高中物理第6章經(jīng)典力學(xué)與現(xiàn)代物理教案（打包4套）滬科版必修2.zip

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2.對(duì)經(jīng)典力學(xué)的巨大成就的教學(xué)，不能變成知識(shí)的總結(jié)和規(guī)律的整理，應(yīng)該把重點(diǎn)放在讓學(xué)生知道經(jīng)典力學(xué)的重要地位、對(duì)人類產(chǎn)生的積極影響，他們的方法論對(duì)自然科學(xué)甚至社會(huì)科學(xué)都有重大的意義. 3.經(jīng)典力學(xué)的局限性的教學(xué)，應(yīng)該在充分肯定經(jīng)典力學(xué)的重要地位的前提下，從認(rèn)識(shí)論的角度去引導(dǎo)學(xué)生，注意通過教學(xué)活動(dòng)以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思想方法、正確的世界觀. 4.本節(jié)的教學(xué)應(yīng)該自始至終地滲透科學(xué)觀點(diǎn)和思維方法的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的興趣，敢于向困難挑戰(zhàn)的精神，能客觀地、科學(xué)地對(duì)自己的研究成果進(jìn)行評(píng)價(jià). 5.教學(xué)中可以結(jié)合牛頓、伽利略的杰出貢獻(xiàn)，從他們超人的智慧、堅(jiān)強(qiáng)的毅力的角度適時(shí)、適當(dāng)?shù)亟榻B一點(diǎn)物理學(xué)史. 6.建議認(rèn)真組織并評(píng)價(jià)課后作業(yè)3：撰寫一篇題為“關(guān)于伽利略、牛頓的科學(xué)研究方法對(duì)物理學(xué)發(fā)展的意義”的小論文，鼓勵(lì)學(xué)生通過各種渠道獲取相關(guān)的信息. 資源參考 牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀 在牛頓力學(xué)定律（包括慣性定律）的表達(dá)里沒有明確指明，所謂“靜止”“勻速直線運(yùn)動(dòng)”和“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變”是對(duì)什么參考物體而言的.在牛頓力學(xué)中“力”是物體間的相互作用，這是與參考物體無關(guān)的，然而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其改變則與參考物體有密切關(guān)系.牛頓完全了解自己理論中存在的這一薄弱環(huán)節(jié)，他的解決辦法是引入一個(gè)客觀標(biāo)準(zhǔn)——絕對(duì)空間，用以判斷各物體是處于靜止、勻速運(yùn)動(dòng)，還是加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài).牛頓承認(rèn)，區(qū)分特定物體的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)（即相對(duì)于絕對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)）和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也非易事.不過，他還是提出了判據(jù).譬如，用繩子將兩個(gè)球系在一起，讓它們保持在一定距離上，繞共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，從繩子的張力可以得知其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度的大小. “水桶實(shí)驗(yàn)”是牛頓提出的另一個(gè)更著名的實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)的大意如下：一個(gè)盛水的桶掛在一條扭得很緊的繩子上，然后放手，于是如圖所示： 牛頓“水桶實(shí)驗(yàn)” （1）開始時(shí)，桶旋轉(zhuǎn)得很快，但水幾乎靜止不動(dòng).在粘滯力經(jīng)過足夠的時(shí)間使它旋轉(zhuǎn)起來之前，水面是平的，完全與水桶轉(zhuǎn)動(dòng)前一樣. （2）水和桶一起旋轉(zhuǎn)，水面變成凹的拋物面. （3）突然使桶停止旋轉(zhuǎn)，但桶內(nèi)的水還在轉(zhuǎn)動(dòng)，水面仍然保持凹的拋物面. 牛頓就此分析道，在第（1）（3）階段里，水和桶都有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而在前者水是平的，后者水面凹下；在（2）（3）階段里，無論水和桶有無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，水面都是凹下的.