高中物理第6章相对论与量子论初步第2节量子世界学案鲁科版必修2 3.docx
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高中物理第6章相对论与量子论初步第2节量子世界学案鲁科版必修23
第2节 量子世界
学习目标
核心提炼
1.了解热辐射、黑体等概念。
2.知道“紫外灾难”。
3.知道普朗克的量子假说,理解量子化。
4.理解物质的波粒二象性。
3个概念——热辐射、黑体、物质波
1个学说——普朗克的量子说
2个公式——ε=hν E=nε
1个本质——光的本质
一、“紫外灾难” 不连续的能量
阅读教材第119~120页“紫外灾难”、“不连续的能量”部分,了解热辐射、黑体的概念,了解“紫外灾难”。
1.热辐射
因物体中的分子、原子受到激发而发射出电磁波的现象,称为热辐射。
物体在任何温度下都会发生热辐射现象。
2.黑体
黑体是物理学家为了研究热辐射的规律而设想的一个理想化模型,它是一个能完全吸收热辐射而不反射热辐射的物体。
3.“紫外灾难”
(1)实验曲线:
人们发现,黑体的单色辐出度与黑体的辐射波波长和温度有关,并得出了黑体的单色辐出度与辐射波波长λ、温度T之间关系的实验曲线。
(2)“紫外灾难”:
在推导符合实验曲线的公式时,发现结果与实验曲线不符合。
这个与实验不符的结果出现在紫外区。
4.普朗克的量子说
(1)提出的目的:
普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释的困难而提出的。
(2)含义:
物体辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍。
E=nε(n=1,2,3,…)
(3)量子的能量:
辐射中的一份能量就是一个量子。
量子的能量大小取决于辐射的波长,量子的能量ε与频率ν成正比。
ε=hν,公式中h=6.63×10-34J·s,称为普朗克常量。
普朗克常量是普朗克引进的一个物理普适常数,是微观现象量子特征的表征。
5.量子(化)含义
所谓量子(或量子化),本质是不连续性。
思维拓展
你觉得夏天穿什么颜色的衣服最热?
为什么?
答案 夏天穿黑色衣服比穿浅色衣服感觉要热的多,因为黑色衣服吸收热辐射的能量多,反射热辐射的能量少,因而感觉要热得多。
二、物质的波粒二象性
阅读教材第121~122页“物质的波粒二象性”,了解物质的波动性和粒子性。
1.物理学史
(1)光的微粒说的创始人是牛顿,可以解释光的反射、光的颜色等。
(2)光的波动说的代表人物是惠更斯。
(3)光量子假设的提出者是爱因斯坦,直到康普顿的发现才验证了光量子假说的正确性。
2.光的本质
光具有波粒二象性,它在一定条件下,突出地表现出微粒性,实质是不连续性;而在另一些条件下,又突出地表现出波动性。
3.物质波
物理学家德布罗意进一步提出了物质波理论,根据这一理论,每个物质粒子都伴随着一种波,这种波被称为物质波,又称为概率波,戴维孙、革末及汤姆孙通过电子衍射实验证实了物质波的存在。
4.结论
光与静止质量不为零的物质都具有波粒二象性。
思考判断
(1)个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性。
( )
(2)光具有波粒二象性说明有的光是波,有的光是粒子。
( )
(3)波粒二象性是牛顿的微粒说与惠更斯的波动说结合起来的学说。
( )
答案
(1)√
(2)× (3)×
对量子化假设的理解
[要点归纳]
1.量子化假设:
普朗克提出物质辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍,E=nε,n=1,2,3…n叫作量子数。
量子的能量ε=hν=
。
式中h为普朗克常数(h=6.63×10-34J·s),是微观现象量子特性的表征,ν为频率,c为真空中的光速,λ为光波的波长。
2.量子化:
量子化的“灵魂”是不连续。
在宏观领域中,这种量子化(或不连续性)相对于宏观量或宏观尺度极微小,完全可以忽略不计,但在微观世界里,量子化(或不连续)是明显的,微观物质系统的存在、物体之间传递的相互作用量、物体的状态及变化等都是量子化的。
3.意义:
成功解决了“紫外灾难”问题。
[精典示例]
[例1](多选)关于量子假说,下列说法正确的是( )
A.为了解决黑体辐射的理论困难,爱因斯坦提出了量子假说
B.量子假说第一次提出了不连续的概念
C.能量的量子化就是能量的不连续化
D.量子假说认为电磁波在空间的传播是不连续的
解析 量子假说由普朗克提出,认为电磁波的发射和吸收都是不连续的,是一份一份进行的。
它不但解决了黑体辐射的理论困难,而且更重要的是提出了“量子”概念,揭开了物理学上崭新的一页,选项B、C正确。
答案 BC
量子化假设的应用技巧
(1)量子化假设与传统的经典物理的连续性概念是不同的,微观物质系统的存在是量子化的,物质间传递的相互作用是量子化的,物质的状态及其变化也是量子化的。
(2)量子化假设说明最小能量ε=hν由光的频率决定。
宏观物体辐射的总能量与光子个数的关系E总=N·hν。
(3)由公式ν=
知,假设已知光在真空中的波长和速度,便可求出光的频率。
再由ε=hν便可知一份光量子的能量。
[针对训练1]太阳光垂直照射到地面上时,地面上1m2接收到的太阳光的功率为1.4kW,其中可见光部分约占45%,假如认为可见光的波长约为0.55μm,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,求地面上1m2面积上每秒接收到的可见光的光子数。
