Лекция 68. Зависимость массы от скорости. Связь между массой и энергией

Цель занятия: рассмотреть физическую сущность закона взаимосвязи массы и энергии

Тип занятия: изучение нового материала

План занятия

Контроль знаний	1. Относительность расстояний. 2. Относительность промежутков времени
Изучение нового материала	1. Полная энергия тела, движущегося свободно. 2. Можно обнаружить изменение массы в случае изменения энергии тела? 3. Скорость света - предельная скорость
Закрепление изученного материала	1. Решение задач. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Полная энергия тела, движущегося свободно

В классической физике кинетическая энергия тела, движущегося, вычисляется по формуле:

Энергия же тела в состоянии покоя, считается равной нулю.

Энергия тела в релятивистской механике записывается так:

Рассмотрим, какой вид имеет эта формула, если скорость тела во много раз меньше скорости света с. В таком случае можно показать, что:

поэтому формула для энергии приобретает вид:

где Е - полная энергия тела; Е0 = mс2 - собственная энергия тела или его энергия покоя; - кинетическая энергия.

Ø Соотношение Е0 = mс2 называют формулой Эйнштейна.

Это, пожалуй, самая известная формула в физике - она является как бы символом физики XX в. Из нее следует, что даже тело, находящееся в состоянии покоя, имеет энергию уже вследствие того, что у тела есть масса. Сам Эйнштейн описал это так: «Масса тела является мерой энергии, что содержится в нем».

Из формулы Е0 = mс2 следует, что в случае изменения массы тела на Am выделяется энергия

Этот вывод действительно подтвердился в ядерных реакциях: например, на атомных станциях энергию получают в результате делений ядер Урана. При этом суммарная масса продуктов реакции меньше массы ядра Урана, лишь на сотые доли процента.

Если предположить, что энергия тела изменяется на ΔЕ, то масса изменяется на величину Δm:

Но нельзя рассматривать эту формулу как переход массы в энергию, потому что энергия и масса - две физические величины, которые характеризуют различные свойства тела.

2. Можно обнаружить изменение массы в случае изменения энергии тела?

Даже самыми точными измерениями мы не можем обнаружить изменение массы. Дело в том, что масса и энергия связаны формулой то есть даже за незначительного изменения массы изменение энергии будет немалой.

Нетрудно подсчитать, что энергия, содержащаяся в теле, огромная. Так, энергия покоя тела массой 1 г равна:

Такая энергия выделяется в результате сжигания примерно С 000 т угля - это груженый поезд длиной около 1 км.

С другой стороны, 1 Дж энергии эквивалентен незначительной массе 10-17 кг. Например, в процессе нагревания 3 л воды от комнатной температуры до температуры кипения воды, масса воды (если вода не испаряется) увеличивается лишь на одну стомиллионную долю грамма.

3. Скорость света - предельная скорость

Что же происходит с энергией тела, когда его скорость приближается к скорости света?

Из формулы выливает, что за условия -> энергия тела стремится к бесконечности. А это означает, что тело не сможет достичь скорости света. Следовательно, скорость света является предельной скоростью:

Ø ни одно тело, имеющее массу, не может двигаться со скоростью света.

 

Вопрос к студентам во время изложения нового материала

1. Чем отличаются формулы кинетической энергии тела в классической и в релятивистской механике?

2. Почему нагревание тела приводит к увеличению его массы?

3. Почему при нагревании тела не удается обнаружить на опыте увеличение его массы?

4. Почему единый закон сохранения массы-энергии подается в классической механике в форме двух законов сохранения: массы и энергии?

 

Решение задач

1. Сравните энергию, выделяющуюся в результате изменения массы тела на 1 кг и в результате сгорания 1 кг бензина.

2. 1 г воды передали 100 Дж теплоты. На сколько увеличилась масса воды? Откуда берется дополнительная масса?

3. На сколько изменяется масса 1 кг льда в результате плавления?

4. Вычислите кинетическую энергию электрона, движущегося со скоростью 0,6 с.

Контрольные вопросы

1. Изменится ли масса пружины, если ее:

а) сжать?

б) растянуть?

2. Может ли электрон в каком-либо среде двигаться со скоростью, превышающей скорость света в этой среде?

 

Домашнее задание

1. П.: § 49 (п. С, 4, 5).

2. 36.:

г1) - № 22.8; 22.9; 22.10; 22.11;

р2) - № 22.12; 22.13; 22.14; 22.16;

г3) - № 22.26; 22.30; 22.31; 22.32.

Список использованной литературы

1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.

2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006

3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005

4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010

Лекция 69. Теория М. Планка Фотоны

Цель занятия: ознакомить студентов с историей зарождения квантовой теории; разъяснить студентам явление фотоэффекта.

Тип занятия: комбинированный занятие.