牛頓由此得到結(jié)論，桶和水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不是水面凹下的原因.這個(gè)現(xiàn)象的根本原因是水在空間里絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的加速度. 絕對(duì)空間在哪里？牛頓曾經(jīng)設(shè)想，在恒星所在的遙遠(yuǎn)的地方，或許在它們之外更遙遠(yuǎn)的地方.他提出假設(shè)，宇宙的中心是不動(dòng)的，這就是他所想象的絕對(duì)空間.從現(xiàn)今的觀點(diǎn)來看，牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀是不對(duì)的.不過，牛頓當(dāng)時(shí)清楚地意識(shí)到，要想給慣性原理以一個(gè)確切的意義，那就必須把空間作為獨(dú)立于物體慣性行為之外的原因引進(jìn)來.愛因斯坦認(rèn)為，牛頓引入絕對(duì)空間，對(duì)于建立的力學(xué)體系是必要的，這是在那個(gè)時(shí)代“一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一道路”. 當(dāng)代的物理教科書在講牛頓力學(xué)時(shí)，為避免“絕對(duì)空間”的提法，都采用“慣性參考系”的概念.據(jù)考證，這想法是德國物理學(xué)家朗格（L.Lange）提出的.在牛頓力學(xué)的框架中，給慣性系下的定義是慣性定律在其中成立的一類參考系，即在此類參考系中，一個(gè)不受外力作用的物體總是做勻速直線運(yùn)動(dòng)的.若要再問，怎樣知道一個(gè)物體沒有受到外力呢？回答說，此物體離開別的物體都足夠遠(yuǎn)，它在慣性系中做勻速直線運(yùn)動(dòng).這里似乎出現(xiàn)了一個(gè)邏輯循環(huán).然而，仔細(xì)推敲我們的表述，是可在教科書中避免這種邏輯循環(huán)的.實(shí)驗(yàn)表明，在一個(gè)參考系中，只要某個(gè)物體符合慣性定律，則慣性定律將對(duì)其他物體成立.我們把慣性參考系定義為“對(duì)某一特定物體慣性定律成立的參考系”，這時(shí)再說慣性定律成立的條件是慣性系，就不構(gòu)成邏輯循環(huán)了.從這里我們?cè)俅慰吹?，慣性不是個(gè)別物體的性質(zhì)，而是參考系，或者說，時(shí)空的性質(zhì).下文即將論述，用“慣性參考系”替代“絕對(duì)空間”，只是回避了牛頓力學(xué)的困難，作為階段性的教學(xué)考慮是可取的，但是并沒有真正解決問題. 這樣，在牛頓力學(xué)的框架里，我們必須嚴(yán)格地區(qū)分“慣性”和“非慣性”兩類參考系，在慣性參考系內(nèi)，慣性定律和其他牛頓力學(xué)定律成立；在非慣性參考系內(nèi)，牛頓三定律不成立.在所有慣性參考系之間，伽利略相對(duì)性原理成立，從而它們都是平權(quán)的.在非慣性參考系內(nèi)則會(huì)出現(xiàn)一些“反常”現(xiàn)象.請(qǐng)看下面這段描述. 上文提到，慣性定律是不能直接用實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格地驗(yàn)證的.設(shè)想有一位很嚴(yán)格的科學(xué)家，他相信慣性定律是可以用實(shí)驗(yàn)來證明或推翻的.他在水平的桌面上推動(dòng)一個(gè)小球，并設(shè)法盡量消除摩擦（現(xiàn)代可以用氣桌相當(dāng)好地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)），他觀察到，小球確實(shí)相當(dāng)精確地做勻速直線運(yùn)動(dòng).正當(dāng)他要宣布驗(yàn)證慣性定律成功時(shí)，忽然發(fā)現(xiàn)一切突然變得反常了.原來沿直線運(yùn)動(dòng)的小球偏向了一邊，朝房子的墻壁滾去，他自己也感到有一種奇怪的力把他推向墻去.究竟發(fā)生了什么事？原來有人和他開玩笑.這位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室沒有窗戶，與外界完全隔絕.開玩笑的人安裝了一種機(jī)械，可以使整個(gè)房子旋轉(zhuǎn)起來.旋轉(zhuǎn)一開始，就出現(xiàn)上述各種反?，F(xiàn)象，于是慣性定律被推翻了. 我們都看到，在非慣性參考系內(nèi)的“反常”現(xiàn)象，是出現(xiàn)了一些莫名其妙的“力”，即“慣性力”.在通常的教科書中對(duì)“慣性力”的解釋大意是這樣的，如果在非慣性系中的觀察者要堅(jiān)持用牛頓定律來解釋他所觀察到的力學(xué)現(xiàn)象，他必須假想有某種“慣性力”存在. 慣性力是慣性在非慣性系里的表現(xiàn)，它與“真實(shí)力”有區(qū)別.“真實(shí)的”力是物體間的相互作用，施力的物體必受到受力物體給它的反作用.我們說慣性力是“虛假的”，因?yàn)椴淮嬖谑┘哟肆Φ奈矬w，從而也就不存在反作用力.我們?cè)谛稳菰~“真實(shí)的”和“虛假的”上打了引號(hào).是因?yàn)檫@只是牛頓力學(xué)的說法，在廣義相對(duì)論的理論中，這種說法就不那么絕對(duì)了. 在平動(dòng)的加速參考系中，質(zhì)點(diǎn)所受的慣性力f慣=-ma，在轉(zhuǎn)動(dòng)的參考系中靜止的原點(diǎn)受到慣性離心力，以速度v運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)除受到慣性離心力外，還受到一個(gè)科里奧利力fc=2mv×ω.例如，上面談到牛頓的兩球和水桶實(shí)驗(yàn)，涉及的是慣性離心力，使傅科擺擺面運(yùn)動(dòng)的是因地球自轉(zhuǎn)引起的科里奧利力. 3 6.2 狹義相對(duì)論的基本原理 教研中心 教學(xué)指導(dǎo) 一、課標(biāo)要求 1.通過學(xué)生熟悉的物理事例讓學(xué)生理解經(jīng)典力學(xué)中的時(shí)空觀（絕對(duì)時(shí)空觀）. 2.通過對(duì)追光問題的思考，結(jié)合伽利略相對(duì)性原理提出慣性系的概念，從對(duì)實(shí)際問題的研究中發(fā)現(xiàn)并思考問題. 3.了解狹義相對(duì)論兩個(gè)基本公設(shè)的產(chǎn)生基礎(chǔ)，它與經(jīng)典時(shí)空觀的矛盾，知道愛因斯坦就是在解決這一矛盾的過程中提出了狹義相對(duì)論. 二、教學(xué)建議 1.在介紹經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀時(shí)應(yīng)該使學(xué)生明白這種時(shí)空觀特點(diǎn)是時(shí)間和空間是分離的、絕對(duì)的，與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式無關(guān)，而得出這些觀點(diǎn)的主要渠道是直覺和經(jīng)驗(yàn).在教學(xué)中應(yīng)該注意到這種時(shí)空觀已經(jīng)被學(xué)生所接受，不能急著說這種觀點(diǎn)不正確，相反可以肯定這些觀點(diǎn)對(duì)于跑動(dòng)、乘車甚至于乘坐高速運(yùn)動(dòng)的火箭的觀察者來說，時(shí)間和空間都是統(tǒng)一的. 2.追光問題的思考在本節(jié)中的地位相當(dāng)重要，教學(xué)中可以運(yùn)用所學(xué)過的知識(shí)作簡要的分析和說明，可以組織學(xué)生討論、設(shè)想、相互評(píng)價(jià)，沒有必要涉及更深的理論，但應(yīng)該使學(xué)生知道兩種結(jié)論似乎都不能令人滿意.這也就提出了問題，科學(xué)家是怎樣尋求答案的. 3.伽利略相對(duì)性原理中首先提出了慣性系的概念，指出了慣性系中的力學(xué)規(guī)律都相同，所有的慣性系都等價(jià).在教學(xué)中應(yīng)該處理好教材中給出的討論題，可以讓學(xué)生討論出在三種情況下得到三種不同的結(jié)果，都與“光速不變”產(chǎn)生矛盾，而“光速不變”這一結(jié)論只能用“大量的事實(shí)證明”來直接告訴學(xué)生. 4.狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本公設(shè)的提出，是針對(duì)伽利略的相對(duì)性原理與光速不變這一事實(shí)發(fā)生矛盾時(shí)，愛因斯坦在尋求二者的統(tǒng)一.在教學(xué)中應(yīng)該把重點(diǎn)放在介紹愛因斯坦超人的智慧和獨(dú)特的思維方式上，在要求上只能作為科普知識(shí)，沒有必要作過多的要求. 5.狹義相對(duì)論的相關(guān)知識(shí)很多學(xué)生只是了解一點(diǎn)點(diǎn)，本節(jié)教學(xué)中可以讓學(xué)生相互交流、討論，可以介紹一點(diǎn)有關(guān)狹義相對(duì)論的小故事，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但不能過多地討論. 資源參考 用伽利略相對(duì)性原理求解“為什么會(huì)擊中”的問題 此類問題在力學(xué)中是非常有趣的問題，很易用實(shí)驗(yàn)證實(shí)，既是老問題，又是新問題. 在均勻的引力場中，若忽略空氣阻力，槍瞄準(zhǔn)吊在高處B的蘋果A，往往都擊中.若A在開始射擊的時(shí)刻同時(shí)自由落下，只要子彈的速度足夠大，如圖1，都能擊中，可用牛頓力學(xué)來求解.最近，Kalotas等人指出，此種解答不能給出直觀的結(jié)果，而用另一種方法求解，即愛因斯坦等效性原理（Ep）、且考慮蘋果A在豎直方向自由下落.在這構(gòu)想中，除了應(yīng)用愛因斯坦等效性原理外，還采用連接在自由下落蘋果A和子彈上的參考系（非慣性系），引入一虛構(gòu)的達(dá)朗伯力作用于子彈和蘋果上，抵消引力，這樣在子彈和蘋果上不存在凈力，即合力為零，子彈直線運(yùn)動(dòng)擊中固定不動(dòng)的蘋果A.雖然此種方法能給學(xué)生良好的直觀感覺，但很難理解，在非慣性系中引入達(dá)朗伯力，就不易接受. 