高中物理 第5章 典力学与物理学的革命 第3节 量子化现象 第4节 物理学-人类文明进步的阶梯教师用书 粤教版

第三节量子化现象第四节物理学人类文明进步的阶梯学 习 目 标知 识 脉 络1.知道黑体和黑体辐射，了解经典物理学的困难，知道能量子观点的内容.2.了解光电效应现象，知道光子说以及对光电效应的解释(重点)3.知道氢原子光谱的特点，了解原子能量的不连续性(难点)4.了解物理学在自然科学、现代技术的应用以及推动人类社会进步的作用.量 子 化、 光 电 效 应1黑体辐射与能量子假说(1)黑体辐射及遇到的困难黑体：能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射的物体黑体辐射：黑体发出的电磁辐射经典物理学的困难：应用经典物理学的连续观念，进行黑体辐射研究，理论分析与实验结果不相符合(2)普朗克的能量子假说能量子假说：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，称为“能量子”能量子与频率成正比，即h，为辐射的频率，h为普朗克常量实验测得h6.631034 Js.能量的量子化：在微观领域中能量不连续变化，即只能取分立值的现象普朗克的能量子假说不仅解决了黑体辐射的理论困难，而且揭开了物理学上崭新的一页2对光电效应现象的解释(1)爱因斯坦的光子说：光在传播过程中，也是不连续的，它由数值分立的能量子组成，称为光量子，也叫“光子”，光子能量h.(2)光电效应现象：当紫外线这一类波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出的现象，从金属表面逸出的电子称为光电子光电效应的产生取决于光的频率而与光的强度无关(3)经典物理学的困难：经典理论中“光的波动说”认为光是一种波，它的能量是连续的，与光的强度有关，而与光的频率无关，无法解释光电效应现象(4)光子说对光电效应的解释：光子照到金属上时，能量被金属中的某电子吸收，若光子能量足够大，电子就能摆脱金属离子的束缚，成为光电子而光子能量取决于频率而非光强，所以光电效应产生与否取决于光的频率1所谓量子或量子化，本质是不连续性()2光强达到一定程度，就一定发生光电效应现象()3光子和电子是同样的粒子()平时生活中，为什么很难碰到量子化的现象？【提示】量子化在微观世界里表现明显，在宏观世界里表现不明显探讨1：十九世纪末科学家们研究黑体辐射规律时遇到了什么困难？【提示】理论分析与实验结果不相符探讨2：什么是能量的量子化？【提示】在微观领域中能量不连续变化，即只能取分立值的现象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，En，n1,2,3n叫作量子数量子的能量h.式中h为普朗克常数(h6.631034 Js)，是微观现象量子特征的表征，为频率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光子说解释光电效应(1)当光子照射到金属表面上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，电子吸收光子的能量后，动能立刻增加，不需要积累能量的过程这就是光电效应的发生用时极短的原因只有能量足够大，即频率足够大的光子照射在金属上，才能使电子获得足够大的动能，克服金属原子核对它的束缚从金属表面飞离出来成为光电子，这就说明发生光电效应是入射光的频率必须足够大，而不是光足够强(2)电子吸收光子的能量后可能向各个方向运动，有的向金属内部运动，并不出来向金属表面运动的电子，经过的路程不同，途中损失的能量也不同唯独金属表面上的电子，只要克服金属原子核的引力做功，就能从金属中逸出，这个功叫逸出功，这些光电子的动能最大，叫最大初动能金属中的每个电子对光子能量的吸收不是连续累加的，它只能吸收一个光子的能量，因此只有达到一定频率的光子照射才有光电效应产生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量子假说第一次得出了不连续的概念C能量的量子化就是能的不连续化D量子假说认为电磁波在空间中的传播是不连续的【解析】普朗克提出了量子假说，它认为，电磁波发射和吸收都不是连续的，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，揭示了物理学的崭新的一页，选项B、C正确【答案】BC2某单色光照射金属时不会产生光电效应，下列措施中可能使该金属产生光电效应的是()A延长光照时间B增大光的强度C换用波长较短的光照射D换用频率较低的光照射【解析】要产生光电效应，入射光的频率必须大于该金属的极限频率，波长越短的光频率越高，当高于极限频率时就能产生光电效应，故C正确【答案】C3(多选)对光电效应的解释正确的是()A金属内的每个电子要吸收一个或一个以上光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属B如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应C发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，越容易发生光电效应D不同的金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同【解析】光电效应中电子只能吸收一个光子，不能吸收多个光子，A错要使电子离开金属，须使电子具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，按照爱因斯坦的光子说，光的能量是由光的频率决定的，与光强无关入射光的频率越大，发生光电效应就越容易，B正确只要光的频率低，即使照射时间足够长，也不会发生光电效应，C错不同的金属中的电子逸出需要的能量不同，故入射光的最低频率也不同，D正确【答案】BD光 