2022-2023學(xué)年高中物理 第十五章 相對論簡介章末總結(jié) 新人教選修3-4

第十五章相對論簡介章末總結(jié)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)相對論簡介狹義相對論兩個基本假設(shè)狹義相對性原理：

光速不變原理：

在不同的慣性參考系

中，一切物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的幾個重要結(jié)論“同時”是相對的長度是相對的，長度的相對性公式l＝

l0相對論簡介狹義相對論幾個重要結(jié)論時間間隔是相對的，時間間隔的相對性

公式Δt＝相對論速度變換公式u＝相對論質(zhì)量關(guān)系式m＝愛因斯坦質(zhì)能方程E＝

mc2相對論簡介廣義相對論兩個基本原理廣義相對性原理：

等效原理：幾個結(jié)論物體的引力使光線彎曲引力場的存在使得空間不同位置的時間

進(jìn)程出現(xiàn)差別(引力紅移)在任何參考系中，物

理規(guī)律都是相同的一個均勻的引力場與一個做

勻加速運動的參考系等價專題整合區(qū)一、時間和空間的相對性二、質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系三、相對論速度變換公式一、時間和空間的相對性正確理解時間和空間的相對性公式是求解此類問題的關(guān)鍵.時間間隔的相對性公式為Δt＝

，長度的相對性公式為l＝l0.一、時間和空間的相對性例1在實驗室中測得以速度0.8c運動的π介子的平均壽命為4×10－8秒，與π介子一起運動的觀察者認(rèn)為π介子的平均壽命是多少？解析在相對于π介子運動的實驗室中測得π介子的平均壽命為Δt，則相對于π介子靜止的觀察者測得π介子的平均壽命為一、時間和空間的相對性Δτ＝Δt＝4×10－8×s＝2.4×10－8s答案2.4×10－8s一、時間和空間的相對性例2某列長為100m的火車，以v＝2.7×108m/s的速度做勻速直線運動，則對地面的觀察者來說其長度縮短了多少？解析根據(jù)公式l＝l0

知，長度縮短了Δl＝l0－l＝l0，代入數(shù)據(jù)可得Δl＝56.4m答案56.4m二、質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系質(zhì)速關(guān)系式：m＝

，質(zhì)能關(guān)系式：E＝mc2，利用質(zhì)速關(guān)系式和質(zhì)能關(guān)系式解題時應(yīng)首先明確物體的靜止質(zhì)量或運動質(zhì)量.二、質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系例3一電子以0.99c的速率運動.問：(1)電子的總能量是多少？解析(1)由m＝

，E＝mc2得E＝

＝J≈5.81×10－13J.答案5.81×10－13J二、質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系(2)電子經(jīng)典力學(xué)的動能與相對論動能之比是多少？(電子靜止質(zhì)量m0＝9.1×10－31kg)解析電子經(jīng)典力學(xué)的動能E′＝

m0v2，電子相對論動能Ek＝

－

m0c2，所以

＝

≈8.05×10－2.答案8.05×10－2三、相對論速度變換公式相對論速度變換公式：設(shè)車對地面的速度為v，人對車的速度為u′，車上人相對于地面的速度為u，則u＝

；如果車上人運動方向與車運動方向相同，u′取正值，如果車上人的速度與車運動方向相反，u′取負(fù)值.三、相對論速度變換公式例4設(shè)想地球上有一觀察者測得一宇宙飛船以0.6c的速率向東飛行，5s后該飛船將與一個以0.8c的速率向西飛行的彗星相撞.試問：三、相對論速度變換公式(1)飛船中的人測得彗星將以多大的速率向它運動？解析取地球為S系，飛船為S′系，向東為x軸正向.則S系相對S′系的速度v＝－0.6c，彗星相對S系的速度ux＝－0.8c.由相對論速度變換公式可求得慧星相對飛船的速率ux′＝

≈－0.946c，即彗星以0.946c的速率向飛船靠近.答案0.946c三、相對論速度變換公式(2)從飛船中的時鐘來看，還有多少時間允許它離開航線，以避免與彗星相撞？解析把t0＝t0′＝0時的飛船狀態(tài)視為一個事件，把飛船與彗星相撞視為第二個事件.這兩個事件都發(fā)生在S′系中的同一地點(即飛船上)，地球上的觀察者測得這兩個事件的時間間隔Δt＝5s，根據(jù)時間間三、相對論速度變換公式隔的相對性公式可求出Δτ.即由Δt＝

＝5s，解得Δτ＝4s，即從飛船上的時鐘來看，還有4s的時間允許它離開原來的航線.答案4s自我檢測區(qū)12341231.(空間的相對性)如圖1所示，假設(shè)一根10m長的梭鏢以光速穿過一根10m長的管子，它們的長度都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測量的.以下敘述中最好地描述了梭鏢穿過管子的情況的是(

)圖14A.梭鏢收縮變短，因此在某些位置上，管子能完全遮住它B.管子收縮變短，因此在某些位置上，梭鏢從管子的兩端

伸出來C.兩者都收縮，且收縮量相等，因此在某個位置，管子恰

好遮住梭鏢D.所有這些都與觀察者的運動情況有關(guān)1234解析長度的相對性公式l＝l0中的l和l0是具有相對性的，到底是管子收縮變短還是梭鏢收縮變短，要看觀察者所處的參考系.如果你是在相對于管子靜止的參考系中觀察運動著的梭鏢，那么梭鏢看起來就比管子短，在某些位置梭鏢會完全處在管子內(nèi)部.然而當(dāng)你和梭鏢一起運動時，你看到的管子就縮短了，所以在某些位置，你可以看到梭鏢從管子的兩端伸出來.答案D12342.(相對論速度變換公式)若一宇宙飛船對地以速度v運動，宇航員在飛船內(nèi)沿同方向測得光速為c，問在地面上的觀察者看來，光速應(yīng)為v＋c嗎？解析由相對論速度變換公式u＝

，式中u′、v分別為v和c，代入公式求得光對地的速度u＝＝c.答案在地面上的觀察者看來，光速是c不是v＋c.12343.(質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系)電子的靜止質(zhì)量m0＝9.11×10－31kg.(1)試分別用焦耳和電子伏為單位來表示電子的靜質(zhì)能.解析由質(zhì)能方程得E0＝m0c2＝9.11×10－31×(3×108)2J≈8.2×10－14J＝eV≈0.51MeV.答案8.2×10－14J

0.51MeV1234(2)靜止電子經(jīng)過106V電壓加速后，其質(zhì)量和速率各是多少？解析由能量關(guān)系得eU＝(m－m0)c2，解得m＝

＋m0＝kg＋9.11×10－31kg≈2.69×10－30kg.由m＝

，1234解得v＝c＝3×108×m/s≈2.82×108m/s.答案2.69×10－30kg

2.82×108m/s12344.(對相對論的理解)如圖2所示，兩艘飛船A、B沿同一直線同向飛行，相對地面的速度均為v(v接近光速c).地面上測得它們相距為L，則A測得兩飛船間的距離

(選填“大于”、“等于”或“小于”)L.當(dāng)B向A發(fā)出一光信號，A測得該信號的速度為

.圖2大于c(或光速)1234第二單元配合物的形成和應(yīng)用課程標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航1.了解人類對配合物結(jié)構(gòu)認(rèn)識的歷史。2.知道簡單配合物的基本組成和形成條件。3.掌握配合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。4.認(rèn)識配合物在生產(chǎn)生活和科學(xué)研究方面的廣泛應(yīng)用。新知初探自學(xué)導(dǎo)引自主學(xué)習(xí)(2)配位鍵：共用電子對由一個原子單方向提供而跟另一個原子共用的共價鍵叫配位鍵。配位鍵可用A→B形式表示，A是_________________的原子，叫做電子對給予體，B是____________________的原子叫接受體。(3)形成配位鍵的條件提供孤電子對接受孤電子對①有能夠提供_______________的原子，如______________等。②另一原子具有能夠接受__________的空軌道，如___________________________等。孤電子對N、O、F孤電子對Fe3＋、Cu2＋、Zn2＋、Ag＋想一想1.在水溶液中，Cu2＋與氨分子是如何結(jié)合成［Cu(NH3)4］2＋的呢？2.配位化合物(1)寫出向CuSO4溶液中滴加氨水，得到深藍(lán)色溶液整個過程的反應(yīng)離子方程式。____________________________________;___________________________________________________________________________.Cu(OH)2+4NH3·H2O===［Cu(NH3)4］2++2OH-+4H2O(2)［Cu(NH3)4］SO4的名稱為_______________________,它的外界為__________，內(nèi)界為________________，中心原子為______，配位體為_______分子，配位數(shù)為_______。(3)配合物的同分異構(gòu)體：含有兩種或兩種以上配位體的配合物，若配位體在____________________不同，就能形成不同幾何構(gòu)型的配合物，如Pt(NH3)2Cl2存在______和______兩種異構(gòu)體。硫酸四氨合銅［Cu(NH3)4］2＋Cu2+NH34空間的排列方式順式反式想一想2.順式Pt(NH3)2Cl2和反式Pt(NH3)2Cl2的化學(xué)式相同，它們的性質(zhì)也相似嗎？提示：不同，由于結(jié)構(gòu)不同，所以其化學(xué)性質(zhì)不相同。二、配合物的應(yīng)用1.在實驗研究中，人們常用形成配合物的方法來檢驗__________、分離物質(zhì)、定量測定物質(zhì)的組成。(1)向AgNO3溶液中逐滴加入氨水的現(xiàn)象為:_________________________________。產(chǎn)生的配合物是____________________。金屬離子先生成沉淀，然后沉淀再溶解［Ag(NH3)2］OH(2)向FeCl3溶液中滴入KSCN溶液的現(xiàn)象：____________________________。產(chǎn)生的配合物是______________。2.在生產(chǎn)中，配合物被廣泛用于________、______、___________、___________領(lǐng)域。3.生命體中的許多金屬元素都以配合物形式存在。4.配合物在醫(yī)療方面應(yīng)用也很廣泛。5.模擬生物固氮也與配合物有關(guān)。有血紅色溶液出現(xiàn)Fe(SCN)3染色電鍍硬水軟化金屬冶煉自主體驗1.配合物［Zn(NH3)4］Cl2的中心原子的配位數(shù)是()A.2 B.3C.4 D.5解析：選C。配合物［Zn(NH3)4］Cl2的中心原子是Zn2＋，配位體是NH3，配位數(shù)是4。2.下列不能形成配位鍵的組合是()A.Ag＋、NH3 B.H2O、H＋C.Co3＋、CO D.Ag＋、H+解析：選D。配位鍵的形成條件必須是一方能提供孤電子對，另一方能提供空軌道，A、B、C三項中，Ag＋、H＋、Co3＋能提供空軌道，NH3、H2O、CO能提供孤電子對,所以能形成配位鍵，而D項Ag＋與H＋都只能提供空軌道，而無法提供孤電子對,所以不能形成配位鍵。3.下列不屬于配離子的是()A.［Ag(NH3)2］＋ B.［Cu(CN)4］2－C.［Fe(SCN)6］3－ D.MnO－4解析：選D。MnO－4無配位原子。4.向下列配合物的水溶液中加入AgNO3溶液,不能生成AgCl沉淀的是()A.［Co(NH3)4Cl2］Cl B.［Co(NH3)3Cl3］C.［Co(NH3)6］Cl3 D.［Co(NH3)5Cl］Cl2解析：選B。在配合物中，內(nèi)界以配位鍵結(jié)合很牢固，難以在溶液中電離；內(nèi)界和外界之間以離子鍵相結(jié)合，在溶液中能夠完全電離。不難看出A、C、D三項中配合物在水中均電離產(chǎn)生Cl-，而B項無外界離子，不能電離。要點突破講練互動探究導(dǎo)引1指出配合物[Pt(NH3)4Cl2]Cl2的配離子、中心離子、配位體、配位數(shù)及配位原子。提示：配離子指配合物的內(nèi)界，中心原子指提供空軌道的原子或離子，要點一配合物的組成和結(jié)構(gòu)配位體指提供孤電子對的分子或離子，配位數(shù)是配位體的總個數(shù)，配位原子指配位體中提供孤電子對的原子。配合物[Pt(NH3)4Cl2]Cl2的配離子為[Pt(NH3)4Cl2]2＋,中心原子是Pt4＋，配位體是NH3、Cl－，配位數(shù)為6，配位原子為N和Cl。探究導(dǎo)引2配離子[Ag(NH3)2]＋是如何形成的？提示：配離子[Ag(NH3)2]＋是由Ag＋和NH3分子反應(yīng)生成的，由于Ag＋空的5s軌道和5p軌道形成sp雜化軌道，接受2個NH3分子提供的孤電子對，形成直線形的[Ag(NH3)2]＋，該過程圖示如下。

要點歸納1.配合物的組成內(nèi)界：中心體(原子或離子)與配位體，以配位鍵成鍵。外界：與內(nèi)界電荷平衡的相反離子。有些配合物不存在外界，如[PtCl2(NH3)2]、[CoCl3(NH3)3]等。另外，有些配合物是由中心原子與配位體構(gòu)成，如[Ni(CO)4]、[Fe(CO)5]等。2.配合物的結(jié)構(gòu)配位數(shù)雜化軌道類型空間構(gòu)型結(jié)構(gòu)示意圖實例2sp直線形[Ag(NH3)2]＋[Cu(NH3)2]＋配位數(shù)雜化軌道類型空間構(gòu)型結(jié)構(gòu)示意圖實例4sp3正四面體形[Zn(NH3)4]2＋[ZnCl4]2－dsp2(sp2d)平面正方形[Ni(CN)4]2－[Cu(NH3)4]2＋6sp3d2(d2sp3)正八面體[AlF6]3－[Co(NH3)6]3＋即時應(yīng)用1.化學(xué)家維多克·格利雅因發(fā)明了格氏試劑(RMgX)而榮獲諾貝爾化學(xué)獎。RMgX是金屬鎂和鹵代烴反應(yīng)的產(chǎn)物，它在醚的稀溶液中以單體形式存在，并與二分子醚絡(luò)合，在濃溶液中以二聚體存在，結(jié)構(gòu)如下圖：上述2種結(jié)構(gòu)中均存在配位鍵，把你認(rèn)為是配位鍵的用“→”在結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)出。解析:配位鍵是由孤電子對與空軌道形成的,Mg最外層有兩個電子，可以與R、X形成離子鍵，而O原子中存在孤電子對，所以兩個O(C2H5)2可以與Mg形成配位鍵。在二聚體中，同理，一個Mg與R、X相連，則另外一個X和O(C2H5)2，則與Mg形成配位鍵。答案：要點二配合物的性質(zhì)探究導(dǎo)引現(xiàn)有兩種配合物晶體[Co(NH3)6]Cl3和[Co(NH3)5Cl]Cl2，一種為橙黃色，另一種為紫紅色。請設(shè)計實驗方案將這兩種配合物區(qū)別開來。提示：在[Co(NH3)6]Cl3中Co3＋與6個NH3分子配合成[Co(NH3)6]3＋，3個Cl－都是外界離子。而[Co(NH3)5Cl]Cl2中Co3＋與5個NH3分子和1個Cl－配合成[Co(NH3)5Cl]2＋,只有兩個Cl－是外界離子。由于配合物中內(nèi)界以配位鍵結(jié)合很牢固，難以在溶液中電離，而內(nèi)界和外界之間以離子鍵結(jié)合，在溶液中能夠完全電離。不難看出，相同質(zhì)量的兩種晶體在溶液中能夠電離出的Cl－數(shù)是不同的，我們可以利用這一點進(jìn)行鑒別。要點歸納1.配合物的顏色：當(dāng)簡單離子形成配合物時,其性質(zhì)往往有很大的差異，顏色發(fā)生改變就是一種常見的現(xiàn)象，多數(shù)配離子都有顏色，如[Fe(SCN)6]3－為血紅色、[Cu(NH3)4]2＋為深藍(lán)色、[Cu(H2O)4]2＋為藍(lán)色、[CuCl4]2－為黃色、[Fe(C6H6O)6]3－為紫色等等。我們根據(jù)顏色的變化就可以判斷配離子是否生成，如Fe3＋離子與SCN－離子在溶液中可生成配位數(shù)為1～6的硫氰合鐵(Ⅲ)配離子，這種配離子的顏色是血紅色的，反應(yīng)如下：Fe3＋＋nSCN－====[Fe(SCN)n]3－n，實驗室通常用這一方法檢驗鐵離子的存在。