ПЛАН ЗАНЯТИЯ

Контроль знаний	Самостоятельная работа № 10. «Волновая оптика»
Демонстрации	1. Фотоэффект на цинковой пластинке 2. Видео-фрагменты фильма «Фотоэффект»
Изучение нового материала	1. Гипотеза Планка. 2. Явление фотоэффекта. 3. Теория фотоэффекта
Закрепление изученного материала	1. Решение задач. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Гипотеза Планка

Развитие квантовой теории положили начало работы Макса Планка по теории излучения черного тела, появились в 1900 году. Попытка построить теорию излучения черного тела на основе законов классической физики привела к серьезным трудностям.

Чтобы достичь согласия между теорией и опытом, надо было принять, что свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами). Это означало, что свет имеет свойства не только волн, но и частиц.

14 декабря 1900 г. немецкий физик Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, посвященным проблеме распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Предложенное им решение проблемы стало первым шагом в создании современной физики микромира.

Свет излучается и поглощается веществом не непрерывно, а отдельными порциями - квантами.

Причем энергию такого кванта определяла величина

E = hv,

где h - постоянная Планка.

По современным данным, h = 6,63·10-34 Дж·с.

Однако в то время не было прямых экспериментальных доказательств существования квантов излучения. В результате идею Планка большинство физиков восприняли как «ловкий фокус», не имеет серьезных научных оснований.

После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная и глубокая физическая теория - квантовая теория. Развитие ее не завершено и по сей день.

2. Явление фотоэффекта

Фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем, однако первые экспериментальные исследования были осуществлены российским ученым А. Г. Столетовым.

Ø Фотоэффект - явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Многочисленные эксперименты и наблюдения позволили сделать вывод: явление фотоэффекта практически безинерциальное; интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла, величины светового потока и спектрального состава излучения.

Законы фотоэффекта были экспериментально установлены профессором Московского университета А. Г. Столетовым:

1). Количество электронов, которые ежесекундно вырываются с поверхности металла, прямо пропорциональна поглощенной энергии света.

2). Максимальная кинетическая энергия вырванных электронов линейно увеличивается соответственно рост частоты света, что падает.

3). Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект.

Законы фотоэффекта простые по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов от частоты казалась загадочной.

3. Теория фотоэффекта

в 1905 году Альберт Эйнштейн предложил теорию, которая давала пояснения сразу всей совокупности экспериментальных фактов о фотоэффект. Развив и углубив идеи Планка, Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен не только излучаться и поглощаться, но и распространяться в виде отдельных порций энергии - квантов электромагнитного поля. Эти кванты иначе называют фотонами.

Эйнштейн считал, что при взаимодействии с веществом фотон ведет себя подобно частицы и передает свою энергию веществу в целом и даже не атом, а только отдельным электронам. Во время поглощения фотона металлом его энергия E = hvпередается свободному электрону. Она тратится на освобождение электрона из металла - на работу выхода и передачи ему кинетической энергии. При этом энергия фотона передается электрону в металле только целиком, а сам фотон перестает существовать.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

где hv - энергия поглощенного фотона; А - работа выхода электрона из металла; - кинетическая энергия, с которой электрон покидает поверхность металла.

Уравнение Эйнштейна можно рассматривать как выражение закона сохранения энергии для единичного акта взаимодействия фотона с электроном. Оно позволяет объяснить все законы фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотона может быть выражена так:

а его скорость

Отсюда следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, а следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света и не зависят от интенсивности света.

Из уравнения hv = A скорость фотоэлектрона и кинетическая энергия равны нулю. В этом случае электрон как бы «выпадает» из металла с нулевой скоростью. Имеем порог фотоэффекта:

Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов nф и энергии каждого из них hv. Каждый фотон будет целиком поглощено только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а следовательно, и фототок насыщения пропорционален nф, т.е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта).

Решение задач

1. Красная граница фотоэффекта для никеля равна 248 нм. Будет ли наблюдаться фотоэффект при освещении никеля светом, длина волны которого 300 нм? 200 нм?

2. Работа выхода электронов из калия равна 3,55·10-19 Дж. Определите длину волны красной границы фотоэффекта.

3. Работа выхода электронов из натрия равна 3,6·10-19 Дж. Возникает ли фотоэффект при облучении натрия видимым излучением? инфракрасным?

 

Контрольные вопросы

Первый уровень

1. В чем сущность квантовых представлений о распространение и поглощение света?

2. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускулярных свойств?

3. Какие факты свидетельствуют о наличии у света волновых свойств?

Второй уровень

1. Какие законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света?

2. Что нового внес Эйнштейн в развитие квантовых представлений по сравнению с гипотезой Планка?

3. Почему за частот, меньших от красной границы, фотоэффект не наблюдается?

4. Почему для разных веществ красная граница фотоэффекта имеет разные значения?

5. Частота световой волны от первого источника в 1,5 раза больше, чем частота световой от второго. Сравните энергии фотонов, что выпускают эти источники.

Домашнее задание

1. Учебник.: § 26 (п. 1,2).

2. Сборник.:

Уровень1 № 15.3; 15.5; 15.6; 15.13.

Уровень2 № 15.18; 15.19; 15.20; 15.23.

Уровень3 № 15.32, 15.33; 15.34; 15.35.

Список использованной литературы

1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.

2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006

3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005

4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: