6.2
狭义相对论的基本原理
思维激活
普希金的一首关于“运动”的诗，你阅读过吗？“世界上没有运动，一个满腮胡须的哲人说.另一个哲人不开口，却在他面前来回地走.他这个反驳真是再有力不过.人们都赞美这个奥妙的答复.可是，先生们，这个有趣的事件，使我想起了另外一个例子：谁都看见太阳每天在我们头上走，然而正确的却是固执的伽利略.”从这首诗中你得到什么启示？
图6-2-1
提示
人们对自然界的认识总是逐渐深入的，由感性到理性，由现象到本质，任何理念都只是人类长期对自然规律探索的一个发展阶段，然后被新的理论所替代.人类在认识自然的过程中，常常被一些看似合理的假象所蒙蔽，随着人类实践活动的不断进行，人们才能逐步地透过现象看到本质，形成更加完整的理论体系，相对论的出现正是对经典力学的修正和完善.
自主整理
一、经典力学的时空观
1.概述：绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关，而永远相同和不动的，绝对的时间自身在不停地流逝着.这就是经典力学的时空观，也称为绝对时空观.
2.绝对时空观的特点：时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质的运动无关，都是绝对的.
二、狭义相对论的基本公设
1.惯性系与非惯性系
牛顿运动定律的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系.如研究地面上物体的运动时，地面就是惯性参考系，相对于地面做匀速直线运动的参考系，也是惯性参考系.
2.伽利略的相对性原理
（1）概述：对于所有的惯性系，力学规律是相同的，或者说一切惯性系都是等效的.
（2）两个要点：如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系叫做惯性系；相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系.
（3）力学规律在任何惯性系中都是相同的，或者说，任何惯性系都是等效的.
3.两条基本公设
（1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.
（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的.
这是爱因斯坦在前人的实验基础上提出的假设，这两个假设就是狭义相对论的基础.
高手笔记
1.牛顿的绝对时空观
（1）绝对的、真正的数学时间，出于其本性而自行均匀地流逝着，与外界任何事物无关.或绝对的时间，就其本性而言与外界任何事物毫无关系，它永远保持不变或不动.
（2）绝对的运动是物体从某一绝对的处所转移到另一绝对的处所.即对于空间的运动存在一个绝对的参考系；时间存在一个绝对的计时系统.
2.马赫的时空观
凡不能由实验证明的概念及陈述，都不应该在物理学理论中占有任何的地位——否认了绝对时空观.
理由：物体的相对位置和相对移动才是可测量的.
（1）空间的位置是相对的.
（2）速度是相对的.
3.伽利略相对性原理
力学定律在一切惯性参考系中具有相同的形式，任何力学实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系，这就是伽利略相对性原理.该原理最早由伽利略提出，是经典力学的基本原理.
4.狭义相对性原理
物理定律在任何惯性参考系中具有相同的形式，这就是狭义相对性原理.爱因斯坦把伽利略相对性原理从力学领域推广到包括电磁学在内的整个物理领域，指出任何力学和电磁学实验都不能区分静止和匀速运动的惯性参考系.该原理是狭义相对论的基本原理.
名师解惑
1.力学的相对性原理和狭义相对性原理有何区别？
剖析：力学的相对性原理指的是力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时，一切惯性系都是等价的、平权的.因此无法借助力学实验的手段确定惯性系自身的运动状态.
而狭义相对论指的是物理定律在所有惯性系中都是相同的，因此各个惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系.因此狭义相对论原理所指范围更大，内容更丰富.
2.惯性系和非惯性系的比较
剖析：牛顿运动定律能够成立的参考系叫做惯性系，匀速运动的汽车、轮船等作为参考系就是惯性系.牛顿运动定律不成立的参考系叫做非惯性系.例如我们坐在加速的车厢里，以车厢为参考系观察路边的树木房屋向后方加速运动，根据牛顿运动定律，房屋树木应该受到不为零的合外力作用，但事实上没有，也就是牛顿运动定律不成立.这里加速的车厢就是非惯性系.
3.如何理解狭义相对论两条基本公设？
剖析：（1）爱因斯坦相对性原理：对于描述一切物理过程（包括物体位置变动、电磁以及原子过程）的规律，所有惯性系都是等价的，这里的物理过程包括光在内.爱因斯坦把伽利略的力学相对性原理推广到了电磁物理规律和一切其他规律，成为第一个公设.
（2）光速不变原理：在所有相对光源静止或做匀速直线运动的惯性系中观察，真空中的光速都相同，与光源的运动和观察者的运动没有关系.这一条公设使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理图像.设想从一点光源发出一光脉冲，如人从光源在其中保持静止的参考系中观察，波前为以光源为中心的球面；如从相对于光源做匀速直线运动的另一参考系观察，波前将同样是以光源为中心的球面.这预示着与伽利略变换不同的时空观.6.2
狭义相对论的基本原理
教研中心
教学指导
一、课标要求
1.通过学生熟悉的物理事例让学生理解经典力学中的时空观（绝对时空观）.
2.通过对追光问题的思考，结合伽利略相对性原理提出惯性系的概念，从对实际问题的研究中发现并思考问题.
3.了解狭义相对论两个基本公设的产生基础，它与经典时空观的矛盾，知道爱因斯坦就是在解决这一矛盾的过程中提出了狭义相对论.
二、教学建议
1.在介绍经典力学的绝对时空观时应该使学生明白这种时空观特点是时间和空间是分离的、绝对的，与物质的运动形式无关，而得出这些观点的主要渠道是直觉和经验.在教学中应该注意到这种时空观已经被学生所接受，不能急着说这种观点不正确，相反可以肯定这些观点对于跑动、乘车甚至于乘坐高速运动的火箭的观察者来说，时间和空间都是统一的.
2.追光问题的思考在本节中的地位相当重要，教学中可以运用所学过的知识作简要的分析和说明，可以组织学生讨论、设想、相互评价，没有必要涉及更深的理论，但应该使学生知道两种结论似乎都不能令人满意.这也就提出了问题，科学家是怎样寻求答案的.
3.伽利略相对性原理中首先提出了惯性系的概念，指出了惯性系中的力学规律都相同，所有的惯性系都等价.在教学中应该处理好教材中给出的讨论题，可以让学生讨论出在三种情况下得到三种不同的结果，都与“光速不变”产生矛盾，而“光速不变”这一结论只能用“大量的事实证明”来直接告诉学生.
4.狭义相对论的两个基本公设的提出，是针对伽利略的相对性原理与光速不变这一事实发生矛盾时，爱因斯坦在寻求二者的统一.在教学中应该把重点放在介绍爱因斯坦超人的智慧和独特的思维方式上，在要求上只能作为科普知识，没有必要作过多的要求.
