)被加速勻加速運(yùn)動(dòng)，加速到光速時(shí)還會(huì)被加速，并超過(guò)光速。這是可能的嗎？，并超過(guò)光速。這是可能的嗎？相對(duì)論認(rèn)為：相對(duì)論認(rèn)為：物質(zhì)的質(zhì)量是變化的。當(dāng)物物質(zhì)的質(zhì)量是變化的。當(dāng)物體在所處的慣性參考系靜止時(shí)，它具有最小體在所處的慣性參考系靜止時(shí)，它具有最小的質(zhì)量的質(zhì)量m m0 0，這個(gè)質(zhì)量稱為靜止質(zhì)量。當(dāng)物體

13、，這個(gè)質(zhì)量稱為靜止質(zhì)量。當(dāng)物體以速度以速度相對(duì)某慣性系運(yùn)相對(duì)某慣性系運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)慣性系觀測(cè)動(dòng)時(shí)，這個(gè)慣性系觀測(cè)它的質(zhì)量為它的質(zhì)量為m0221mmvc由此可知：在某個(gè)慣性系中觀測(cè)某個(gè)物由此可知：在某個(gè)慣性系中觀測(cè)某個(gè)物體，它的質(zhì)量觀測(cè)會(huì)隨著它運(yùn)動(dòng)速度的體，它的質(zhì)量觀測(cè)會(huì)隨著它運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大。增大而增大。0221mmvc質(zhì)量與速度關(guān)系如質(zhì)量與速度關(guān)系如圖所示。由圖可知圖所示。由圖可知，一個(gè)真實(shí)的、靜，一個(gè)真實(shí)的、靜止質(zhì)量不為零的物止質(zhì)量不為零的物體，相對(duì)于任何慣體，相對(duì)于任何慣性參考系的運(yùn)動(dòng)速性參考系的運(yùn)動(dòng)速度都不可能為達(dá)到度都不可能為達(dá)到或超過(guò)光速?；虺^(guò)光速。T乙（一）新課學(xué)習(xí)（一）新課

14、學(xué)習(xí)3 3質(zhì)速關(guān)系質(zhì)速關(guān)系4 4質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系經(jīng)典物理學(xué)中經(jīng)典物理學(xué)中:質(zhì)量和能量是兩個(gè)獨(dú)立質(zhì)量和能量是兩個(gè)獨(dú)立的概念，它們之間沒(méi)有聯(lián)系。的概念，它們之間沒(méi)有聯(lián)系。相對(duì)論觀點(diǎn)：相對(duì)論觀點(diǎn)：質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分離的屬性，它們之間的關(guān)系如下離的屬性，它們之間的關(guān)系如下: :2Emc這個(gè)就是著名的質(zhì)能關(guān)系。這個(gè)就是著名的質(zhì)能關(guān)系。式中式中m物質(zhì)物質(zhì)的量，單位的量，單位kg;kg;c c光速，大小光速，大小3 310108 8m/sm/s，E E能量，單位能量，單位:J:J由以上關(guān)系知，當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量變化由以上關(guān)系知，當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量變化時(shí)，必然伴隨著能量的變化。其變化關(guān)時(shí)，必然伴

15、隨著能量的變化。其變化關(guān)系為：系為：E=E=mcmc2 2。該式表示，隨著一個(gè)。該式表示，隨著一個(gè)物體質(zhì)量的減少，會(huì)釋放一定的能量；物體質(zhì)量的減少，會(huì)釋放一定的能量；與此同時(shí)，另一個(gè)物體吸收能量，質(zhì)量與此同時(shí)，另一個(gè)物體吸收能量，質(zhì)量也會(huì)隨之增加。也會(huì)隨之增加。某靜質(zhì)量為某靜質(zhì)量為m m0 0的物體，相對(duì)它靜止的觀的物體，相對(duì)它靜止的觀測(cè)者測(cè)得其質(zhì)量為測(cè)者測(cè)得其質(zhì)量為m=mm=m0 0；能量為；能量為E=mcE=mc2 2=m=m0 0c c2 2，記為，記為E E0 0=m=m0 0c c2 2，稱為靜能量。，稱為靜能量。表示任何靜質(zhì)量不為零的物體，都貯存表示任何靜質(zhì)量不為零的物體，都貯存著

