2019-2020高中物理第五章经典力学与物理学的革命3量子化现象4物理学--人类文明进步的阶梯课件粤教版必修2 45页

第三节　 量子化现象 第四节　 物理学 —— 人类文明进步的阶梯 一、量子论的建立过程 1. 普朗克提出能量子假说 : (1) 黑体及黑体辐射 : 黑体是能够吸收照射到它上面的 全部辐射而无 _____ 的物体 , 黑体辐射是指黑体发出的 _____ 辐射。 (2) 经典物理学的困难 : 应用经典物理学的 _______ 观念 , 进行的理论分析与黑体辐射实验结果不相符合。 反射 电磁 连续性 (3) 能量子假说 : 物质发射 ( 或吸收 ) 能量时 , 能量不是连 续的 , 而是 _________ 进行的。每一份就是一个最小的 能量单位 , 称为“ _______” 。 能量子的能量 ε=____,ν 为辐射的频率 ,h 为 _________ ___ 。实验测得 h=6.63×10 -34 J·s 。 (4) 能量的量子化 : 在微观领域中能量的不连续变化 , 即 只能取 _______ 的现象。 一份一份 能量子 hν 普朗克常 量 分立值 2. 爱因斯坦提出光子说 : (1) 光电效应现象及实验规律 : 光电效应指光照射金属 表面时 , 有 _____ 逸出的现象。实验表明 : 光电效应的产 生取决于光的 _____ 而与光的强度无关。 (2) 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 _______, 与光的强度有关 , 而与光的 _____ 无关 , 无法解释光电效应现象。 电子 频率 连续的 频率 (3) 光子说及其对光电效应的解释 : 光在传播过程中 , 也 是 _______ 的 , 它由数值分立的能量子组成 , 称为 _______, 也叫“光子” , 光子能量 ε = ____ 。 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 _____ 而非光强 , 所以光电效 应产生与否取决于光的 _____ 。 不连续 光量子 hν 频率 频率 3. 光的本质 : 光既具有波动性又具有粒子性 , 也就是光 具有 ___________ 。 4. 原子光谱分析 : (1) 氢原子光谱特点 : 由一系列 _______ 的亮线组成的线 状谱。 波粒二象性 不连续 (2) 原子能量特点 : 原子只能处于一系列 _______ 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 _______ 的。 不连续 不连续 【 思考辨析 】 (1) 量子理论中能量也是连续变化的。 ( 　　 ) (2) 一个量子就是组成物质的最小微粒 , 如原子、分子。 ( 　　 ) (3) 辐射的能量是一份一份的 , 因此物体的动能也是一份一份的。 ( 　　 ) (4) 光具有波粒二象性说明有的光是波 , 有的光是粒子。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。在量子理论中能量只能取分立值 , 不连续。 (2)× 。一个量子或量子化 , 本质就是不连续 , 它和物质组成的最小微粒如原子或分子无必然联系 , 它是指一个物理量的特点。 (3)× 。辐射能量的量子化是用来解释微观世界的物理问题 , 与宏观物体的动能、势能研究方法不同 , 因而规律也不同。 (4)× 。光具有波粒二象性是说在一定条件下 , 突出表现为粒子性 ( 实质是不连续 ); 而在另一条件下 , 又突出表现为波动性。不是有的光是波 , 有的光是粒子。 二、物理学与人类的文明进步 (1) 物理学是自然科学的基础之一 , 物理学的研究成果 和 _________, 在自然科学的各个领域起着重要作用。 研究方法 (2) 物理学的发展推动了 _________ 的高速发展。 _____ _____ 的高速发展又直接推动了人类社会的文明进步。 ①牛顿力学、热学的发展导致了第一次工业革命 , 使 人类进入 _______ 时代 , 解放了人的体力。 科学技术 科学 技术 蒸汽机 ② 电磁技术的突破性成就迎来了第二次工业革命 , 使人 类进入了 _______ 时代。 ③量子理论、相对论使得核物理学取得重大突破 , 引发 了第三次工业革命 , 人类进入了 _______ 时代。 电气化 原子能 一　对量子理论的初步认识 【 典例 】 ( 多选 ) 对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点 , 以下说法正确的是 世纪金榜导学号 86326101( 　　 ) A. 以某一个最少能量值一份一份地辐射或吸收 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 】 选 A 、 B 、 D 。根据普朗克能量子假说 , 带电粒子的能量只能是某一最小值 ε 的整数倍 , 能量的辐射、吸收要一份一份地进行 , 故 A 、 B 、 D 均正确 ,C 错误。 【 核心归纳 】 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 叫做量子数。量子的能量 ε=hν= 式中 h 为普朗克 常数 (h=6.63×10 -34 J·s) 是微观现象量子特征的表 征 ,ν 为频率 ,c 为真空的光速 ,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、物质之间传递的相互作用、物体的状态及变化等都是量子化的。 【 过关训练 】 1. 对 ε=hν 的理解 , 下列说法不正确的是 ( 　　 ) A. 能量子的能量与频率成正比 B. 光的频率越高 , 光的强度就越大 C. 光的频率越高 , 光子的能量就越大 D. 它适用于一切量子化现象 【 解析 】 选 B 。 ε=hν 适用于一切量子化现象 , 是所有的能量子具有的能量的计算公式 , 因此 A 、 C 、 D 正确 ,B 错误。 2. 人眼对绿光最为敏感 , 正常人的眼睛接收到波长为 530 nm 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 -34 J·s, 光速为 3.0×10 8 m/s, 则人眼能觉察到绿光时所接收到的最小功率是 ( 　　 ) A.2.3×10 -18 W B.3.8×10 -19 W C.7.0×10 -10 W D.1.2×10 -18 W 【 解析 】 选 A 。因只要每秒有 6 个绿光的光子射入瞳孔 , 眼睛就能察觉。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=6× ≈2.3×10 -18 W 。 二　对光电效应的理解 【 典例 】 某金属在一束绿光照射下发生了光电效应 , 则下列说法正确的是 世纪金榜导学号 86326102( 　　 ) A. 若增加绿光的照射强度 , 则单位时间内逸出的光电子数目不变 B. 若增加绿光的照射强度 , 则逸出的光电子将具有更大的动能 C. 若改用紫光照射 , 则逸出的光电子将具有更大的动能 D. 若改用紫光照射 , 则单位时间内逸出的光电子数目增加 【 解析 】 选 C 。在光电效应中 , 入射光的频率决定能否发生光电效应 , 在能发生光电效应时 , 入射光的强度影响单位时间内逸出的光电子数目 , 入射光的频率影响逸出的光电子的初动能的大小 ,C 正确。 【 核心归纳 】 “ 光子说”及对光电效应的解释 1. 光子说 : 爱因斯坦认为 , 光在传播过程中 , 是不连续的 , 它由数值分立的能量子组成 , 这些能量子叫光量子 , 也 称“光子” , 光就是以光速 c 运动着的光子流 , 每个光子 的能量 E=hν=h 。 2. 用光子说解释光电效应的规律 : 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 ν 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 电效应入射光的频率必须足够大 , 而不是光足够强。 【 过关训练 】 如图所示 , 某种单色光照射到金属表面时 , 金属表面有光子逸出 , 如果光的强度减弱 , 频率不变 , 则下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 光的强度减弱到某一最低数值时 , 就没有光电子逸出 B. 单位时间内逸出的光电子数减少 C. 逸出光电子的最大初动能减少 D. 单位时间内逸出的光电子数和光电子的最大初动能都要减少 【 解析 】 选 B 。照射光的频率不变 , 光强减弱 , 每个光子的能量仍不变 , 所以仍然能产生光电效应 , 并且逸出的光电子的最大初动能也不变。由于光强减弱后 , 单位时间内到达阴极的光子数减少 , 所以能激发出的光电子数也减少。故 B 正确 ,A 、 C 、 D 错误。 【 补偿训练 】 硅光电池是利用光电效应原理制成的 , 下列表述正确的是 ( 　　 ) A. 硅光电池是把光能转变为电能的一种装置 B. 硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出 C. 逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关 D. 