5.狭义相对论的相关知识很多学生只是了解一点点，本节教学中可以让学生相互交流、讨论，可以介绍一点有关狭义相对论的小故事，目的是激发学生的学习兴趣，但不能过多地讨论.
资源参考
用伽利略相对性原理求解“为什么会击中”的问题
此类问题在力学中是非常有趣的问题，很易用实验证实，既是老问题，又是新问题.
在均匀的引力场中，若忽略空气阻力，枪瞄准吊在高处B的苹果A，往往都击中.若A在开始射击的时刻同时自由落下，只要子弹的速度足够大，如图1，都能击中，可用牛顿力学来求解.最近，Kalotas等人指出，此种解答不能给出直观的结果，而用另一种方法求解，即爱因斯坦等效性原理（Ep）、且考虑苹果A在竖直方向自由下落.在这构想中，除了应用爱因斯坦等效性原理外，还采用连接在自由下落苹果A和子弹上的参考系（非惯性系），引入一虚构的达朗伯力作用于子弹和苹果上，抵消引力，这样在子弹和苹果上不存在净力，即合力为零，子弹直线运动击中固定不动的苹果A.虽然此种方法能给学生良好的直观感觉，但很难理解，在非惯性系中引入达朗伯力，就不易接受.
图1
现在，也是本文主要谈的，用伽利略的运动学研究击中下落苹果的问题，在历史上和概念上都优越于牛顿力学.此种方法能方便地、直观地解决此类问题，也能解决两物体（如导弹等）在空中相碰的问题.
伽利略的运动相对性原理：运动物体在以恒定速度相对运动的坐标系中的物理规律是相同的，即所有的惯性系都是等价的.令S是惯性参考系，原点为B，考虑一个想象的参考点R在射击初始时刻（t=0）以子弹的速度运动，以R为原点建立一惯性系S′.因此，S′相对于S以恒定速度（v0，θ0）直线运动，如图2，在S′惯性参考系上观察，t＝0时，子弹D开始从原点R由静止自由下落，因此在任意时刻t，离原点R的距离为gt2，因为在所有惯性系中，时间间隔和空间间隔都是同样的，则在S中观察，在任意时刻t，子弹D离原点R的距离仍是gt2.
图2
现考虑时刻t1，R运动到B点，在S中，苹果在t1期间从静止下落，因此离原点的距离为gt12，因为R和B在t1相遇，子弹D和苹果A必在同一点相遇，如图3.即相遇在R和B的下面gt12的地方.值得注意的是这种论证法不用计算，显得简单和直观，可以这样说：在R运动到B的时间间隔内，自由下落的距离是gt12，与速度v0无关.这里的重要点是在S′中的子弹D和在S中的苹果A同时地从原点由静止开始自由下落，从运动的相对性来看，应认为在惯性系中自由下落是同样的，因此当两个原点R和B相重合时，子弹D和苹果A必在同一点.
图3
同样的考虑可用于空中截击目标的举例，如图4，两个抛射体（如炮弹、导弹、火箭等）同时从同样高度射击，初速分别为v01和v02，如前所说，假设每个抛射体在惯性系中有它自己的参考点，在空中相遇的条件为：
v01sinθ01=v02sinθ02①
图4
它们在同一时刻在R′相遇，当然，同样的结果也可在实验室参考系中求得，此时，只要认为两个抛射体的初速的Y分量相等，即满足①式就可，此时两个抛射体在同样高度相遇.
总之，本文谈的方法是简单、直观的，只应用伽利略的运动相对性原理、采用常用的惯性系和应用简单的自由落体公式，就求得满意的结果.按现编的大学普通物理力学教材介绍的方法，要解决此类问题，必然应用斜抛公式、自由落体公式和某些几何条件，显得麻烦些，且不直观.6.3
爱因斯坦心目中的宇宙
思维激活
世界上有各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟，如图6-3-1所示.既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢.这种说法是否正确呢？
图6-3-1
提示
将不同类型的两架钟调整到速度相同，并将它们密封在一个盒子中，再让该盒子匀速运动.如果运动对一架钟的影响比另一架大，则坐在盒子里的人就能看到两架钟的差别，因而可以知道盒子是在运动，显然这违反了相对论的基本原理：一个密闭在盒子中的人是无法辨认自己是处于静止状态，还是匀速运动状态的.所以一架钟变慢时，所有钟必定都变慢，且变慢的程度一定严格相同.
自主整理
一、爱因斯坦的时空观
1.“同时”的相对性
“同时性”在惯性系中，在低速时是没有疑问的，例如一列火车在做匀速直线运动，在某车厢中的中点一个人点燃一支蜡烛.他看到车厢前后两壁是同时被照亮的，地面上的人也应认为前后壁都是被同时照亮的.但有了光速不变原理时，情况就不一样了，当火车速度较大时，地面上的人将认为光先到达后壁
，而后达到前壁.这就是“同时的相对性”.
2.时空的相对性
假如有一个事件P发生，在参考系A中的坐标为（x，y，z），发生的时间为t，在以速度v运动的参考系B中的坐标为（x′，y′，z′），发生的时间为t′，则有变换公式：
爱因斯坦的时空相对性揭示了时间、空间与物质运动存在着内在的不可分割的联系，并给出了它们之间的定量关系.
二、两个奇特的效应
1.长度收缩效应
物体静止长度l0和运动长度l之间的关系为：
l=l0
上面的式子说明，相对于地面以速度v运动的物体，从地面上看，沿着运动方向上的长度变短了，速度越大，变短得越多.
2.时间延缓效应
Δt=
上面的式子具有普遍意义，当从地面观察以速度v前进的火车时，车上的时间进程变慢了，不仅时间变慢了，物理、化学过程和生命的过程都变慢了，但车上的人都没有这种感觉，他们反而认为地面上的时间进程变快了.
三、爱因斯坦的质量公式
经过严格的证明，物体有静止质量m0和运动的质量m，它们之间有如下关系：
m＝
从上式可以看出，当物体（一般是粒子）的速度很大时，其运动时的质量明显大于静止时的质量.
四、质能关系
按照相对论和基本力学定律可推出质量和能量具有如下关系：E=mc2
这就是著名的质能关系.如果用Δm表示物体质量的变化，ΔE表示能量的变化，那么它们的关系可以表示为
ΔE=Δmc2
该式表示，随着一个物体质量的减小，会释放一定的能量；与此同时，另一个物体吸收了能量，质量也会增大.
高手笔记
1.狭义相对论时空观和牛顿时空观的区别
（1）牛顿时空观：
①空间是绝对静止不动的(即绝对空间)，时间是绝对不变的(即绝对时间).
②空间和时间跟任何外界物质的存在及其运动情况无关.
③空间是三维欧几里得空间，时间是一维的，空间和时间彼此独立.
（2）狭义相对论时空观：
①不存在绝对的空间和绝对的时间.