解析 由光子能量与波长的关系可求出每个光子的能量,由总能量与每个光子的能量关系求出光子数。
每个光子的能量ε=h
设地面上1m2每秒钟接收到n个可见光光子有0.45P=nε
则n=
=
≈1.74×1021(个)。
答案 1.74×1021个
对波粒二象性的理解
[要点归纳]
1.光的本性的认识历程
学说
代表人物
内容
成功与局限
微粒说
牛顿
光是从光源射出的具有高速度的粒子流
成功之处:
能解释光的直线传播、反射、折射、色散等现象。
局限性:
不能解释光的干涉、衍射等现象
波动说
惠更斯
光像水波一样,也是一种波,具有波的一切特性
成功之处:
能解释光的干涉、衍射等波的特性。
局限性:
将光波等同于机械波
电磁说
麦克斯韦
光是一种电磁波
成功之处:
能解释光的传播、干涉、衍射、散射、偏振等现象。
局限性:
不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质
光子说
爱因斯坦
光是不连续的、分成许多单元的、具有一定能量的物质,这些单元叫光量子(光子)
成功之处:
能解释几乎所有光现象
波粒二象性
德布罗意
光在一定条件下表现出微粒性,实质为不连续性,而在另一些条件下,表现出波动性,所以光既有粒子性,又具有波动性
成功之处:
能解释几乎所有光现象
2.光的波粒二象性
(1)宏观上,大量光子表现为波动性,如光的干涉、衍射现象;对不同频率的光,频率越低、波长越长,表现出的波动性越显著。
(2)在微观上,个别光子与其他物质产生作用时表现为粒子性,如光电效应现象、康普顿效应现象,频率越高、波长越短,表现出的粒子性越显著。
(3)光子说说明光具有粒子性,而光子的能量与其频率成正比,频率是描述波动性特征的物理量。
因此光子的能量ε=hν显示了光的波动性和粒子性之间的密切联系。
3.物质的波粒二象性
(1)德布罗意认为,静止质量不为零的物质粒子(如电子)也具有波动性,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。
(2)由于宏观物体运动动量(p=mv)较大,根据德布罗意波长与动量的关系λ=
知其波长非常小,很难观察到它们的干涉、衍射等波的现象,但它们仍然具有波动性。
[精典示例]
[例2](多选)关于光的本性,下列说法中正确的是( )
A.光子说并没有否定光的电磁说
B.光电效应现象反映了光的粒子性
C.光的波粒二象性是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说得出来的
D.大量光子产生的效果往往显示出粒子性,个别光子产生的效果往往显示出波动性
解析 光既有粒子性,又有波动性,但这两种特性并不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说,它体现出的规律不再是宏观粒子和机械波所表现出的规律,而是自身体现的一种微观世界特有的规律。
光子说和电磁说各自能解释光特有的现象,两者构成一个统一的整体,而微粒说和波动说是相互对立的。
答案 AB
光的波粒二象性应注意的问题
(1)光子是能量为hν的微粒,表现出粒子性,而光子的能量与频率有关,体现了波动性,所以光子是统一波粒二象性的微粒。
(2)在不同条件下的表现不同。
大量光子表现出波动性,个别光子表现出粒子性。
(3)光在传播时表现出波动性,光和其他物质相互作用时表现出粒子性;频率低的光波动性更强,频率高的光粒子性更强。
[针对训练2]下列有关光的波粒二象性的说法中,正确的是( )
A.有的光是波,有的光是粒子
B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著
D.大量光子的行为往往显示出粒子性
解析 一切光都具有波粒二象性,光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性,有些行为(如光电效应)表现出粒子性,所以,不能说有的光是波,有的光是粒子。
虽然光子与电子都是微观粒子,都具有波粒二象性,但电子是实物粒子,有静质量,光子不是实物粒子,没有静质量,电子是以实物形式存在的物质,光子是以场形式存在的物质,所以,不能说光子与电子是同样的一种粒子。
光的波粒二象性的理论和实验表明,大量光子的行为表现出波动性,个别光子的行为表现出粒子性。
光的波长越长,衍射性越好,即波动性越显著,光的波长越短,其光子能量越大,个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应,所以其粒子性就很显著。
答案 C
1.(紫外灾难)黑体辐射的“紫外灾难”是指( )
A.紫色的自然灾害
B.实验曲线与经典物理理论的计算结果不符合,该结果出现在紫外区,故称黑体辐射的“紫外灾难”
C.黑体温度达到一定值时,物体辐射的全部都是紫外线
D.黑体温度达到一定值时,物体辐射的全部都是紫色
解析 实验曲线与经典物理理论的计算结果不符合,随着波长变短,即向紫外区延伸时,计算的结果与实验曲线严重不符,该结果出现在紫外区,称其为黑体辐射的“紫外灾难”,故B正确,A、C、D错误。
答案 B
2.(物理学史)最早提出量子假说的物理学家是( )
A.爱因斯坦B.牛顿
C.开普勒D.普朗克