圖1 現(xiàn)在，也是本文主要談的，用伽利略的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究擊中下落蘋果的問題，在歷史上和概念上都優(yōu)越于牛頓力學(xué).此種方法能方便地、直觀地解決此類問題，也能解決兩物體（如導(dǎo)彈等）在空中相碰的問題. 伽利略的運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理：運(yùn)動(dòng)物體在以恒定速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中的物理規(guī)律是相同的，即所有的慣性系都是等價(jià)的.令S是慣性參考系，原點(diǎn)為B，考慮一個(gè)想象的參考點(diǎn)R在射擊初始時(shí)刻（t=0）以子彈的速度運(yùn)動(dòng)，以R為原點(diǎn)建立一慣性系S′.因此，S′相對(duì)于S以恒定速度（v0，θ0）直線運(yùn)動(dòng)，如圖2，在S′慣性參考系上觀察，t＝0時(shí)，子彈D開始從原點(diǎn)R由靜止自由下落，因此在任意時(shí)刻t，離原點(diǎn)R的距離為gt2，因?yàn)樵谒袘T性系中，時(shí)間間隔和空間間隔都是同樣的，則在S中觀察，在任意時(shí)刻t，子彈D離原點(diǎn)R的距離仍是gt2. 圖2 現(xiàn)考慮時(shí)刻t1，R運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，在S中，蘋果在t1期間從靜止下落，因此離原點(diǎn)的距離為gt12，因?yàn)镽和B在t1相遇，子彈D和蘋果A必在同一點(diǎn)相遇，如圖3.即相遇在R和B的下面gt12的地方.值得注意的是這種論證法不用計(jì)算，顯得簡單和直觀，可以這樣說：在R運(yùn)動(dòng)到B的時(shí)間間隔內(nèi)，自由下落的距離是gt12，與速度v0無關(guān).這里的重要點(diǎn)是在S′中的子彈D和在S中的蘋果A同時(shí)地從原點(diǎn)由靜止開始自由下落，從運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性來看，應(yīng)認(rèn)為在慣性系中自由下落是同樣的，因此當(dāng)兩個(gè)原點(diǎn)R和B相重合時(shí)，子彈D和蘋果A必在同一點(diǎn). 圖3 同樣的考慮可用于空中截?fù)裟繕?biāo)的舉例，如圖4，兩個(gè)拋射體（如炮彈、導(dǎo)彈、火箭等）同時(shí)從同樣高度射擊，初速分別為v01和v02，如前所說，假設(shè)每個(gè)拋射體在慣性系中有它自己的參考點(diǎn)，在空中相遇的條件為： v01sinθ01=v02sinθ02① 圖4 它們?cè)谕粫r(shí)刻在R′相遇，當(dāng)然，同樣的結(jié)果也可在實(shí)驗(yàn)室參考系中求得，此時(shí)，只要認(rèn)為兩個(gè)拋射體的初速的Y分量相等，即滿足①式就可，此時(shí)兩個(gè)拋射體在同樣高度相遇. 總之，本文談的方法是簡單、直觀的，只應(yīng)用伽利略的運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理、采用常用的慣性系和應(yīng)用簡單的自由落體公式，就求得滿意的結(jié)果.按現(xiàn)編的大學(xué)普通物理力學(xué)教材介紹的方法，要解決此類問題，必然應(yīng)用斜拋公式、自由落體公式和某些幾何條件，顯得麻煩些，且不直觀. 3 6.3 愛因斯坦心目中的宇宙 教研中心 教學(xué)指導(dǎo) 一、課標(biāo)要求 1.通過對(duì)同時(shí)的相對(duì)性實(shí)驗(yàn)的研究使學(xué)生進(jìn)一步理解同時(shí)的相對(duì)性與光速不變?cè)碇g的關(guān)系，認(rèn)識(shí)到時(shí)間不能絕對(duì)定義，而是與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，認(rèn)識(shí)到經(jīng)典的絕對(duì)時(shí)空觀存在著缺陷. 2.在光速不變的前提下，通過對(duì)不同參考系中的坐標(biāo)變換，介紹愛因斯坦的相對(duì)論時(shí)空觀，使學(xué)生了解到時(shí)間和空間都與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有關(guān). 3.能根據(jù)愛因斯坦的時(shí)空觀得到長度收縮效應(yīng)和時(shí)間延緩效應(yīng)這兩個(gè)重要的結(jié)論，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到牛頓的經(jīng)典時(shí)空觀只是愛因斯坦相對(duì)論時(shí)空觀在低速情形下的近似. 4.使學(xué)生了解物體的質(zhì)量也與物體的速度有關(guān)，介紹并解釋愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系E=mc2，并說明在相對(duì)論中質(zhì)量與能量之間是相互聯(lián)系的. 5.