②空间、时间与在其中运动的物质存在着密不可分的联系.
③空间和时间是紧密相连的，统一构成闵可夫斯基四维空间(即伪欧几里得空间).
为了详细地反映出它们之间的区别，下面对一些基本概念列表进行比较.
牛顿时空观
狭义相对论时空观
光速
相对的（不同惯性参考系中光速不同）
绝对的（在任何惯性参考系中光速都相同）
时空变换关系
伽利略变换x′=x-vty′=yz′=zt′=t
洛伦兹变换x′=y′=yz′=zt′=β=
时间间隔
绝对的（与惯性参考系的运动状态无关）Δt′=Δt
相对的（与惯性参考系的运动状有关）Δt′=Δt
空间长度
绝对的（与惯性参考系的运动状态无关）ΔL′=ΔL
相对的（与惯性参考系的运动状态有关）ΔL′=
时空间隔
（无此概念）
绝对的ΔS′2=ΔS2ΔS2=ΔL2-c2Δt2ΔS′2=ΔL′2-c2Δt′2
同时
绝对的t2′-t1′=0
t2′-t1′=（1）若x1=x2，则t2′-t1′=0，则同时是绝对的（2）x1≠x2，则t2′-t1′≠0，则同时是相对的
没有因果关系的两事件的次序
绝对的（对一个惯性参考系成立，则对其他惯性参考系也成）
相对的（只对某些惯性参考系成立，对另外一些惯性参考系次序可能相反）
有因果联系的两事件的次序
绝对的
绝对的
质量
牛顿力学绝对的m=m0
相对论力学相对的M=
力
（1）F=（mv）=ma（2）加速度a是一不变量，其方向与力的方向一致（3）作用力与反作用力大小相等方向相反
（1）F=（）（2）加速度a为一可变量，其方向与力的方向不一定相同（3）作用力与反作用力由于同时的相对性，一般说来并不是大小相等方向相反的
动量
p=mv
动能
Ek=mv2
Ek=m0c2［-1］
静能总能量
（无此概念）E=Ek+Ep（总能量等于动能和势能之和）
E0=m0c2E=Ek+E0（总能量等于动能和静能之和）
2.狭义相对论时空观与牛顿时空观的联系
(1)牛顿时空观和狭义相对论时空观都包含了空间是均匀的，各向同性的(无论以哪一点作为坐标原点、坐标轴任取哪个方向都是一样的)、时间是均匀的假设.也就是说这两种时空观都认为所有处于空间和时间中的点都是等价的.正因为如此，所以伽利略变换和洛伦兹变换都是线性的.
(2)牛顿时空观的某些概念是光速趋于无限大时(即vc时)狭义相对论时空观的某些对应概念的极限情况.
例如：在c→∞时，洛伦兹变换转变成伽利略变换.
时间间隔、空间长度及同时等在c→∞时都从相对的转变成绝对的.
相对论力学中的质量、力、动量、动能等概念的表达式在c→∞时都和牛顿力学中的这些概念的表达式趋于一致.
(3)牛顿力学中有一个伽利略相对性原理，所有的力学规律从一个惯性参考系变换到另一个惯性参考系时其具体形式保持不变.同样，狭义相对论中也有一个狭义相对性原理，所有的物理规律从一个惯性参考系变换到另一个惯性参考系时其具体形式保持不变.而狭义相对性原理正是伽利略相对性原理合乎逻辑的推广.
名师解惑
1.对长度收缩效应的理解
剖析：可以想象这样一幅图景：一列火车以接近光的速度从我们身边飞驰而过，我们感到车厢变短了，车窗变窄了……火车越快，这个现象越明显，但是车厢和车窗的高度都没有变化.车上的人有什么感觉呢？他认为车上的一切和往常一样，因为他和火车是相对静止的.但是，他却认为地面上的景象有些异常：沿线的电线杆间的距离变短了，面对铁路线的正方形布告牌由于宽度变小而高度未变竟成了窄而高的矩形……
2.对时间延缓效应的理解
剖析：时间延缓效应也叫钟慢效应.一个相对于我们做高速运动的惯性系中发生的物理过程，在我们看来，它所经历的时间比在这个惯性系中直接观察到的时间长.对于化学反应、生命过程等这一结论也是正确的.根据同样道理，设一对孪生子，一人停在地面上，另一人乘飞船飞行，当回到地面时，两人站在一起，后者比前者年轻，这称作双生子效应.
3.对质速关系的理解
剖析：在相对物体静止的参考系中测量，物体具有最小的质量m0（称为静止质量），在相对物体以速度v运动的惯性系中测量，物体的运动质量为
m＝
由于v＜c，所以m＞m0，速度v越大，运动质量也越大.当v=0.98c时，m=5m0.当v?c时，m=m0，这就回到了经典物理学的结论——物体的质量与物体的运动状态无关.对于速度v=c的光子，其静止质量m0=0，即只有静止质量为零的粒子，才能以速度c运动.对于质量m0≠0的物体，当v→c时，m→∞，可见，即使长时间对物体施加恒力F的作用，物体的速度也不可能无限制地增大，其速度不可能达到光速c.
4.对质能关系的理解
剖析：质量和能量是物体不可分离的属性，其关系式为E=mc2.一个静止质量为m0的物体，在相对它静止的参考系中测量其质量为m0，能量为E＝mc2=m0c2，该能量称为物体的静能量.
当物体的质量减少时，它会释放出一定的能量；反之，当物体吸收能量后，它会增加一定的质量.不过，要使物体的质量发生变化并非易事，人类现在已经找到了引发物体质量发生变化的方法——核裂变和核聚变.原子能发电站、原子弹核氢弹便是核反应能量释放的实际应用.根据质能关系式，当物体有Δm的质量发生变化时，一定伴随着有ΔE的能量变化，其关系式为ΔE=Δmc2.和平利用原子能这一新能源，正是当前全世界人民所企盼的.
5.广义相对论的时空观
剖析：时空弯曲：光线在引力场中会发生弯曲，也就是说空间本身被引力弯曲了.引力不但影响空间，还会影响时间，对这种影响的描述称为时空弯曲.宇宙中，物质密度大的区域，时空弯曲也大；物质稀少的区域，时空弯曲小，即时空较“平直”.英国科学家爱丁顿，从发生日食时所拍摄的太阳所在天区的恒星照片，与太阳不在该天区时所拍摄的同一天的恒星的照片比较，发现两张照片上的恒星位置不会重合，从而证实了远处恒星发来的光线，在经过太阳附近时，因太阳的引力作用而弯曲.6.1
经典力学的巨大成就和局限性
思维激活
科学的理论对实践有巨大的指导作用，请你从经典物理中找到一例加以论证.
