鲁科物理必修2 第6章第2节《量子世界》

欢迎进入物理课堂 第2节量子世界 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第2节 课前自主学案 课标定位 课标定位 学习目标 1 初步了解普朗克 量子假说 的背景 体会经典力学的局限性 知道 量子假说 的主要内容 2 初步了解爱因斯坦 光量子说 的含义 了解光的微粒说与波动说之争 知道光具有波粒二象性 重点难点 普朗克量子说的主要内容及物质的波粒二象性 课前自主学案 一 紫外灾难 1 热辐射 因物体中的 受到激发而发射出 的现象 说明 物体在任何温度下都会发射出各种波长的 2 黑体 一个能 热辐射而 热辐射出的物体 它是物理学家为了研究热辐射的规律而设想的一个 分子 原子 电磁波 电磁波 完全吸收 不反射 理想模型 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 和 有关 并得出了黑体的单色辐出度与辐射波 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 这个与实验不符的结果出现在紫外区 波长 温度 波长 m 温度T K 不符 二 不连续的能量1 量子假说的内容 1 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 即E n n 1 2 3 2 辐射是由一份份的能量组成的 一份能量叫做一个量子 量子的能量大小取决于辐射的波长 量子的能量 与频率 成正比 即 h hc h为普朗克常数 2 量子化 本质是不连续性 在微观世界里 量子化或不连续性是明显的 微观物质系统的存在是量子化的 物体之间传递的相互作用量是量子化的 物体的状态及其变化也是量子化的 三 物质的波粒二象性1 物理学史 1 光的微粒说的创始人是 可以解释 等 2 光的波动说的代表人物是 3 光量子假设的提出者是 直到 的发现才验证了光量子假说的正确性 2 光的本质 光具有 它在一定条件下 突出地表现出 实质是不连续性 而在另一些条件下 又突出地表现出 牛顿 光的反射 光的颜色 惠更斯 爱因斯坦 康普顿效应 波粒二象性 微粒性 波动性 3 物质波 物理学家德布罗意进一步提出了 理论 根据这一理论 每个物质粒子都伴随着 这种波被称为物质波 又称为 戴维孙 革末及汤姆孙的 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 物质波 一种波 概率波 电子衍射 波粒二象性 核心要点突破 一 黑体辐射及能量不连续性的理解1 黑体与黑体辐射的理解 1 黑体辐射 一般的物体辐射电磁波的情况除与温度有关外 还与材料的种类及表面状况有关 而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关 因此黑体辐射对研究热辐射的规律有重要作用 2 黑体辐射的实验定律 对如图6 2 1所示的空腔加热 空腔的温度升高 小孔就成了不同温度下的黑体 从小孔向外的辐射就是黑体辐射 它所辐射的电磁波强度按波长的分布情况如图6 2 2所示 图6 2 2画出了四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系 可以看出 随着温度升高 一方面 各种波长的辐射强度都有增加 另一方面 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 图6 2 1 图6 2 2 3 紫外灾难 物体中存在着不停地运动的带电粒子 每个带电粒子的振动都会产生变化的电磁场 从而产生电磁辐射 依据热力学和电磁学的知识 德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式 瑞利公式后经金斯修正 称为瑞利 金斯公式 维恩公式在短波区与实验非常接近 在长波区则与实验偏差很大 瑞利 金斯公式在长波区与实验基本一致 在短波区与实验严重不符 且当波长趋于零时 辐射竟变成无穷大 这显然是荒谬的 由于波长很小的辐射在紫外线波段 故上述荒谬结果被称为 紫外灾难 2 对量子化假设的理解能量子假说 物质发射 或吸收 能量时 能量不是连续的 而是一份一份地进行的 每一份就是一个最小的能量单位 这个不可再分的最小的能量单位称为 能量子 它的数值等于辐射的频率 乘以一个常量h 即E h h称作普朗克常量 实验测得h 6 63 10 34J s 这种在微观领域中能量的不连续变化 即只能取分立值的现象 叫做能量的量子化 图6 1 1 二 对波粒二象性的理解1 大量光子产生的效果显示出波动性 个别光子产生的效果显示出粒子性 2 光子和电子 质子等实物粒子一样 具有能量 和其他物质相互作用时 粒子性起主导作用 在光的传播过程中 光子在空间各点出现的可能性的大小 概率 由波动性起主导作用 因此称光波为概率波 3 光子的能量与其对应的频率成正比 而频率是波动性特征的物理量 因此 h 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系 4 对不同频率的光子 频率低 波长长的光 波动性特征显著 而频率高 波长短的光 粒子性特征显著 5 实物粒子与波 1 1924年 法国青年物理学家德布罗意在光具有波粒二象性的启发下 提出了一个大胆的观点 一切实物粒子 如电子 原子 分子等 都具有波粒二象性 德布罗意把实物粒子所对应的波叫物质波 又称为德布罗意波 波长表达式为 其中 是波长 p mv称为动量 h为普朗克常数 2 物质的波粒二象性在实践中的应用电子显微镜的水平分辨率为0 2nm 垂直分辨率为0 1nm 达到了原子尺度 如利用铁原子排成原子围栏 特别提醒 1 微观粒子具有明显的波动性 宏观物质也具有波动性 但极不明显 2 光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律 不可把光当成宏观概念中的波和粒子 光在传播过程中往往显示波动性 在与物质作用时显示粒子性 课堂互动讲练 答案 3 14 10 19J5 73 1016个 方法总结 普朗克认为 带电微粒辐射或者吸收能量时只能是一份一份的 h 其中 是电磁波的频率 h称为普朗克常量 h 6 63 10 34J s 在宏观世界里 一个物理量的取值通常是连续的 但在微观世界里 物理量的取值是不连续的 只能取一些分立的值 变式训练1一盏电灯发光功率为100W 假设它发出的光向四周均匀辐射 光的平均波长 6 0 10 7m 在距电灯10m远处 以电灯为球心的球面上 1m2的面积每秒通过的光子 能量子 数约为 A 2 1017B 2 1016C 2 1015D 2 1023 对波粒二象性的理解 下列对于光的波粒二象性的说法中 正确的是 A 一束传播的光 有的光是波 有的光是粒子B 光子与电子是同样一种粒子 光波与机械波是同样一种波C 光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的D 光是一种波 同时也是一种粒子 光子说并未否定电磁说 在光子能量E h 中 频率 仍表示的是波的特性 思路点拨 在宏观现象中 波与粒子是对立的概念 而在微观世界中 波与粒子可以统一 光既不是宏观观念的波 也不是微观观念的粒子 光具有波粒二象性是指光在传播过程中 同物质作用时表现出波和粒子的特性 把光理解为宏观世界的波和粒子是主要错误 受宏观概念中波与粒子对立的思维定势影响是错误的根源 精讲精析 光是一种波 同时也是一种粒子 光具有波粒二象性 当光和物质作用时 是 一份一份 的 表现出粒子性 单个光子通过双缝后的落点无法预测 但大量光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波动规律描述 表现出波动性 粒子性和波动性是光子本身的一种属性 光子说并未否定电磁说 答案 D 方法总结 光具有波粒二象性 在一定条件下 突出地表现出微粒性 实质为不连续性 而在另一些条件下 又突出地表现出波动性 变式训练2对光的认识 以下说法不正确的是 A 个别光子的行为表现为粒子性 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 选C 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属性 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 因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律 答案为C 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全