2.配合物的溶解性:有的配合物易溶于水，如[Ag(NH3)2]OH、[Cu(NH3)4]SO4、Fe(SCN)3等。利用配合物的這一性質(zhì)，可將一些難溶于水的物質(zhì)如AgOH、AgCl、Cu(OH)2等溶解在氨水中形成配合物。如在照相底片的定影過程中，未曝光的AgBr常用硫代硫酸鈉(Na2S2O3)溶解，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：AgBr＋2Na2S2O3====Na3[Ag(S2O3)2]＋NaBr。金和鉑之所以能溶于王水中，也是與生成配合物的溶解性有關(guān)，反應(yīng)式為：Au＋HNO3＋4HCl====H[AuCl4]＋NO↑＋2H2O，3Pt＋4HNO3＋18HCl====3H2[PtCl6]＋4NO↑＋8H2O。配合物的顏色和溶解性還與配合物的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，如順式[Pt(NH3)2Cl2]和反式[Pt(NH3)2Cl2]的溶解性和顏色等性質(zhì)有一定的差異，其中順式[Pt(NH3)2Cl2]為極性分子,根據(jù)相似相溶原理,它在水中的溶解度較大,具體情況見前面的表格。3.配合物的穩(wěn)定性：配合物具有一定的穩(wěn)定性，配合物中的配位鍵越強,配合物越穩(wěn)定.當(dāng)作為中心原子的金屬離子相同時，配合物的穩(wěn)定性與配位體的性質(zhì)有關(guān)。例如，血紅素中的Fe2＋與CO分子形成的配位鍵比Fe2＋與O2分子形成的配位鍵強，因此血紅素中的Fe2＋與CO分子結(jié)合后，就很難再與O2分子結(jié)合，血紅素就失去了輸送氧氣的功能，從而導(dǎo)致人體CO中毒。即時應(yīng)用2.配合物CrCl3·6H2O的中心原子Cr3＋的配位數(shù)為6，H2O和Cl－均可作配位體，H2O、Cl－和Cr3＋有三種不同的連接方式，形成三種物質(zhì)：一種呈紫羅蘭色、一種呈暗綠色、一種呈亮綠色。將它們配成相同物質(zhì)的量濃度溶液，各取相同體積的溶液，向其中分別加入過量的AgNO3溶液，完全反應(yīng)后，所得沉淀的物質(zhì)的量之比為3∶2∶1。(1)請推斷出三種配合物的內(nèi)界，并簡單說明理由；(2)寫出三種配合物的電離方程式。解析：CrCl3·6H2O的中心原子Cr3＋的配位數(shù)為6，H2O和Cl－均可作配位體，則其化學(xué)式可表示為：[Cr(H2O)6－nCln]Cl3－n·nH2O，當(dāng)其與AgNO3反應(yīng)時，只有外界的氯離子可形成AgCl沉淀，再根據(jù)它們與AgNO3反應(yīng)時生成AgCl沉淀的物質(zhì)的量之比為3∶2∶1，可知分別有3個氯離子、2個氯離子、1個氯離子在外界，進(jìn)而可分別寫出各自的化學(xué)式，紫羅蘭色：[Cr(H2O)6]Cl3，暗綠色：[Cr(H2O)5Cl]Cl2·H2O，亮綠色：[Cr(H2O)4Cl2]Cl·2H2O，再分別寫出其內(nèi)界.答案:(1)紫羅蘭色：[Cr(H2O)6]3＋,暗綠色：[Cr(H2O)5Cl]2＋，亮綠色：[Cr(H2O)4Cl2]＋.根據(jù)它們與AgNO3反應(yīng)時生成