提示
牛顿的万有引力定律在人类认识自然指导实践的过程中起到过巨大的作用，1781年3月3日，英国天文学家威廉·赫歇耳发现天王星以后，世界上一些天文学家根据牛顿引力理论计算天王星轨道时，发现计算的结果总与实际观测位置不符合.这就引起人们思索：是牛顿理论有问题，还是另外有一个天体引力施加在天王星上？1845年，一位年仅26岁的英国剑桥大学青年教师亚当斯，通过计算研究认为在天王星轨道外还有一颗大行星，正是这颗未知的大行星的引力，才使理论计算和实际观测的位置不符合，他通过计算预报了这颗未知大行星在天空中的位置.然而，他的预报没有引起有关天文学家的重视.同样，1845年夏季，法国天文工作者勒威烈，也独立地通过计算预报了天王星轨道外这颗未知大行星在天空中的位置.德国柏林天文台长伽勒，根据勒威烈的预报位置，于1846年9月23日果然发现了这颗大行星.海王星的发现又使太阳系的边界向外延展了约17亿公里.海王星的发现是牛顿奠定的天体力学的辉煌成果，是理论指导实践的典范.
自主整理
一、一座永垂不朽的纪念碑
1.《自然哲学的数学原理》的产生：英国科学家牛顿的代表作.成书于1687年.
2.《自然哲学的数学原理》介绍：全书共分两个部分.第一部分是“定义和注释”“运动的基本原理”.第二部分是定律的应用，其内容包括：万有引力定律和行星的运动；流体力学的开创性研究；天体力学和宇宙系统的开拓性研究（行星的运动、卫星的运动、地面上的落体运动、抛体运动、彗星轨道、岁差以及潮汐现象等）.
全书贯穿了牛顿和莱布尼兹分别独立发明的数学方法——微积分.它在科学史上占有非常重要的地位，因为它标志着经典力学的建立.
二、经典力学的巨大成就
1.把天体运动与地上物体的运动统一起来了.
2.以经典力学为基础发展起来了天体力学、材料力学.
3.力学与热学结合引发了第一次工业革命.
4.经典力学是航天的理论基础.
三、经典力学方法论的意义
经典力学的研究方法以伽利略和牛顿最为典型.
伽利略：理想实验法.
牛顿：归纳——演绎法，建立理论体系.
四、经典力学的局限性
1.经典力学对时间和空间的认识
（1）把一切自然现象都归结为机械决定论.
（2）把时间、空间割裂开来，认为它们与物质运动无关.
2.经典力学的适用范围
（1）只适用于低速运动，不适用于高速运动.
（2）只适用于宏观世界，不适用于微观世界.
（3）只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境.
高手笔记
亚里士多德、伽利略、牛顿的科学研究方法比较：
科学家
简介
方法论
意义
科学成就
亚里士多德Aristotle384—322
世界古代史上最伟大的古希腊哲学家、科学家和教育家
以人的感觉经验和逻辑理性来研究物体的运动
开辟了探索自然界奥秘的一条新路——观察
提出力的合成概念，创建了视觉、色彩视觉和虹等原始学说，尝试从物质本身来说明自然，把科学从宗教和神话中解放出来，推断地球是一个球体
伽利略Galilei1564—1642
意大利物理学家，开创近代自然科学研究方法的第一位学者
观察提问、合理假设、数学变换、实验验证
提出了新的研究方法——数学推理和科学实验
建立了摆的定律、惯性定律、自由落体定律，提出伽利略相对性原理，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想和经典力学的基础，他的工作使物理学成为独立的知识体系并从哲学中分化出来
牛顿Newton1642—1727
英国科学家，17世纪最伟大的科学巨匠
重在分析与综合、归纳与演绎，强调论证要用实验验证
更为深刻地实现了科学方法的丰富、发展与变革
澄清了力和运动的观念，总结出万有引力定律和牛顿运动三定律，建立起完整的经典力学体系，从伽利略时代以来一个世纪的物理学工作，在牛顿手里得到了综合
名师解惑
1.经典力学有哪些成就？
剖析：（1）把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿把天上的运动和地上的运动统一起来，实现了天上力学和地上力学的综合，从力学上证明了自然界的统一性，这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合，它开辟了一个新时代，并对学科发展的进程以及后代科学家们都产生了极其深刻的影响.（结合学生已学过的运动学动力学情况介绍）
（2）经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范.牛顿运用归纳与演绎、综合与分析的方法，极其明晰地得出了完善的力学体系，被后人称为科学美的典范，显示出物理学家在研究物理时，都倾向于选择和谐与融洽的体系，追求最简洁、最理想的形式.
（3）经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会进步具有深远影响.一是科学的研究方法推广应用到物理学的各个分支学科上，对经典物理学的建立意义重大；二是经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展.三是经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展.
2.如何理解经典力学的局限性？
剖析：（1）从低速到高速
当物体运动速度远小于真空中光速时，经典力学处理这些运动完全适用.物体的质量m不随运动状态改变.而根据狭义相对论的观点，质量要随着物体运动速度的增大而增大.若物体的速度接近光速，物体的质量增大比较显著，不能忽略，经典力学不再适用.
（2）由宏观到微观
19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明.这说明经典力学一般不适用于微观粒子.6.3
爱因斯坦心目中的宇宙
教研中心
教学指导
一、课标要求
1.通过对同时的相对性实验的研究使学生进一步理解同时的相对性与光速不变原理之间的关系，认识到时间不能绝对定义，而是与物体的运动速度有关，认识到经典的绝对时空观存在着缺陷.
2.在光速不变的前提下，通过对不同参考系中的坐标变换，介绍爱因斯坦的相对论时空观，使学生了解到时间和空间都与物质的运动有关.
3.能根据爱因斯坦的时空观得到长度收缩效应和时间延缓效应这两个重要的结论，使学生进一步认识到牛顿的经典时空观只是爱因斯坦相对论时空观在低速情形下的近似.
4.使学生了解物体的质量也与物体的速度有关，介绍并解释爱因斯坦的质能关系E=mc2，并说明在相对论中质量与能量之间是相互联系的.
5.通过对具体问题的研究使学生认识到相对论思想的重要意义，同时也应该使学生知道在物体的速度不太高的情况下，经典力学的规律仍然是解决实际问题的基本理论.
二、教学建议
1.同时的相对性实验的研究是本节的重点内容，正是由于对这个实验的研究才否定了同时的绝对性.在教材的处理上应该力求让学生感受到有必要对时间和空间进行研究，没有必要在对A、B两观察者的观察结果去作详细的计算，可以让学生去阅读、质疑、讨论.
2.时空的相对性具体研究时间和空间与物体的速度有怎样的关系，因此是本节的重点也是个难点，教学中对变换式子（1）（2）和变换式子（3）（4）只要说出它们建立的前提条件不同，不要对式子中的系数的物理意义过多地加以分析，可以直接告诉学生爱因斯坦从变换式子（3）（4）导出关系x=和t=这两个式子，给出了时间和空间与速度之间的定量关系，同时要告诉学生当v远小于c时就近似为式子（1）（2）.