任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应 【 解析 】 选 A 。硅光电池把光能转化为电能 ,A 正确 ; 光子的能量取决于光的频率 , 只有当光子的能量足够大 , 被硅光电池中的电子吸收后 , 电子才能从金属中逸出 , 所以只有当光的频率足够大时才会发生光电效应 ,B 、 D 错误 ; 逸出的光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大 ,C 错误。 三　对波粒二象性的理解 【 典例 】 有关光的本性 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) 世纪金榜导学号 86326103 A. 光既具有波动性 , 又具有粒子性 , 这是相互矛盾和对立的 B. 光的波动性指出光类似于机械波 , 光的粒子性指出光类似于质点 C. 光不具有波动性 D. 由于光既具有波动性 , 又具有粒子性 , 无法只用其中一种去说明光的一切行为 , 只能认为光具有波粒二象性 【 解析 】 选 D 。 19 世纪初 , 人们成功地在实验室中观察 到了光的干涉、衍射现象 , 这属于波的特征 , 微粒说无 法解释这些现象 ; 但 19 世纪末又发现了光电效应 , 这种 现象波动说不能解释 , 证实光具有粒子性 , 因此 , 光既具 有波动性 , 又具有粒子性。但光不同于宏观的机械波和 粒子 , 波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现 , 是同一个体的两个不同侧面 , 不同属性 , 我们无法用其中一种去说明光的一切行为 , 只能认为光具有波粒二象性 ,D 正确。 【 核心归纳 】 光的波粒二象性的理解 光具有波粒二象性 , 在一定条件下 , 突出地表现为微粒性 , 实质为不连续性 ; 而在另一些条件下 , 又突出地表现为波动性。 (1) 宏观上 , 大量光子表现为波动性 , 如光的干涉、衍射现象 ; 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。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 ; 而频率越高、波长越短 , 表现出的粒子性越显著。 (2) 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。 【 过关训练 】 1.( 多选 ) 关于光的波粒二象性 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 光的频率越高 , 光的能量越大 , 粒子性越明显 B. 光的波长越长 , 光的能量越小 , 波动性越明显 C. 频率高的光只具有粒子性 , 不具有波动性 D. 无线电波只具有波动性 , 不具有粒子性 【 解析 】 选 A 、 B 。光的频率越高 , 由 ε=hν 知光子的能量越大 , 光的波长越短 , 粒子性越明显 ,A 正确 ; 光的波长越长 , 则频率越小 , 由 ε=hν 知光子的能量越小 , 则光的波动性越明显 ,B 正确 ; 频率高的光粒子性明显 , 但也具有波动性 ,C 错误 ; 无线电波是电磁波 , 既具有波动性也具有粒子性 ,D 错误。 2. 下列关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 , 光波与机械波同样是一 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 , 同时也具有粒子性。光子说并未否定电 磁说 , 在光子能量 E=hν 中 , 频率 ν 仍表示的是波的特性 【 解析 】 选 D 。光既不是宏观观念的波 , 也不是宏观观念的粒子 ,B 错误 ; 光具有波粒二象性是指光在传播过程中 , 表现为波动性 , 同物质作用时表现出粒子性 ,A 、 C 错误 ; 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 ; 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 , 故 D 正确。 【 拓展例题 】 考查内容 : 可见光的能量比较 【 典例示范 】 红、橙、黄、绿四种光的波长逐渐减小 , 那么这四种光每份能量最小的是 ( 　　 ) A. 红光　　　 B. 橙光　　　 C. 黄光　　　 D. 绿光 【 正确解答 】 选 A 。由波长与频率的关系 c=fλ 知四种光的波长逐渐减小 , 则其频率应逐渐增大 , 根据普朗克能量子公式知每个能量子的能量和频率成正比 , 所以四种光中频率最小的红光能量最小 , 故 A 正确。