Bài 50. Thuyết tương đối hẹp

Bài 50. Thuyết tương đối hẹp tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các lĩnh vực...

SỞ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TIỀN GIANG Bài TRƯỜNG THPT NGUYỄN VĂN TIẾP 50 TỔ LÝ + KTCN GV: DƯƠNG QUỐC VIỆT Bài 50 HẠN CHẾ CỦA CƠ HỌC CỔ ĐIỂN CÁC TIÊN ĐỀ ANH-XTANH  Tiên đề I  Tiên đề II HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐO a) Sự co độ dài b) Sự chậm lại đồng hồ chuyển Bài 50 HẠN CHẾ CỦA CƠ HỌC CỔ  CơĐIỂN học cổ điển (hay học Niu-tơn) chiếm vò trí quan trọng phát triển vật lí học cổ điển ápnhững dụng trường rộng rãi học  Trong hợp vậtkhoa chuyển kó thuật động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng học Niu-tơn không Bài 50 HẠN CHẾ CỦA CƠ HỌC CỔ ĐIỂN * Thí nghiệm cho thấy: tốc độ c ánh sáng truyền chân không có giá trò c = 300000 km/s không tùy thuộc vào nguồn sáng đứng yên hay chuyển động, tốc độ hạt không vượtAnh-xtanh trò số  Nămthể 1905, đã300000 xây km/s dựng lí thuyết tổng quát học Niutơn gọi thuyết tương đối hẹp Anhxtanh (hay thuyết tương đối) Bài 50 CÁC TIỀN ĐỀ ANH XTANH Tiên đề I (nguyên lí tương đối): Các đònh luật vật lí (cơ học, điện từ học,…) có dạng hệ khác, quy chiếu quán tính vật lí Nói cách tượng diễn hệ quy chiếu Tiênquán đề IItính (nguyên lí bất biến tốc độ ánh sáng): Tốc độ ánh sáng chân độ lớn c hệ quy chiếu quán tính, không phụ thuộc vào phương truyền vào tốc độ c = 299792458 m/s ≈ 300000km Bài 50 HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐ a) Sự co độ dài Xét nằm yên dọc theo trục tọa độ hệ quy chiếu quán tính có độ dài riêng Khi K, chuyển độngl0với tốc độ v dọc theo trục tọa độ hệ K, độ dài l có giá trò bằng: v l = l0 1− < l0 c Vậy độ dài bò co lại theo phương chuyển động → khái niệm không gian tương đối, phụ thuộc Bài 50 HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐ a) Sự co độ dài C1 Hãy tính độ co chiều dài thước có chiều dài riêng m chuyển Hướngđộng dẫnvới tốc độ v = 0,6c v2 0,62 c2 l = l0 1− = 1− = 0,8m c c → Độ co chiều dài: l0 – l = – 0,8 = 0,2 m Bài 50 HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐ b) Sự chậm lại đồng hồ chuyển Tại điểm cố đònh M’ hệ quán tính K’, chuyển động với tốc độ v hệ quán tính K có tượng diễn khoảng thời gian Δt0 đo thời theo đồng hồ gắn với tượng K’ Khoảng gian xảy đo theo đồng hồ gắn với hệ K Δt, tính theo công thức: ∆t0 ∆t = > ∆t0 v2 1− c Bài 50 HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐ b) Sự chậm lại đồng hồ chuyển Vậy đồng hồ gắn với vật chuyển động chạy chậm đồng hồ gắn với quan sát viên đứng yên (hệ K) → khái niệm thời gian tương đối, phụ thuộc vào lựa chọn hệ quy chiếu quán tính Bài 50 HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐ b) Sự chậm lại đồng hồ chuyển C2 Sau tính theo đồng hồ chuyển động với tốc độ v = 0,6c đồng hồ chạy chậm đồng hồ gắn với quan sát viên đứng yên bao Hướng dẫn nhiêu giây ∆t0 ? ∆t = = = 1,25 h v2 0,62 c2 1− 1− c c2 → ∆t − ∆t0 = 1,25− 1= 0,25h = 900s Minh họa chậm lại đồng hồ Bài 50 CỦNG CỐ Câu 1: Khi nguồn sáng chuyển động, tốc độ truyền ánh sáng A nhỏ c chân giá trò B lớn hơnlớn c C nhỏ c, phụ thuộc vào phương truyền tốc độ củac,nguồn D không phụ thuộc vào phương truyền tốc độ nguồn Bài 50 CỦNG CỐ Câu 2: Một thước chuyển