3.对两个效应的教学应该注意这几点：（1）只要给出结论不要推导过程，使学生知道“动尺变短，动钟变慢”；（2）要多列举一些相关例子让学生感受相对论的两个奇特的效应；（3）应该说明在低速情形下时间和空间随物体速度的变化是很小的，但在高速（可以与光速比较）时就不能忽略了.
4.爱因斯坦的质量公式告诉人们物体的质量也是随物体的速度而变化的，这与经典力学中“物体的质量不随物体的运动状态而改变”的观点不一致，应该告诉学生在低速时这种影响很小，可以让学生根据质量公式作个简单的分析，当物体的速度v≈c时，物体的质量为无穷大.
5.在进行质能关系E=mc2的教学时，不能以学生会用此关系式计算为目的，而是要向学生介绍一种新的相对论的质能思想，了解到质量和能量之间存在着这种内在的联系.
6.做好本节的小结在教学中也十分的重要，可以按照从发现问题→研究问题→提出假设→理论研究→实验验证的物理研究方法的顺序进行整理，应该再一次强调本节所得到的这些结论都是以狭义相对论的两个基本公设为基础的.
7.简介爱因斯坦生平、对学生进行德育教育
高中物理教材，除了涉及相对论知识外，还有一些地方提到爱因斯坦的名字，对他的思想、功绩作了高度的评价，如“著名物理学家爱因斯坦提出了狭义相对论，成为现代物理学的开端”；“在普朗克量子论启发下，爱因斯坦天才地预见到……光子的存在”；“求出结合能，这要归功于大科学家爱因斯坦.”为此，在教学中除了渗透爱因斯坦的思想、观点外，还要对他的生平作简要介绍，介绍他的科学贡献，对人类思想的影响；介绍他的严谨治学态度与怀疑、批判精神；介绍他热爱正义事业，关心中国人民解放事业的崇高品质.由于他对人类思想、科学、文化的贡献，列宁称赞他是：“自然科学伟大的革新家”.
通过教材中有关相对论知识的教学，学生们开始对经典物理思想的束缚有些认识，他们开阔了视野、提高了思维能力.据调查，学生们反映“过去我们认为牛顿是世界上唯一最伟大的物理学家，牛顿定律是放之四海而皆准的真理，学习相对论知识后，眼界豁然开朗，天外还有天，牛顿之外还有位大物理学家爱因斯坦”；学习相对论知识“能开阔思路，活跃思想，增强学习兴趣，学到一种新的思维方法，它向我们打开一扇通往物理奇特世界的大门”；学习相对论知识后“觉得耳目为之一新，对某些传统观念发生改变，思维随之产生巨大的飞跃，它启发人们去思考，去探索”；“受益最大的是爱因斯坦严谨的治学态度，不迷信旧观念，大胆怀疑、坚持真理、敢于冲破条条框框的科学精神.”
资源参考
将来光速比乌龟爬还慢
——科学家已将光速降低到17
m/s
一个国际科研小组利用一种超低温原子云为“介质”，成功地使光在其中的传播速度降低到真空中的二千万分之一，这一成果在光计算机、光通信等领域具有广阔的应用前景.
光在这一“介质”中传播速度最低时达到每秒17
m，而目前自行车比赛世界纪录保持者每秒最快可骑19.2
m，能够将在新“介质”中传播的光远远抛于身后，这些科学家希望不久还将使光的速度进一步降低到每小时40
m左右，慢到几乎与乌龟爬行的速度相等，最近出版的英国《自然》杂志刊登了在美国罗兰科研所、哈佛大学和斯坦福大学工作的科学家共同取得的这项研究成果.
光在真空中速度可达每秒30万千米，它在进入水或玻璃等介质后由于折射关系传播速度会变慢，但在普通的光学材料中减慢光速的程度存在一定限制，一般只会减慢到原来的几分之一，但在特定条件下，这种限制可以打破，光速也因此而可能减慢至惊人的程度.
科学家采用的新“介质”由施加激光后的超低温原子云构成.研究人员首先将大量钠原子组成的原子云冷却至接近绝对零度后形成所谓的“玻色—爱因斯坦凝聚”状态，在这种低温状态下原子的速度几乎等于零，结果钠原子就被迫互相重叠，形成一种“冷凝物”.然后科学家用激光束处理“冷凝物”，大幅度地改变了它的折射率，科学家们将一束黄色激光通过该“冷凝物”后，成功地观测到了黄色激光光速大幅度降低的现象.穿过“冷凝物”后出来的激光肉眼无法看到，但是仪器显示它的颜色与进入时的激光颜色相同.
科学家们认为，这一成果有很多实际用途，比如这种新介质不会使热能随激光而传递到被激光所照射的物质上，对于研制未来的光学计算机具有非常重要的意义.此外，利用它可开发将不可见的红外线转换为肉眼可识别的可见光的技术，减少通信系统中的噪音以及研制性能更好的视频显示和夜视装置等.6.4
微观世界与量子论
教研中心
教学指导
一、课标要求
1.初步认识量子物理学与经典物理学的区别，了解量子物理学对人类社会的进步产生的影响.
2.了解光电效应的实验规律，从中感受光的粒子性，通过对实验的研究和分析使学生了解光子、光子的能量
、极限频率、光电子和光电流的基本概念.
3.了解光谱、氢原子光谱，知道用玻尔的原子模型来解释原子的线状光谱，知道原子的能级以及原子跃迁时发射或吸收光子的频率由|Em-En|决定.
4.介绍光的波粒二象性和物质波，进一步开拓学生的视野，能够更全面地认识整个物理学的发展、人类对整个自然的认识.
二、教学建议
1.光电效应是人类认识到光具有粒子性的重要实验，也是量子物理学产生的实验基础，在对这部分内容的教学中应该注意以下几点：（1）赫兹等科学家发现光电子是人们进一步研究光电效应的开始，在这里可以暗示学生光可能有能量；（2）实验探究——光电效应的实验规律是本节的重点，要使学生在实验探究过程中认识光电管、光电流，感受到光具有能量并且与其频率有关，理解极限频率、光的强度等概念.（3）在上面实验的基础上介绍爱因斯坦的光量子理论，让学生用E=hν去感受不同频率的光所具有的能量不同.
2.实验指导：（1）介绍光电管以及实验电路；（2）引导学生使用正确的探究方法（包括如何改变条件、控制变量）；（3）提示观察目标：电流表示数的变化；（4）指导学生作好记录；（5）组织学生针对实验中的现象进行讨论.
