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专业知识的再学习-纪念爱因斯坦国际物理年嘉兴市教育研究院 杨炳华 2005.4.19一、 问题的提出05.1高一期末试卷第11题：如图是伽利略的斜面理想实验，它是以可靠的事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略次要因素，从而更深刻地揭示了自然规律，这是科学研究中的一种方法。(填思想实验或抽象)所谓“理想实验”，又叫做“假想实验”、或“思想实验”，它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。05.4第二次模拟试题第23题：如图所示，火箭内平台上放有测试仪器，火箭从地面起动后，以加速度竖直向上匀加速运动，升到某一高度时，测试仪器对平台的压力为在地面起动前压力的3/4，已知地球半径为，求火箭此时离地面的高度（为地面附近的重力加速度）测试仪器处于 状态。(填“超重”、“失重”或“完全失重”)由课本第一册P的这段黑洞内容，常有人应用V=求黑洞的临界半径：已知有一个黑洞，质量为M，那么，它的半径有多少。不论是学生还是教师，似乎都容易解出此题。根据上述公式，答案就是 二、从三个概念谈起(一) 超重和失重问题一、 超重、失重概念的认识1. 何为超重？何为失重？2. 种种悖论：赤道与两极；匀速运动、高空自由落体1例：如图所示，火箭内平台上放有测试仪器，火箭从地面起动后，以加速度竖直向上匀加速运动，升到某一高度时，测试仪器对平台的压力为在地面起动前压力的3/4，已知地球半径为，求火箭此时离地面的高度（为地面附近的重力加速度）测试仪器处于 状态。(填“超重”、“失重”或“完全失重”)解：N/N=3/4 GmM/R2=mgGmM/(R+h)2=mgg=g/4h=R 实重G=mg/4视重G=3mg/4故 视重实重-超重考生60%回答失重理由是从不同地点的感受出发：(高空R处)mg(地面)其实应该让这个人在高空R处生活一段时间，得到一种mg/4重力下的感受，然后再以加速度竖直向上匀加速运动经过这一高空时，超重(3mg/4)的感受就有了。2例 非惯性系内研究物重。 爱因斯坦在建立广义相对论时，做了自由下落的升降机的“理想实验”。他设想：在自由下落的升降机里，一个人从口袋中拿出一块手帕和一只手表，让它们从手上掉下来，如果没有任何空气阻力或摩擦力，那么在他自己看来，这两个物体就停在他松开手的地方。因为，在他的坐标系中，引力场已经被屏蔽或排除了。但是，在升降机外面的观察者看来，则发现这两个物体以同样的加速度向地面落下。这个情况正揭露了引力质量和惯性质量的相等。爱因斯坦又设想了另一种情况的“理想实验”。即：升降机不是自由下落，而是在一个不变的力的作用下竖直向上运动(即强化了升降机内部的引力场)。同时设想，有一束光穿过升降机一个侧面的窗口水平地射进升降机内，并在极短的时间之后射到对面的墙上。爱因斯坦根据光具有质量以及惯性质量和引力质量等效的事实，预言一束光在引力场中会由于引力的作用而弯曲，就如同以光速水平抛出的物体的路线会由于引力的作用而弯曲一样。爱因斯坦预言的光线在引力场中会弯曲这一广义相对论效应，已为后来的观测结果所证实。 (摘自人民教育出版社1995年11月第2版高级中学物理第一册(必修)教学参考书第191页)提出一个问题：以加速度a=g的竖直向下运动的升降机内，自由落下和水平抛出的两个小球各处在什么状态？以加速度a=g的竖直向上运动的升降机内，自由落下和水平抛出的两个小球各处在什么状态？本人的理解应是：引力场已经被屏蔽或排除了。一个小球静止，一个小球水平匀速直线运动)(二) 黑洞问题V=与质能方程E=mc2的联系解法（1）：宏观物体的狭义相对论解。设物体的静质量为，则静质能为=，动质能为E=mc2=。当物体在黑洞表面运动时，其 动能Ek=mc2-m0c2引力势能Ep=-G=-.而逃离黑洞表面到达无限远处，物体的机械能为零E=Ek+Ep=mc2-m0c2-G= （1）化简得： （2）V=（1-） （3）1. 地球：=2.010-9=0.000000002 V=2. 太阳：=0.710-5=0.000007 V=3.中子星：M=21030kg r=10103m =0.07 V均可忽略不计：故V=(从数学出发VC时： =1/(1+v2/2c2)代入(1)得m0v2-(1+v2/2c2)=0 得V=)此方程为逃逸速度V(VC)时的关系式.2. 如果逃逸速度接近光速,设，黑洞的临界半径为r,则由(2)式得 C= 或 （4）(三) 光子的“两类效应”问题-光电效应与康普顿效应a) 光电效应：光子被吸收b) 康普顿效应：光子被散射c) 何因出现光电效应？何因出现康普顿效应？弧光灯的光使锌板失去电子，是束缚电子吸收光子(紫外线1015Hz左右) (1905年)Ek=h-W X射线(1016 Hz左右)被石墨中的自由电子散射，能量降低波长红移(1922年)能量守恒：h+m0c2=h+mc2动量守恒：P=P1 + P2实验发现：1.原子量小的物质电子受束缚弱(类似自由电子)散射较强，原子量大的物质内层电子受束缚强散射较弱2.波长改变量与散射角关系=-0=4.810-12sin23.x射线(高能量1016)与