động dọc theo chiều dài nó, độ dài thước đo hệA.quán khôngtính thayKđổi B co lại, tỉ lệ nghòch với tốc độdãn củara, thước C phụ thuộc vào tốc độ chuyển động thước v D co lại theo tỉ lệ − c Bài 50 HẠN CHẾ CỦA CƠ HỌC CỔ ĐIỂN CÁC TIÊN ĐỀ ANH-XTANH  Tiên đề I  Tiên đề II HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐO a) Sự co độ dài b) Sự chậm lại đồng hồ chuyển  Ôn tập Lý 12 chương trình nâng cao – Biên soạn: Dương Văn Đổng – Trường THPT Nguyễn Văn Linh, Bình Thuận  Trang 1 VII. LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT 1. Hiện tượng quang điện - Thuyết lượng tử ánh sáng. * Hiện tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài (gọi tắt là hiện tượng quang điện). * Các định luật quang điện + Định luật quang điện thứ nhất (định luật về giới hạn quang điện): Đối với mỗi kim loại ánh sáng kích thích phải có bước sóng λ ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện λ 0 của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện: λ ≤ λ 0 . + Định luật quang điện thứ hai (định luật về cường độ dòng quang điện bảo hòa): Đối với mỗi ánh sáng thích hợp (có λ ≤ λ 0 ), cường độ dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng kích thích. + Định luật quang điện thứ ba (định luật về động năng cực đại của quang electron): Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất kim loại. * Thuyết lượng tử ánh sáng + Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf (f là tần số của sóng ánh sáng đơn sắc tương ứng). Cường độ của chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây. + Phân tử, nguyên tử, electron… phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn. + Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.10 8 m/s trong chân không. Năng lượng của mỗi phôtôn rất nhỏ. Một chùm sáng dù yếu cũng chứa rất nhiều phôtôn do rất nhiều nguyên tử, phân tử phát ra. Vì vậy ta nhìn thấy chùm sáng liên tục. Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên. * Giải thích các định luật quang điện Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện: hf = λ hc = A + 2 1 mv 2 max0 . + Giải thích định luật thứ nhất: Để có hiện tượng quang điện thì năng lượng của phôtôn phải lớn hơn hoặc bằng công thoát: hf = λ hc ≥ A = 0 λ hc  λ ≤ λ 0 ; với λ 0 = A hc chính là giới hạn quang điện của kim loại. + Giải thích định luật thứ hai: Cường độ của dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với số quang electron bật ra khỏi catôt trong một đơn vị thời gian. Với các chùm sáng có khả năng gây ra hiện tượng quang điện, thì số quang electron bị bật ra khỏi mặt catôt trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số phôtôn đến đập vào mặt catôt trong thời gian đó. Số phôtôn này tỉ lệ với cường độ chùm ánh sáng tới. Từ đó suy ra, cường độ của dòng quang điện bảo hòa tỉ lệ thuận với cường của chùm sáng chiếu vào catôt. + Giải thíc định luật thứ ba: Ta có: W đ0max = 2 1 mv 2 max0 = λ hc - A, do đó động năng ban đầu cực đại của các quang electron chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và công thoát electron khỏi bề mặt kim loại mà không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích. * Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Ta nói ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rỏ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rỏ thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại. Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rỏ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, khả năng phát quang…, còn tính chất sóng càng mờ nhạt. Trái lại sóng điện từ có bước sóng BÀI TẬP VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP Câu 1: Có một tam giác vuông có cạnh góc vuông a=5m, góc giữa cạnh góc vuông và cạnh huyền là  =30 0 . Hệ quy chiếu K' chuyển động đối với tam giác này với vận tốc v=0,866c. Hãy tìm trong hệ quy chiếu K': a) Giá trị góc  '. b) Chiều dài l' của cạnh huyền và tỷ số giữa chiều dài này và chiều dài riêng của nó. Câu 2: Một cái thước bay qua một vạch cố định trong hệ quy chiếu K. Thời gian bay của thanh trong hệ quy chiếu này là t=20ns. Trong hệ quy chiếu K' gắn với thanh thì vạch chuyển động dọc theo thanh trong thời gian t'=25ns. Tìm chiều dài riêng của thanh. Câu 3: Trong hệ quy chiếu K, hạt Muyzon chuyển động với vận tốc v=0,99c, bay từ vị trí mà nó được sinh ra đến điểm mà nó bị phân rã l=3km. Hãy xác định: a) Thời gian sống riêng của Muyzon này. b) Khoảng cách hạt bay qua trong hệ quy chiếu K với "điểm nhìn của nó". Câu 4: Hai hạt tương đối tính chuyển động vuông góc với nhau trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm với các vận tốc tương ứng là v 1 và v 2 . Tìm vận tốc tương đối của chúng. Câu 5: Một hạt chuyển động với vận tốc v' trong hệ quy chiếu K' dọc theo trục y'. Hệ quy chiếu K' di chuyển đối với hệ quy chiếu K với vận tốc v theo hướng chiều dương của trục x. Các trục x và x' của hai hệ trùng nhau, các trục y và y' song song với nhau. Tìn quãng đường mà hạt chuyển động được trong hệ K nếu thời gian sống riêng của nó là t 0 . Câu 6: Một hạt chuyển động trong hệ quy chiếu K với vận tốc v dưới góc  so với trục x. Hãy tìm góc tương ứng trong hệ K' chuyển động với vận tốc V đối với hệ K theo hướng của truch x của hệ này nếu các trục x và x' trùng nhau. Câu 7: Một protôn chuyển động với động lượng p=10GeV/c, với c là vận tốc ánh sáng. Vận tốc của hạt này bẳng bao nhiêu % so với vận tốc áng sáng? Câu 8: Tỷ số giữa động năng và năng lượng nghỉ của một hạt bằng bao nhiêu để sai số tương đối khi tính vận tốc theo công thức phi tương đối không vượt quá  =0,01? Câu 9: Một hạt khối lượng m tại thời điểm t=0 bắt đầu chuyển động dưới tác dụng của một lực không đổi F. Tìm vận tốc của hạt và quãng đường mà hạt đi được trong sự phụ thuộc vào thời gian t. Câu hỏi và bài tập Chủ đề 1: Thuyết tương đối hẹp. 8.1) Khi nguồn sáng chuyển động, tốc độ truyền ánh sáng trong chân không có giá trị A. nhỏ hơn c. B. lớn hơn c. C. lớn hơn hoặc nhỏ hơn c, phụ thuộc vào phương truyền và tốc độ của nguồn . D. luôn bằng c, không phụ thuộc vào phương truyền và tốc độ của nguồn . 