3.实验规律的分析论证实际上是在总结实验现象的同时介绍爱因斯坦的光量子理论，教学中要注意现象与理论的对应关系，如：从紫光能产生光电效应而红光不能→提出极限频率→不同金属的极限频率不同；从光电效应产生的瞬时性→提出光量子→光子的能量
；从照射光的强度增加光电流增大→光的强度越大代表单位时间内发射的光子数越多.
4.玻尔原子模型的教学可以从下面几个环节进行：（1）从线状光谱的产生原因提出问题；（2）简要介绍卢瑟福的原子核式结构，并说明它不能解释线状光谱的产生；（3）介绍玻尔原子模型的能量量子化与轨道半径量子化、能级、跃迁规律，它很好地解释了线状光谱的产生，并经过了实验验证.
5.在介绍实物粒子与波的时候应该注意总结光的波粒二象性，从德布罗意的物质波长λ=进一步认识到物理学的奇妙与和谐，还应该告诉学生人类认识自然永无止境，物理学的明天会更加绚丽.
资源参考
谈“光子”
一、光子究竟是什么样子
对于光是一种波，学生头脑中的形象很清楚，基本上就像水波或者声波一样，散布在一个空域中，而这个空域的形体是可以变化的，光波可以分割，即使到了光的电磁理论的时候，也只是把光波中振动的量，更具体化为电场与磁场而已.
对于光子，学生也习惯于要去建造一个模型来模拟，就是要找一个宏观物体，或者一种宏观的运动，它能在主要方面和光子的行为相似.我们不妨为此去做些努力吧.
把光子仍然想象成可以任意分割的波，可无法解释光电效应的规律，因为这些规律显示出光的能量，必须是一份一份不可分割的.尤其是后来一些精彩的实验，把这种粒子性显示得更加突出.比如有人做过用极微弱的光进行双缝干涉实验，在可以分辨的时间内，平均只有一个光子到达屏幕，开始在屏幕上显示出来的不是很弱的干涉花纹，而是实实在在的一个个的光点.这是非常清楚的粒子的形象，每个点的光能就正好是hν.只有当很多光子通过双缝以后，屏上才逐渐显示出，亮暗相间的条纹，可见，那些亮的区域，是许多光点组成的，而暗的区域则是光子到达概率很小的区域.
这样看来，似乎又应该把光子想象成一个弹丸似的东西了，一个弹丸打在靶上就出现一个孔，这是我们在客观世界所熟悉的东西.可是这也不行.因为光必须通过双缝才能形成干涉条纹.若把光子想象成弹丸的话，一个弹丸只能通过一个缝，通过一个缝与另一个缝是开是合有什么关系呢？要解释清楚这个现象，必须认为光是一种波，它的部分通过一条缝，另一部分通过另一条缝，结果形成了干涉.
总之，光子表现出来的行为是这样的：它打在荧光屏或光电阴极上，出现在一个很小的区域中，它的能量是一个不可分的份额h，这说明它是粒子，可是它在通过狭缝时，它又必须展布在一个较大的空间，而且可以分割成任意的几部分，把这些被分割的部分重叠在一起，还会产生干涉现象，这清楚地说明它是一种波.在宏观世界中，能找到具有这种性质的东西吗？不能.正是因为宏观世界中没有这种东西，这才给光子的形象造成了困难.其实，我们认识一个事物，重要的是要知道它在什么环境下有什么表现，我们能够完全掌握它的规律就行了，用另一个东西来类比并不是必须的.事实上，任何类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，对于“光子是什么样子”的回答是：光子就是它自身那样子.
二、一个电子同时吸收二个光子的可能性是极小的
首先来分析一下，“积累”的问题：一个电子在吸收了一个光子以后，能否将这个能量保存下来，直到再吸收一个光子呢？
从经典模型来看，把一个电子看作能量可连续改变的粒子，当一个电子吸收一个光子以后，其能量就显著高于邻近的电子和原子核，这是一种非平衡状态.按照热力学的原理，不平衡的系统将通过各种方式趋于平衡，从而电子将把它获得的光子的能量均匀分给周围的其他粒子.这个过程一般不会超过10-8
s.
从量子模型来看，金属中的电子处于各种不同能级之上，吸收了一个光子的电子，将从低能级跃迁到高能级，这使得电子在能级上的分布偏离平衡分布，因此电子也会在10-8
s内将能量均分出去，恢复平衡分布.故电子吸收一个光子后处于激发态的“寿命不会超过10-8
s”.
在10-8
s内，电子能否期望再吸收一个光子呢？不妨来具体估算一下.假设入射光的强度为100
W/cm2，光的频率为6×1014
Hz，则在10-8
s内通过每平方厘米面积的光子数为
n==2.5×1012（个/cm2）
再估计一下金属表面每平方厘米上的电子数.金属原子间的距离为10-8
cm数量级，每个原子贡献一个电子，则1cm2上将有1016个电子.即使认为电子能吸收在一个原子范围内通过的光子（事实上电子对光子的吸收截面积只有原子范围的），那么在10-8
s内，电子吸收一个光子的几率是P1==2.5×10-4.而在10-8
s内吸收两个光子的概率是P2=P12=6.3×10-8，可见可能性是非常小的.当然，如果光强增大若干万倍，电子在10-8
s内同时吸收两个光子的可能性是可以达到观察的数值的，然而，恐怕没有任何一种材料能耐受这样强的照射而不被破坏.因此弱光确实不能产生双光子吸收现象.
三、光子与电子有哪些异同
光子与电子都具有波粒二象性，一般情况下，它们的运动都不再遵从牛顿运动定律，我们无法跟踪它们的轨迹，但是它们在空间各点出现的概率是受波动规律支配的.
但光波是电磁波，在真空中的传播速度恒为c，电子的波是物质波，主要存在以下一些区别：
光子
电子
静质量
0
9.1×10-31
kg
动质量
hν/c2
动量
hν/c
mv（）
能量
hν
mc2（hν）
电性
中性
负电
波长
c/ν
h/mv6.1
经典力学的巨大成就和局限性
教研中心
教学指导
一、课标要求
1.了解经典力学的发展历程，知道经典力学发展历程中有哪些物理学家作出了突出贡献；
2.了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、社会发展的影响；
3.认识经典力学的局限性和适用范围.
4.通过对以牛顿为代表的经典力学的总结与回顾，体会前人的研究途径与方法，认识到经典力学的巨大成就以及对人类的影响.
5.从认识论和方法论的角度介绍经典力学的局限性，培养学生的思想、方法.
二、教学建议
1.怎样介绍《原理》的产生背景、内容，怎样对《原理》进行评价？教材中安排了《原理》这部分内容目的是让学生了解在当时的社会背景、知识背景下，牛顿等科学家是怎样得到对整个物理学产生巨大影响的包括运动三定律的物理规律.教学中应该把重点放在让学生感受前人坚忍不拔的探索精神、科学严谨的思维方法和谦虚的态度，不要过多地介绍《原理》中的其他内容，对一些感兴趣的学生可以推荐其通过阅览室、互联网查阅更多的相关资料.