16、巨大的能量。現(xiàn)人類已掌握了釋放這著巨大的能量?，F(xiàn)人類已掌握了釋放這種能量的有效方法。種能量的有效方法。19831983年德國(guó)物理學(xué)哈恩發(fā)現(xiàn)，年德國(guó)物理學(xué)哈恩發(fā)現(xiàn)，一個(gè)較重的鈾核，在高能中子一個(gè)較重的鈾核，在高能中子的轟擊下，會(huì)裂變成兩個(gè)中等的轟擊下，會(huì)裂變成兩個(gè)中等質(zhì)量的核，并進(jìn)而形成雪崩式質(zhì)量的核，并進(jìn)而形成雪崩式的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，同時(shí)釋放出巨大的能量。使得的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，同時(shí)釋放出巨大的能量。使得愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系得到了驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。這愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系得到了驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。這種釋放方式釋放的能量叫做種釋放方式釋放的能量叫做核能核能。核能的發(fā)。核能的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了原子彈等毀滅性武器，但也給人類現(xiàn)帶來(lái)了原子彈等

17、毀滅性武器，但也給人類帶來(lái)了似乎用之不竭的新能源帶來(lái)了似乎用之不竭的新能源核電。核電。T乙（一）（一）新課學(xué)習(xí)新課學(xué)習(xí) 3 3質(zhì)速關(guān)系質(zhì)速關(guān)系 4 4質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系 5 5時(shí)空彎曲時(shí)空彎曲愛(ài)因斯坦在他愛(ài)因斯坦在他的狹義相對(duì)論的狹義相對(duì)論中提出，物理中提出，物理定律的形式在定律的形式在一切慣性系中一切慣性系中都是相同的。都是相同的。當(dāng)觀察者做加速運(yùn)動(dòng)或者非當(dāng)觀察者做加速運(yùn)動(dòng)或者非慣性系中，情況又怎樣呢？慣性系中，情況又怎樣呢？為此愛(ài)因斯為此愛(ài)因斯坦又提出了坦又提出了廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論設(shè)在遙遠(yuǎn)的宇設(shè)在遙遠(yuǎn)的宇宙空間有一間宙空間有一間房子，這間房房子，這間房子里有一切必子里有一切必要的實(shí)驗(yàn)用具要

18、的實(shí)驗(yàn)用具平行小孔平行小孔慣性參考系慣性參考系（靜止）（靜止）a非慣非慣性參性參考系考系平行小孔平行小孔光線由于房子加速而發(fā)生光線由于房子加速而發(fā)生彎曲彎曲. .就像地面附近平拋出就像地面附近平拋出去的物體，在重力作用下去的物體，在重力作用下運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)向下彎曲一樣運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)向下彎曲一樣。T乙（一）新課學(xué)習(xí)（一）新課學(xué)習(xí) 3 3質(zhì)速關(guān)系質(zhì)速關(guān)系 4 4質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系 5 5時(shí)空彎曲時(shí)空彎曲光束軌跡彎曲的原因光束軌跡彎曲的原因由于房子加速運(yùn)動(dòng)由于房子加速運(yùn)動(dòng)拋體運(yùn)動(dòng)彎曲的原因拋體運(yùn)動(dòng)彎曲的原因由于引力的作用由于引力的作用基于以上兩點(diǎn)，你有何預(yù)言？基于以上兩點(diǎn)，你有何預(yù)言？基于這一點(diǎn)，可稱加速和引力是等效的基于這一點(diǎn)，可稱加速和引力是等效的。即加速能使光線彎曲，那么，引力也。即加速能使光線彎曲，那么，引力也能使光線彎曲。這是一個(gè)驚人的預(yù)言。能使光線彎曲。這是一個(gè)驚人的預(yù)言。光線在引力場(chǎng)中光線在引力場(chǎng)中的彎曲可等效為空間的彎曲可等效為空間本身被引力彎曲，引本身被引力彎曲，引力不但影響空間，而力不但影響空間，而且影響時(shí)間，這種影且影響時(shí)間，