通過對(duì)具體問題的研究使學(xué)生認(rèn)識(shí)到相對(duì)論思想的重要意義，同時(shí)也應(yīng)該使學(xué)生知道在物體的速度不太高的情況下，經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律仍然是解決實(shí)際問題的基本理論. 二、教學(xué)建議 1.同時(shí)的相對(duì)性實(shí)驗(yàn)的研究是本節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容，正是由于對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的研究才否定了同時(shí)的絕對(duì)性.在教材的處理上應(yīng)該力求讓學(xué)生感受到有必要對(duì)時(shí)間和空間進(jìn)行研究，沒有必要在對(duì)A、B兩觀察者的觀察結(jié)果去作詳細(xì)的計(jì)算，可以讓學(xué)生去閱讀、質(zhì)疑、討論. 2.時(shí)空的相對(duì)性具體研究時(shí)間和空間與物體的速度有怎樣的關(guān)系，因此是本節(jié)的重點(diǎn)也是個(gè)難點(diǎn)，教學(xué)中對(duì)變換式子（1）（2）和變換式子（3）（4）只要說出它們建立的前提條件不同，不要對(duì)式子中的系數(shù)的物理意義過多地加以分析，可以直接告訴學(xué)生愛因斯坦從變換式子（3）（4）導(dǎo)出關(guān)系x=和t=這兩個(gè)式子，給出了時(shí)間和空間與速度之間的定量關(guān)系，同時(shí)要告訴學(xué)生當(dāng)v遠(yuǎn)小于c時(shí)就近似為式子（1）（2）. 3.對(duì)兩個(gè)效應(yīng)的教學(xué)應(yīng)該注意這幾點(diǎn)：（1）只要給出結(jié)論不要推導(dǎo)過程，使學(xué)生知道“動(dòng)尺變短，動(dòng)鐘變慢”；（2）要多列舉一些相關(guān)例子讓學(xué)生感受相對(duì)論的兩個(gè)奇特的效應(yīng)；（3）應(yīng)該說明在低速情形下時(shí)間和空間隨物體速度的變化是很小的，但在高速（可以與光速比較）時(shí)就不能忽略了. 4.愛因斯坦的質(zhì)量公式告訴人們物體的質(zhì)量也是隨物體的速度而變化的，這與經(jīng)典力學(xué)中“物體的質(zhì)量不隨物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變”的觀點(diǎn)不一致，應(yīng)該告訴學(xué)生在低速時(shí)這種影響很小，可以讓學(xué)生根據(jù)質(zhì)量公式作個(gè)簡單的分析，當(dāng)物體的速度v≈c時(shí)，物體的質(zhì)量為無窮大. 5.在進(jìn)行質(zhì)能關(guān)系E=mc2的教學(xué)時(shí)，不能以學(xué)生會(huì)用此關(guān)系式計(jì)算為目的，而是要向?qū)W生介紹一種新的相對(duì)論的質(zhì)能思想，了解到質(zhì)量和能量之間存在著這種內(nèi)在的聯(lián)系. 6.做好本節(jié)的小結(jié)在教學(xué)中也十分的重要，可以按照從發(fā)現(xiàn)問題→研究問題→提出假設(shè)→理論研究→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的物理研究方法的順序進(jìn)行整理，應(yīng)該再一次強(qiáng)調(diào)本節(jié)所得到的這些結(jié)論都是以狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本公設(shè)為基礎(chǔ)的. 7.簡介愛因斯坦生平、對(duì)學(xué)生進(jìn)行德育教育 高中物理教材，除了涉及相對(duì)論知識(shí)外，還有一些地方提到愛因斯坦的名字，對(duì)他的思想、功績作了高度的評(píng)價(jià)，如“著名物理學(xué)家愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論，成為現(xiàn)代物理學(xué)的開端”；“在普朗克量子論啟發(fā)下，愛因斯坦天才地預(yù)見到……光子的存在”；“求出結(jié)合能，這要?dú)w功于大科學(xué)家愛因斯坦.”為此，在教學(xué)中除了滲透愛因斯坦的思想、觀點(diǎn)外，還要對(duì)他的生平作簡要介紹，介紹他的科學(xué)貢獻(xiàn)，對(duì)人類思想的影響；介紹他的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度與懷疑、批判精神；介紹他熱愛正義事業(yè)，關(guān)心中國人民解放事業(yè)的崇高品質(zhì).由于他對(duì)人類思想、科學(xué)、文化的貢獻(xiàn)，列寧稱贊他是：“自然科學(xué)偉大的革新家”. 通過教材中有關(guān)相對(duì)論知識(shí)的教學(xué)，學(xué)生們開始對(duì)經(jīng)典物理思想的束縛有些認(rèn)識(shí)，他們開闊了視野、提高了思維能力.