2.对经典力学的巨大成就的教学，不能变成知识的总结和规律的整理，应该把重点放在让学生知道经典力学的重要地位、对人类产生的积极影响，他们的方法论对自然科学甚至社会科学都有重大的意义.
3.经典力学的局限性的教学，应该在充分肯定经典力学的重要地位的前提下，从认识论的角度去引导学生，注意通过教学活动以达到培养学生科学的思想方法、正确的世界观.
4.本节的教学应该自始至终地渗透科学观点和思维方法的培养，激发学生发现问题的兴趣，敢于向困难挑战的精神，能客观地、科学地对自己的研究成果进行评价.
5.教学中可以结合牛顿、伽利略的杰出贡献，从他们超人的智慧、坚强的毅力的角度适时、适当地介绍一点物理学史.
6.建议认真组织并评价课后作业3：撰写一篇题为“关于伽利略、牛顿的科学研究方法对物理学发展的意义”的小论文，鼓励学生通过各种渠道获取相关的信息.
资源参考
牛顿的绝对时空观
在牛顿力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的.在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体无关的，然而运动状态及其改变则与参考物体有密切关系.牛顿完全了解自己理论中存在的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态.牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事.不过，他还是提出了判据.譬如，用绳子将两个球系在一起，让它们保持在一定距离上，绕共同的质心旋转，从绳子的张力可以得知其绝对运动角速度的大小.
“水桶实验”是牛顿提出的另一个更著名的实验.实验的大意如下：一个盛水的桶挂在一条扭得很紧的绳子上，然后放手，于是如图所示：
牛顿“水桶实验”
（1）开始时，桶旋转得很快，但水几乎静止不动.在粘滞力经过足够的时间使它旋转起来之前，水面是平的，完全与水桶转动前一样.
（2）水和桶一起旋转，水面变成凹的抛物面.
（3）突然使桶停止旋转，但桶内的水还在转动，水面仍然保持凹的抛物面.
牛顿就此分析道，在第（1）（3）阶段里，水和桶都有相对运动，而在前者水是平的，后者水面凹下；在（2）（3）阶段里，无论水和桶有无相对运动，水面都是凹下的.牛顿由此得到结论，桶和水的相对运动不是水面凹下的原因.这个现象的根本原因是水在空间里绝对运动的加速度.
绝对空间在哪里？牛顿曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方.他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间.从现今的观点来看，牛顿的绝对时空观是不对的.不过，牛顿当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来.爱因斯坦认为，牛顿引入绝对空间，对于建立的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”.
当代的物理教科书在讲牛顿力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念.据考证，这想法是德国物理学家朗格（L.Lange）提出的.在牛顿力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是做匀速直线运动的.若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？回答说，此物体离开别的物体都足够远，它在惯性系中做匀速直线运动.这里似乎出现了一个逻辑循环.然而，仔细推敲我们的表述，是可在教科书中避免这种逻辑循环的.实验表明，在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其他物体成立.我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，这时再说惯性定律成立的条件是惯性系，就不构成逻辑循环了.从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质.下文即将论述，用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了牛顿力学的困难，作为阶段性的教学考虑是可取的，但是并没有真正解决问题.
这样，在牛顿力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其他牛顿力学定律成立；在非惯性参考系内，牛顿三定律不成立.在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的.在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象.请看下面这段描述.
上文提到，惯性定律是不能直接用实验严格地验证的.设想有一位很严格的科学家，他相信惯性定律是可以用实验来证明或推翻的.他在水平的桌面上推动一个小球，并设法尽量消除摩擦（现代可以用气桌相当好地实现这一点），他观察到，小球确实相当精确地做匀速直线运动.正当他要宣布验证惯性定律成功时，忽然发现一切突然变得反常了.原来沿直线运动的小球偏向了一边，朝房子的墙壁滚去，他自己也感到有一种奇怪的力把他推向墙去.究竟发生了什么事？原来有人和他开玩笑.这位科学家的实验室没有窗户，与外界完全隔绝.开玩笑的人安装了一种机械，可以使整个房子旋转起来.旋转一开始，就出现上述各种反常现象，于是惯性定律被推翻了.
我们都看到，在非惯性参考系内的“反常”现象，是出现了一些莫名其妙的“力”，即“惯性力”.在通常的教科书中对“惯性力”的解释大意是这样的，如果在非惯性系中的观察者要坚持用牛顿定律来解释他所观察到的力学现象，他必须假想有某种“惯性力”存在.
惯性力是惯性在非惯性系里的表现，它与“真实力”有区别.“真实的”力是物体间的相互作用，施力的物体必受到受力物体给它的反作用.我们说惯性力是“虚假的”，因为不存在施加此力的物体，从而也就不存在反作用力.我们在形容词“真实的”和“虚假的”上打了引号.是因为这只是牛顿力学的说法，在广义相对论的理论中，这种说法就不那么绝对了.
在平动的加速参考系中，质点所受的惯性力f惯=-ma，在转动的参考系中静止的原点受到惯性离心力，以速度v运动的质点除受到惯性离心力外，还受到一个科里奥利力fc=2mv×ω.例如，上面谈到牛顿的两球和水桶实验，涉及的是惯性离心力，使傅科摆摆面运动的是因地球自转引起的科里奥利力.6.4
微观世界与量子论
思维激活
如图6-4-1所示，大千世界，五彩斑斓，雨后彩虹令人赏心悦目，蓝天白云使人心旷神怡，大街上闪烁的霓虹灯令人目不暇接……这一切都是“光”的杰作.我们生活在一个光的世界，可是你有没有想过，“光”到底是一种怎样的物质呢？
图6-4-1
提示
在研究光的本性的历史上，具有代表性的学说有五种.
（1）微粒说：这个学说是17世纪末提出的，代表人物是牛顿.牛顿根据光的直线传播、光的反射和折射、光具有能量等特点，提出光是由一种具有完全弹性的球形微粒大量聚集而成的，这些微粒在均匀介质中以极高的速度做直线运动.
（2）波动说：这个学说的代表人物是与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯.他根据光与机械波有类似特征，提出光是以光源为振源的某种振动，光是在一种特殊的弹性物质“以太”中传播的弹性机械波.但实验证明这种“以太”物质是不存在的.
从现代光学论来看，微粒说和波动说都没有能揭示光的实质.在当时的实验条件下各自只能解释一些光现象，但又有一些无法解释的问题.