解析 普朗克是量子力学的奠基者,被称为量子力学之父。
答案 D
3.(光的波粒二象性)(多选)下列说法正确的是( )
A.光是一种电磁波
B.光是一种概率波
C.光子相当于高速运动的质点
D.光的直线传播只是宏观近似规律
解析 不能把光波看做是宏观力学中的介质波、连续波,它实质上是电磁波、概率波;也不能把光子看做宏观世界中的实物粒子、质点。
答案 ABD
4.(光的波粒二象性)(多选)对光的认识,以下说法正确的是( )
A.个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
解析 个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性。
光与物质相互作用时表现出粒子性,光的传播规律表现出波动性,光的波动性和粒子性都是光的本质属性。
光的波动性表现明显时仍具有粒子性,因为波动性表现为粒子分布概率;光的粒子性表现明显时仍具有波动性,因为粒子的个别行为呈现出波动规律,A、B、D正确。
答案 ABD
基础过关
1.下列关于黑体辐射的说法正确的是( )
A.黑体辐射的强度仅与温度有关,温度越高辐射越强
B.黑体辐射的强度与温度及辐射波长均有关
C.只有黑色物体才能发生黑体辐射
D.黑体辐射是一种理想辐射,在实际生活中很难找到,所以我们研究黑体辐射没有意义
答案 B
2.光子的能量是由下列哪个物理量决定的( )
A.光的波长B.光的频率
C.光的传播速度D.介质的性质
解析 光子的能量ε=hν,h是普朗克常量,故光子的能量与光子的频率成正比,所以B正确,A、C、D错误。
答案 B
3.(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点下列说法正确的有( )
A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收的
B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C.吸收的能量可以是连续的
D.辐射和吸收的能量是量子化的
解析 根据普朗克的量子理论,能量是不连续的,其辐射和吸收的能量只能是某一最小能量单位的整倍数,故A、B、D均正确而C错误。
答案 ABD
4.(多选)下列叙述的情况正确的有( )
A.光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体
B.光是波,与橡皮绳上的波相似
C.光是一种粒子,它和物质作用是“一份一份”进行的
D.光子在空间各点出现的可能性大小(概率),可以用波动的规律来描述
解析 光具有波动性,但不是经典理论中的波,光具有粒子性,也不是传统概念中的粒子。
光与物质作用时,即发生能量交换时,不是连续进行的,而是“一份一份”进行的,表现出粒子性;光在空间的分布规律符合波动规律,表现出波动性。
因此,A、B错误,C、D正确。
答案 CD
5.(多选)下列关于光子的说法中,正确的是( )
A.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
B.光子的能量由光强度决定,光越强,每份光子的能量一定越大
C.光子的能量由光的频率决定,其能量与它的频率成正比
D.光子可以被电场加速
解析 光是不连续的分成许多单元的,具有一定能量的物质,这些单元叫做光子。
根据ε=hν知,光子的能量与它的频率成正比。
A、C正确。
答案 AC
6.硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能的。
若有N个频率为ν的光子打在硅光电池的极板上,这些光子的总能量为(h为普朗克常量)( )
A.hνB.
Nhν
C.NhνD.2Nhν
解析 根据普朗克量子假说,每个光子能量为ε=hν,所以N个光子的总能量E=Nε=Nhν,故C正确。
答案 C
能力提升
7.人眼对绿光最为敏感,正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时,只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉。
普朗克常量为6.63×10-34J·s,光速为3.0×108m/s,则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是( )
A.2.3×10-18WB.3.8×10-19W
C.7.0×10-10WD.1.2×10-18W
解析 因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,所以察觉到绿光所接收的最小功率P=
,式中E=6ε,又ε=hν=h
,
可解得P=
W≈2.3×10-18W。
答案 A
8.根据量子理论,光子的能量E0=hν=h
,其中c为真空中的光速、ν为光的频率、λ为光的波长,普朗克常数取h=6.6×10-34J·s。
已知太阳光垂直照射时,每平方米面积上的辐射功率约为P=1.4kW。
假设太阳辐射的平均波长为
=6.6×10-7m,则在垂直于太阳光的S=1m2面积上,每秒钟内可以接收到多少个光子?
解析 依题意,太阳光平均一个光子的能量为E
=h
在1m2面积上,1s内得到的阳光总能量为E=Pt,
得到的光子个数N=
=
=
=4.7×1021(个)。
答案 4.7×1021(个)