據(jù)調(diào)查，學(xué)生們反映“過去我們認(rèn)為牛頓是世界上唯一最偉大的物理學(xué)家，牛頓定律是放之四海而皆準(zhǔn)的真理，學(xué)習(xí)相對(duì)論知識(shí)后，眼界豁然開朗，天外還有天，牛頓之外還有位大物理學(xué)家愛因斯坦”；學(xué)習(xí)相對(duì)論知識(shí)“能開闊思路，活躍思想，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，學(xué)到一種新的思維方法，它向我們打開一扇通往物理奇特世界的大門”；學(xué)習(xí)相對(duì)論知識(shí)后“覺得耳目為之一新，對(duì)某些傳統(tǒng)觀念發(fā)生改變，思維隨之產(chǎn)生巨大的飛躍，它啟發(fā)人們?nèi)ニ伎迹ヌ剿鳌?；“受益最大的是愛因斯坦?yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，不迷信舊觀念，大膽懷疑、堅(jiān)持真理、敢于沖破條條框框的科學(xué)精神.” 資源參考 將來光速比烏龜爬還慢 ——科學(xué)家已將光速降低到17 m/s 一個(gè)國際科研小組利用一種超低溫原子云為“介質(zhì)”，成功地使光在其中的傳播速度降低到真空中的二千萬分之一，這一成果在光計(jì)算機(jī)、光通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景. 光在這一“介質(zhì)”中傳播速度最低時(shí)達(dá)到每秒17 m，而目前自行車比賽世界紀(jì)錄保持者每秒最快可騎19.2 m，能夠?qū)⒃谛隆敖橘|(zhì)”中傳播的光遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋于身后，這些科學(xué)家希望不久還將使光的速度進(jìn)一步降低到每小時(shí)40 m左右，慢到幾乎與烏龜爬行的速度相等，最近出版的英國《自然》雜志刊登了在美國羅蘭科研所、哈佛大學(xué)和斯坦福大學(xué)工作的科學(xué)家共同取得的這項(xiàng)研究成果. 光在真空中速度可達(dá)每秒30萬千米，它在進(jìn)入水或玻璃等介質(zhì)后由于折射關(guān)系傳播速度會(huì)變慢，但在普通的光學(xué)材料中減慢光速的程度存在一定限制，一般只會(huì)減慢到原來的幾分之一，但在特定條件下，這種限制可以打破，光速也因此而可能減慢至驚人的程度. 科學(xué)家采用的新“介質(zhì)”由施加激光后的超低溫原子云構(gòu)成.研究人員首先將大量鈉原子組成的原子云冷卻至接近絕對(duì)零度后形成所謂的“玻色—愛因斯坦凝聚”狀態(tài)，在這種低溫狀態(tài)下原子的速度幾乎等于零，結(jié)果鈉原子就被迫互相重疊，形成一種“冷凝物”.然后科學(xué)家用激光束處理“冷凝物”，大幅度地改變了它的折射率，科學(xué)家們將一束黃色激光通過該“冷凝物”后，成功地觀測到了黃色激光光速大幅度降低的現(xiàn)象.穿過“冷凝物”后出來的激光肉眼無法看到，但是儀器顯示它的顏色與進(jìn)入時(shí)的激光顏色相同. 科學(xué)家們認(rèn)為，這一成果有很多實(shí)際用途，比如這種新介質(zhì)不會(huì)使熱能隨激光而傳遞到被激光所照射的物質(zhì)上，對(duì)于研制未來的光學(xué)計(jì)算機(jī)具有非常重要的意義.此外，利用它可開發(fā)將不可見的紅外線轉(zhuǎn)換為肉眼可識(shí)別的可見光的技術(shù)，減少通信系統(tǒng)中的噪音以及研制性能更好的視頻顯示和夜視裝置等. 2 6.4 微觀世界與量子論 教研中心 教學(xué)指導(dǎo) 一、課標(biāo)要求 1.初步認(rèn)識(shí)量子物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的區(qū)別，了解量子物理學(xué)對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生的影響. 2.了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，從中感受光的粒子性，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的研究和分析使學(xué)生了解光子、光子的能量 、極限頻率、光電子和光電流的基本概念. 3.了解光譜、氫原子光譜，知道用玻爾的原子模型來解釋原子的線狀光譜，知道原子的能級(jí)以及原子躍遷時(shí)發(fā)射或吸收光子的頻率由|Em-En|決定. 4.介紹光的波粒二象性和物質(zhì)波，進(jìn)一步開拓學(xué)生的視野，能夠更全面地認(rèn)識(shí)整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展、人類對(duì)整個(gè)自然的認(rèn)識(shí). 二、教學(xué)建議 1.