（3）电磁说：这个学说的代表人物是麦克斯韦.19世纪后期，麦克斯韦根据理论上得到的电磁波的速度与实际测得的光速相同、电磁波和光都可以在真空中传播而不需要介质等，预言光是一种电磁波.后经赫兹实验证实电磁波确实存在，这样光的电磁说就诞生了.
经过科学家的努力，测出了光波的波长，并同各种电磁波一起组成了排列有序的电磁波谱，光作为一种电磁波在电磁波谱中占据了它应有的位置.光的电磁说使光的波动理论发展到了相当完美的程度，取得了很大的进步，使人们在对光的认识上跨进了一大步.
（4）光子说：这个学说的代表人物是爱因斯坦.光子说的要点是：光由光子组成，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子具有能量E＝hν.
（5）光的波粒二象性：现在，科学家对光的本性的认识是：光具有波粒二象性.个别光子的行为显示出粒子性；频率越高的光子，能量越大，粒子性越明显，但这种粒子又不同于宏观现象中的质点；大量光子的作用显示出波动性，频率越低，波动性越明显，但它又不同于机械波，亦不同于电磁振荡产生的电磁波.
自主整理
一、光电效应
1.定义：当紫外线这一类波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出.这种现象称为光电效应.
2.光电效应的规律
①每一种金属都有发生光电效应的极限频率ν0，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应.
②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大.
③当入射光的频率大于极限频率时，光电流与入射光强度成正比.
④从光照射到物体至发射出光电子的时间几乎是瞬时的，一般不超过10-9
s.
3.光子说
（1）概述：爱因斯坦于1905年提出光子说.光在空间的传播是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，一个光子的能量为E=hν，ν为光的频率，普朗克常量h=6.63×10-34
J·s.光子具有动量和能量.
4.光的波粒二象性：光既是电磁波，又具有粒子的特征，即光具有波粒二象性.一切辐射（电磁波和热辐射）都具有波粒二象性.
二、连续光谱与线光谱
1.连续光谱
①形式：连续光谱是由连续分布的一切波长的光组成.
②产生：炽热的固体及液体和高（气）压气体直接发光时形成连续光谱.
2.线状光谱（分为明线光谱和吸收光谱）
①形式：明线光谱由一些不连续的亮线组成，吸收光谱是在连续光谱的背景上分布着若干条暗线.
②产生：稀薄气体发光形成明线光谱，当白光通过气体时，才形成吸收光谱（暗线光谱）.
③特征谱线：每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线，这些光谱线叫做那种元素的特征谱线，线状谱和吸收谱都属于特征谱线.同种元素的线状谱中的明线和吸收光谱中的暗线是一一对应的，通常看到的吸收光谱中的暗线要比线状谱中的亮线要少一些.
3.能级
（1）定义：原子的不连续的能量状态叫做能级.
（2）基态：原子最低能级所对应的状态叫做基态.
（3）激发态：比基态能量高的状态叫激发态.
4.玻尔理论对线状光谱的解释
原子处于一系列不连续的能量状态中，当原子从高能级向低能级跃迁时会发射光子；当原子吸收光子时可从较低能级跃迁到较高能级.
三、实物粒子与波
德布罗意理论指出，每个物质粒子都伴随着一种波，这种波称为物质波，又称为概率波.德布罗意理论揭示了物质（包括光和电子）的统一性.
德布罗意波波长公式为λ=
式中λ是波长，p是实物的动量，h是普朗克常量.
德布罗意波的一个重要应用就是电子显微镜的发明.
高手笔记
1.经典理论“光的波动说”解释光电效应遇到的困难
（1）光的波动说认为，光的能量由光的强度决定，光的强度又是由光的振幅决定的，跟频率无关，只要光的强度足够大或照射时间足够长，都会使电子获得足够的能量产生光电效应，跟光的频率无关.这一点与实验结果矛盾.
（2）波动理论不能解释光电子的最大初动能只与光的频率有关.
（3）产生光电效应的时间极短，也跟波动理论有尖锐的矛盾.
2.光子说对光电效应的解释
当光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，电子吸收光子的能量后，动能立刻就增加了，不需要积累能量的过程.如果电子的动能足够大，能够克服内部原子核对它的引力，就可以离开金属表面逃逸出来，成为光电子.当然，电子吸收光子的能量后可能向各个方向运动，有的向金属内部运动，并不出来.向金属表面运动的电子，经过的路程不同，途中损失的能量也不同.唯独金属表面上的电子，只要克服金属原子核的引力做功，就能从金属中逸出.这个功叫做逸出功.如果入射光子的频率比较低，它的能量小于金属的逸出功，就不能产生光电效应了，这就是存在极限频率的原因.不同金属的逸出功是不同的，所以它们的极限频率也不同.
3.光的波粒二象性
（1）光的波动性
①光在传播过程中主要表现为具有波动性，光波具有一定的频率和波长.
②光的波动性是大量光子的集体行为.
（2）光的粒子性
①光在与其他物质发生相互作用时主要表现为粒子性，光子具有一定的能量和动量（p=h/λ）.例如，光电效应是光子与金属原子相互作用时发生的现象.
②光的粒子性是少量光子的个别行为.例如，在光发生光电效应时，每入射一个光子，从金属中只能发射出一个光电子，总是一对一的关系.即使入射光子的能量是发射出光电子所需能量（逸出功）的2倍，也不可能入射一个光子，却一下发射出两个电子，那份多余的能量只是用来增加光电子的最大初动能.
4.玻尔的原子理论
（1）定态量子化假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态.
（2）跃迁量子化假设：原子从一种定态（Em）跃迁到另一种定态（En）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即hν=|Em-En|.
（3）能量量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的.
名师解惑
1.怎样理解光的强度？
剖析：光的强度是指单位时间内在垂直于光的传播方向单位面积上通过的光的能量.若单位时间射到金属表面上单位面积的光子数为n，每个光子的能量为hν，则光强为nhν.对同频率的光来说，光的强度显然由单位时间内照到金属上的光子数决定.对不同频率的光来说，光子数相同时，频率高的能量大.
2.怎样理解原子光谱是不连续的？
剖析：（1）原子发生能级跃迁时所发射和吸收的光子的频率由下式决定：hν＝Em-En.
（2）由于能量的不连续性，从而决定了对应的光波波长的不连续性，不同原子的结构不同，对应的能级也不相同，因此发射出的光所对应的光波波长也不相同，各自有其对应的特征谱线.这就表明原子光谱是分立的线状谱.
3.宏观物体也具有波粒二象性吗？
剖析：电子、质子等微观粒子具有波粒二象性已是无可争议的事实，因为人们已经通过实验观察到了它们的干涉和衍射等现象.宏观物体由于运动动量较大，根据德布罗意波长与动量的关系λ=，波长非常非常小，尽管不容易观察到它们的干涉、衍射等波的现象，但它们仍然具有波动性，有它们的波长，因此宏观物体也具有波粒二象性.