8.2) Khi một cái thước chuyển động dọc theo phương chiều dài của nó, độ dài của thước đo trong hệ quán tính A. dãn ra theo tỉ lệ 2 2 1 c v  . B. co lại tỉ lệ với tốc độ của thước. C. dãn ra phụ thuộc vào tốc độ của thước. D. co lại theo tỉ lệ 2 2 1 c v  8.3) Một cái thước có độ dài riêng là 30cm, chuyển động với tốc độ v = 0,8c theo chiều dài của thước thì có chiều dài là: A. 10cm. B. 12cm. C. 15cm. D. 18cm. 8.3a) Một cái thước có độ dài riêng là 30cm, chuyển động với tốc độ v = 0,8c theo chiều dài của thước thì co lại là: A. 10cm. B. 12cm. C. 15cm. D. 18cm. 8.4) Người quan sát đồng hồ đứng yên được 30 phút, cũng thời gian đó người quan sát chuyển động với tốc độ v = 0,8c sẽ thấy thời gian đồng hồ là: A. 20 phút. B. 25 phút. C. 50 phút. D. 40 phút. 8.5)Sau 30 phút đồng hồ chuyển động với tốc độ v = 0,8c chạy chậm hơn đồng hồ gắn với người quan sát đứng yên là: A. 20 phút. B. 25 phút, C. 30 phút. D. 35 phút. 8.6) Điều nào dưới đây sai khi nói về các tiên đề của Anh-xtanh? A) Các hiện tượng vật lí xảy ra như nhau đối với mọi hệ quy chiếu quán tính. B) Phương trình diễn tả các hiện tượng vật lý có cùng một dạng trong mọi hệ quy chiếu quán tính. C) Tốc độ ánh sáng trong chân không đối với mọi hệ qui chiếu quán tính có cùng giá trị c, không phụ thuộc vào tốc độ của nguồn sáng hay máy thu. D) Thời gian xảy ra một hiện tượng đều có trị số như nhau trong mọi hệ quy chiếu Chủ đề 2. Hệ thức Anh-xtanh. 8.7. Điền vào những ô trống: Cơ học Niuton Cơ học tương đối tính a) Phương trình chuyển động: dv m F dt    b) Động lượng: 0 2 2 1 m v p v c     c) Khối lượng: 0 2 2 1 m m v c   d) Động năng: 2 0 2 2 1 1 1 m c v c               e) năng lượng nghỉ: 0 f) Liên hệ giữa năng lượng và động lượng m p W d 2 2  8.8) Theo thuyết tương đối, khối lượng tương đối tính của một vật có khối lượng nghỉ m 0 chuyển động với tốc độ v là: A. 1 2 2 0 1         c v mm . B. 2 1 2 2 0 1         c v mm . C. 2 1 2 2 0 1        c v mm . D.        2 2 0 1 c v mm . 8.9) Hệ thức Anh-xtanh giữa khối lượng và năng lượng là: A. 2 m E c  . B. E = mc. C. m E c  . D. E = mc 2 . 8.10) Một hạt có động năng bằng năng lượng nghỉ của nó. Tốc độ của hạt đó là A. 2.10 8 m/s. B. 2,5.10 8 m/s. C. 2,6.10 8 m/s. D. 2,8.10 8 m/s. 8.11) Tốc của một êlectron tăng tốc qua hiệu điện thế 10 5 V là A. 0.4.10 8 m/s; B. 0.8.10 8 m/s; C. 1,2.10 8 m/s D. 1,6.10 8 m/s* 8.12. Động năng của một êlectron có động lượng là p sẽ là: A. 2 2 0 ( ) d W c p m c   ; B. 2 2 2 0 0 ( ) d W c p m c m c    ; C. 2 2 2 0 0 ( ) d W c p m c m c    ; D. 2 2 0 ( ) d W p m c   8.13) Tốc độ của một êlectron có động lượng là p sẽ là: A. 2 2 0 ( ) c v m c p   ; B. 2 2 0 ( ) c v m c p   C. 2 2 0 ( ) pc v m c p   ; D. 2 2 0 ( ) pc v m c p   8.14) Một hạt có động năng tương đối tính gấp 2 lần động năng cổ điển (tính theo cơ học Niuton). Tốc của hạt đó là: A. 2 c v  ; B. 2 3c v  ; C. 2 2c v  ; D. 3 2c v  8.16. Động lượng của một hạt có khối lượng nghỉ m, động năng K là: A. 2 0 2 K p m K c         B. 2 0 2 K p m K c         C. 2 0 K p m K c         D. 2 0 K p m K c         Tiết 86 + 87 : Bài 67 + 68 : THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP I / MỤC TIÊU :  Hiểu được sự tất yếu của việc ra đời thuyết tương đối hẹp. Hiểu được các tiên đề Anh-xtanh.  Biết một số kết quả của thuyết tương đối hẹp; hiểu hệ thức Anh-xtanh giữa năng lượng và khối lượng. II / CHUẨN BỊ : 1 / Giáo viên : Chuẩn bị một vài mẩu chuyện viễn tưởng về thuyết tương đối hẹp (chẳng hạn nội dung một số phim truyện viễn tưởng). 2 / Học sinh : Ôn lại một số kiến thức về Cơ học ở lớp 10 (định luật cộng vận tốc, định luật II Niu-tơn dưới dạng độ biến thiên động lượng…). III / GỢI Ý VỀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY – HỌC : Hoạt động của học sinh Hoạt động của giáo viên Hoạt động 1 : HS : Xem SGK trang 282 sau tựa đề. HS : Vận tốc c của ánh sáng truyền trong chân không là không đổi đối với mọi hệ quy chiếu. HS : Xem SGK trang 283 HS : 3.10 8 ( m / s ). HS : Thả một vật rơi tự do trên con tàu (hoặc trên máy bay) chuyển động đều. Hoạt động 2 : HS : Xem SGK trang 283 HS : Chứng minh công thức 67.1 trang 283 trong SGK. HS : Chiều dài của thanh đã bị co lại GV : GV đặt vấn đề vào bài như SGK. GV : GV nêu lên các hạn chế của cơ học cổ điển. GV : GV trình bày hai tiên đề Anh- xtanh. GV : Vận tốc lớn nhất mà em biết có giá trị bằng bao nhiêu ? GV : GV yêu cầu HS nhắc lại nguyên lí tương đối của cơ học cổ điển bằng một ví dụ cụ thể. GV : GV trình bày hệ quả thứ nhất của thuyết tương đối : sự co của độ dài. GV : GV yêu cầu HS làm một bài toán cụ thể để minh họa hệ quả thứ theo phương chuyển động. HS : Chứng minh công thức 67.2 trang 283 trong SGK. HS : Thời gian là tương đối. HS : Quan sát hình minh họa. Hoạt động 3 : HS : Động của 1 vật là đại lượng đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật. HS : Động lượng là đại lượng đặc trưng cho sự truyền chuyển động giữa các vật tương tác. HS :  F = m  a HS :  F = m  a = m . t vv     ' = t vm          = t p    nhất. GV : Nêu ý nghĩa của kết quả thu được. GV : GV yêu cầu HS làm một bài toán cụ thể để minh họa hệ quả thứ hai. GV : Nêu ý nghĩa của kết quả thu được. GV : GV tận dụng các hình minh họa 67.1 SGK để giúp HS hình dung cụ thể hơn. GV : Động lượng là gì ? GV : Hãy cho biết ý nghĩa vật lý của động lượng là gì ? GV : Viết biểu thức định luật II Newton biểu diễn mối quan hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc ? HS :  p = m .  v = 2 2 0 1 c v m  .  v HS : 2 2 0 1 c v m  HS : m 0 HS : Hệ quy chiếu. HS : Để thấy rõ là thông thường ta có : m = mo Hoạt động 4 : HS : E = m . c 2 = 2 2 0 1 c v m  . c 2 HS : Khi vật có khối lượng m thì nó có một năng lượng E và ngược lại ? HS : Tỉ lệ với nhau. GV : Viết biểu thức định luật II Niu- tơn dưới dạng độ biến thiên động lượng ? GV : Trong thuyết tương đối, động lượng tương đối tính của một chất điểm chuyển động với vận tốc  v cũng được định nghĩa bằng công thức giống như trong cơ học cổ điển. Viết biểu thức ? GV : Đại lượng nào gọi là khối lượng tương đối tính ? GV : Đại lượng nào gọi là khối lượng nghỉ. GV : Khối lượng của một vật có tính tương đối, giá trị của nó phụ thuộc vào cái gì ? GV : Tính m với v = 800km/h ( vận tốc trung bình của máy bay phản ... đã300000 xây km/s dựng lí thuyết tổng quát học Niutơn gọi thuyết tương đối hẹp Anhxtanh (hay thuyết tương đối) Bài 50 CÁC TIỀN ĐỀ ANH XTANH Tiên đề I (nguyên lí tương đối) : Các đònh luật vật... c Vậy độ dài bò co lại theo phương chuyển động → khái niệm không gian tương đối, phụ thuộc Bài 50 HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐ a) Sự co độ dài C1 Hãy tính độ co chiều dài thước có chiều dài... c Bài 50 HAI HỆ QUẢ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐ b) Sự chậm lại đồng hồ chuyển Vậy đồng hồ gắn với vật chuyển động chạy chậm đồng hồ gắn với quan sát viên đứng yên (hệ K) → khái niệm thời gian tương đối,