的 本 性、 原 子 光 谱1光的本性(1)光既具有波动性又具有粒子性，也就是光具有波粒二象性(2)在宏观上，大量光子传播往往表现为波动性；在微观上，个别光子在与其他物质产生作用时往往表现为粒子性2原子光谱分析(1)氢原子光谱特点：由一系列不连续的亮线组成的线状谱(2)原子能量特点：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，当原子从一种能量状态变化到另一种能量状态时，辐射(或吸收)一定频率的光子，辐射(或吸收)的光子的能量是不连续的3量子论建立的意义(1)量子论的发展带来了20世纪科学技术的繁荣，开辟了众多的高新技术领域，成为当今高科技的理论基础(2)量子论的发展改变了人们的思维方式，将对21世纪的科学进步产生深远的影响4物理学与人类的文明进步(1)物理学与化学从来都是并肩前进的，应用物理学的原理和方法研究有关化学现象和过程建立了物理化学这一边缘学科.20世纪随着量子力学的建立，量子化学应运而生(2)物理学的研究成果和研究方法向生物学渗透的结果，形成了生物物理、分子生物学(3)物理学的光度测量和光谱分析应用于天文学，使天文学家能够考察天体的温度分布、化学构成、物理结构和演化过程，由此产生了标志天文学新的发展水平的天体物理学，使人类进入了认识宇宙的新阶段(4)物理学的发展推动了科学技术的高速发展，几乎所有重大的新技术领域都是在物理学中经过了长期的酝酿，在理论上和实验上取得突破，继而转化为技术成果的1光的波动性是大量光子的集体表现()2光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著()3氢原子光谱说明光子的能量是不连续的()当我们走到有自动门的处所时，光电池电子眼探测到我们到来，门(玻璃移门或旋转门)就自动打开了这种传感器可以对光作出响应试讨论其中的物理原理是什么？【提示】这种传感器代表了光电效应的一种应用当光强变化时，传感器产生的电流大小将发生改变，与相应的电路耦合，就可以触发，将门打开探讨1：光既具有粒子性，又具有波动性，光的粒子性及波动性表现在哪些方面？【提示】光的粒子性表现为光的反射、光的折射等，光的波动性表现为光的干涉、衍射等探讨2：氢原子光谱是分立的线状谱，说明了什么？【提示】原子只能处于一系列不连续的能量状态中1光电效应说明光具有粒子性，光的干涉、衍射等实验事实，显示光具有波动性，大量实验事实表明，光既具有波动性又具有粒子性2光具有波粒二象性，但在不同情况下表现不同在宏观上，大量光子传播往往表现为波动性；在微观上，个别光子在与其他物质产生作用时，往往表现为粒子性3光的粒子性不同于宏观观念中的粒子，粒子性的含义是“不连续”的、“一份一份”的光的波动性也不同于宏观观念中的波，波动规律决定光子在某点出现的概率，是一种概率波4氢原子光谱为线状谱，这说明原子只能处于一系列不连续的能量状态中微观物质系统的存在是量子化的，物质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4关于光的本性，下列说法中不正确的是()A光是一种电磁波B光具有波粒二象性C大量光子显示出光的波动性D大量光子显示出光的粒子性【解析】光的电磁说已表明光是一种电磁波，光具有波粒二象性，大量的光子表现出波动性，单个光子的运动才表现出粒子性，应选D.【答案】D5关于波粒二象性，下列说法正确的是()A光像原子一样是一种微粒，光又像机械波一样是一种波B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C光是一种波，同时也是一种粒子，大量光子表现的物理规律是波动性，单个光子的表现有偶然性，是粒子性的反映D光具有波粒二象性，实物粒子不具有波粒二象性【解析】光具有波粒二象性是说光在一定条件下，突出地表现为粒子性，在另一条件下，又会表现为波动性，这种粒子性与波动性不同于宏观物质的机械波，也不能把光子简单看作宏观概念中的粒子，故选项A、B均错；光子是一种波，同时也是一种粒子，大量光子表现的是波动性的反映，单个光子易表现出粒子性，故选项C正确；光与任何静止质量不为零的物质粒子都具有波粒二象性，因此选项D错误【答案】C6下列对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Eh中，频率仍表示的是波的特性【解析】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地的思维定势影响是错误的根源.