光電效應(yīng)是人類認(rèn)識(shí)到光具有粒子性的重要實(shí)驗(yàn)，也是量子物理學(xué)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，在對(duì)這部分內(nèi)容的教學(xué)中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（1）赫茲等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光電子是人們進(jìn)一步研究光電效應(yīng)的開始，在這里可以暗示學(xué)生光可能有能量；（2）實(shí)驗(yàn)探究——光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律是本節(jié)的重點(diǎn)，要使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中認(rèn)識(shí)光電管、光電流，感受到光具有能量并且與其頻率有關(guān)，理解極限頻率、光的強(qiáng)度等概念.（3）在上面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上介紹愛因斯坦的光量子理論，讓學(xué)生用E=hν去感受不同頻率的光所具有的能量不同. 2.實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)：（1）介紹光電管以及實(shí)驗(yàn)電路；（2）引導(dǎo)學(xué)生使用正確的探究方法（包括如何改變條件、控制變量）；（3）提示觀察目標(biāo)：電流表示數(shù)的變化；（4）指導(dǎo)學(xué)生作好記錄；（5）組織學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象進(jìn)行討論. 3.實(shí)驗(yàn)規(guī)律的分析論證實(shí)際上是在總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同時(shí)介紹愛因斯坦的光量子理論，教學(xué)中要注意現(xiàn)象與理論的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如：從紫光能產(chǎn)生光電效應(yīng)而紅光不能→提出極限頻率→不同金屬的極限頻率不同；從光電效應(yīng)產(chǎn)生的瞬時(shí)性→提出光量子→光子的能量 ；從照射光的強(qiáng)度增加光電流增大→光的強(qiáng)度越大代表單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)越多. 4.玻爾原子模型的教學(xué)可以從下面幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行：（1）從線狀光譜的產(chǎn)生原因提出問題；（2）簡要介紹盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)，并說明它不能解釋線狀光譜的產(chǎn)生；（3）介紹玻爾原子模型的能量量子化與軌道半徑量子化、能級(jí)、躍遷規(guī)律，它很好地解釋了線狀光譜的產(chǎn)生，并經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 5.在介紹實(shí)物粒子與波的時(shí)候應(yīng)該注意總結(jié)光的波粒二象性，從德布羅意的物質(zhì)波長λ=進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到物理學(xué)的奇妙與和諧，還應(yīng)該告訴學(xué)生人類認(rèn)識(shí)自然永無止境，物理學(xué)的明天會(huì)更加絢麗. 資源參考 談“光子” 一、光子究竟是什么樣子 對(duì)于光是一種波，學(xué)生頭腦中的形象很清楚，基本上就像水波或者聲波一樣，散布在一個(gè)空域中，而這個(gè)空域的形體是可以變化的，光波可以分割，即使到了光的電磁理論的時(shí)候，也只是把光波中振動(dòng)的量，更具體化為電場與磁場而已. 對(duì)于光子，學(xué)生也習(xí)慣于要去建造一個(gè)模型來模擬，就是要找一個(gè)宏觀物體，或者一種宏觀的運(yùn)動(dòng)，它能在主要方面和光子的行為相似.我們不妨為此去做些努力吧. 把光子仍然想象成可以任意分割的波，可無法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律，因?yàn)檫@些規(guī)律顯示出光的能量，必須是一份一份不可分割的.尤其是后來一些精彩的實(shí)驗(yàn)，把這種粒子性顯示得更加突出.比如有人做過用極微弱的光進(jìn)行雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在可以分辨的時(shí)間內(nèi)，平均只有一個(gè)光子到達(dá)屏幕，開始在屏幕上顯示出來的不是很弱的干涉花紋，而是實(shí)實(shí)在在的一個(gè)個(gè)的光點(diǎn).這是非常清楚的粒子的形象，每個(gè)點(diǎn)的光能就正好是hν.只有當(dāng)很多光子通過雙縫以后，屏上才逐漸顯示出，亮暗相間的條紋，可見，那些亮的區(qū)域，是許多光點(diǎn)組成的，而暗的區(qū)域則是光子到達(dá)概率很小的區(qū)域. 這樣看來，似乎又應(yīng)該把光子想象成一個(gè)彈丸似的東西了，一個(gè)彈丸打在靶上就出現(xiàn)一個(gè)孔，這是我們?cè)诳陀^世界所熟悉的東西.可是這也不行.因?yàn)楣獗仨毻ㄟ^雙縫才能形成干涉條紋.若把光子想象成彈丸的話，一個(gè)彈丸只能通過一個(gè)縫，通過一個(gè)縫與另一個(gè)縫是開是合有什么關(guān)系呢？要解釋清楚這個(gè)現(xiàn)象，必須認(rèn)為光是一種波，它的部分通過一條縫，另一部分通過另一條縫，結(jié)果形成了干涉. 總之，光子表現(xiàn)出來的行為是這樣的：它打在熒光屏或光電陰極上，出現(xiàn)在一個(gè)很小的區(qū)域中，它的能量是一個(gè)不可分的份額h，這說明它是粒子，可是它在通過狹縫時(shí)，它又必須展布在一個(gè)較大的空間，而且可以分割成任意的幾部分，把這些被分割的部分重疊在一起，還會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，這清楚地說明它是一種波.在宏觀世界中，能找到具有這種性質(zhì)的東西嗎？不能.正是因?yàn)楹暧^世界中沒有這種東西，這才給光子的形象造成了困難.其實(shí)，我們認(rèn)識(shí)一個(gè)事物，重要的是要知道它在什么環(huán)境下有什么表現(xiàn)，我們能夠完全掌握它的規(guī)律就行了，用另一個(gè)東西來類比并不是必須的.事實(shí)上，任何類比也只能是局部的相似，世界上不存在完全相似的事物，除非事物本身.因此，對(duì)于“光子是什么樣子”的回答是：光子就是它自身那樣子. 二、一個(gè)電子同時(shí)吸收二個(gè)光子的可能性是極小的 首先來分析一下，“積累”的問題：一個(gè)電子在吸收了一個(gè)光子以后，能否將這個(gè)能量保存下來，直到再吸收一個(gè)光子呢？ 從經(jīng)典模型來看，把一個(gè)電子看作能量可連續(xù)改變的粒子，當(dāng)一個(gè)電子吸收一個(gè)光子以后，其能量就顯著高于鄰近的電子和原子核，這是一種非平衡狀態(tài).按照熱力學(xué)的原理，不平衡的系統(tǒng)將通過各種方式趨于平衡，從而電子將把它獲得的光子的能量均勻分給周圍的其他粒子.這個(gè)過程一般不會(huì)超過10-8 s. 從量子模型來看，金屬中的電子處于各種不同能級(jí)之上，吸收了一個(gè)光子的電子，將從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這使得電子在能級(jí)上的分布偏離平衡分布，因此電子也會(huì)在10-8 s內(nèi)將能量均分出去，恢復(fù)平衡分布.故電子吸收一個(gè)光子后處于激發(fā)態(tài)的“壽命不會(huì)超過10-8 s”. 在10-8 s內(nèi)，電子能否期望再吸收一個(gè)光子呢？不妨來具體估算一下.假設(shè)入射光的強(qiáng)度為100 W/cm2，光的頻率為6×1014 Hz，則在10-8 s內(nèi)通過每平方厘米面積的光子數(shù)為 n==2.5×1012（個(gè)/cm2） 再估計(jì)一下金屬表面每平方厘米上的電子數(shù).金屬原子間的距離為10-8 cm數(shù)量級(jí)，每個(gè)原子貢獻(xiàn)一個(gè)電子，則1cm2上將有1016個(gè)電子.即使認(rèn)為電子能吸收在一個(gè)原子范圍內(nèi)通過的光子（事實(shí)上電子對(duì)光子的吸收截面積只有原子范圍的），那么在10-8 s內(nèi)，電子吸收一個(gè)光子的幾率是P1==2.5×10-4.而在10-8 s內(nèi)吸收兩個(gè)光子的概率是P2=P12=6.3×10-8，可見可能性是非常小的.當(dāng)然，如果光強(qiáng)增大若干萬倍，電子在10-8 s內(nèi)同時(shí)吸收兩個(gè)光子的可能性是可以達(dá)到觀察的數(shù)值的，然而，恐怕沒有任何一種材料能耐受這樣強(qiáng)的照射而不被破壞.因此弱光確實(shí)不能產(chǎn)生雙光子吸收現(xiàn)象. 三、光子與電子有哪些異同 光子與電子都具有波粒二象性，一般情況下，它們的運(yùn)動(dòng)都不再遵從牛頓運(yùn)動(dòng)定律，我們無法跟蹤它們的軌跡，但是它們?cè)诳臻g各點(diǎn)出現(xiàn)的概率是受波動(dòng)規(guī)律支配的. 但光波是電磁波，在真空中的傳播速度恒為c，電子的波是物質(zhì)波，主要存在以下一些區(qū)別： 光子 電子 靜質(zhì)量 0 9.1×10-31 kg 動(dòng)質(zhì)量 hν/c2 動(dòng)量 hν/c mv（） 能量 hν mc2（hν） 電性 中性 負(fù)電 波長 c/ν h/mv 3 聯(lián)系地址：鄭州市經(jīng)五路66號(hào)河南電子音像出版社有限公司 郵編 450002 電話 400-688-1789 第 頁 共 3 頁