高中物理 第5章 典力學與物理學的革命 第3節(jié) 量子化現(xiàn)象 第4節(jié) 物理學-人類文明進步的階梯教師用書 粵教版

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第三節(jié)　量子化現(xiàn)象 第四節(jié)　物理學——人類文明進步的階梯 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.知道黑體和黑體輻射，了解經典物理學的困難，知道能量子觀點的內容. 2.了解光電效應現(xiàn)象，知道光子說以及對光電效應的解釋．(重點) 3.知道氫原子光譜的特點，了解原子能量的不連續(xù)性．(難點) 4.了解物理學在自然科學、現(xiàn)代技術的應用以及推動人類社會進步的作用. 量 子 化、 光 電 效 應 1．黑體輻射與能量子假說 (1)黑體輻射及遇到的困難 ①黑體：能夠吸收照射到它上面的全部輻射而無反射的物體． ②黑體輻射：黑體發(fā)出的電磁輻射． ③經典物理學的困難：應用經典物理學的連續(xù)觀念，進行黑體輻射研究，理論分析與實驗結果不相符合． (2)普朗克的能量子假說 ①能量子假說：物質發(fā)射(或吸收)能量時，能量不是連續(xù)的，而是一份一份地進行的．每一份就是一個最小的能量單位，稱為“能量子”． 能量子與頻率成正比，即ε＝hν，ν為輻射的頻率，h為普朗克常量．實驗測得h＝6.6310－34 Js. ②能量的量子化：在微觀領域中能量不連續(xù)變化，即只能取分立值的現(xiàn)象． ③普朗克的能量子假說不僅解決了黑體輻射的理論困難，而且揭開了物理學上嶄新的一頁． 2．對光電效應現(xiàn)象的解釋 (1)愛因斯坦的光子說：光在傳播過程中，也是不連續(xù)的，它由數(shù)值分立的能量子組成，稱為光量子，也叫“光子”，光子能量ε＝hν. (2)光電效應現(xiàn)象：當紫外線這一類波長較短的光照射金屬表面時，金屬便有電子逸出的現(xiàn)象，從金屬表面逸出的電子稱為光電子．光電效應的產生取決于光的頻率而與光的強度無關． (3)經典物理學的困難：經典理論中“光的波動說”認為光是一種波，它的能量是連續(xù)的，與光的強度有關，而與光的頻率無關，無法解釋光電效應現(xiàn)象． (4)光子說對光電效應的解釋： 光子照到金屬上時，能量被金屬中的某電子吸收，若光子能量足夠大，電子就能擺脫金屬離子的束縛，成為光電子．而光子能量取決于頻率而非光強，所以光電效應產生與否取決于光的頻率． 1．所謂量子或量子化，本質是不連續(xù)性．(√) 2．光強達到一定程度，就一定發(fā)生光電效應現(xiàn)象．() 3．光子和電子是同樣的粒子．() 平時生活中，為什么很難碰到量子化的現(xiàn)象？ 【提示】　量子化在微觀世界里表現(xiàn)明顯，在宏觀世界里表現(xiàn)不明顯． 探討1：十九世紀末科學家們研究黑體輻射規(guī)律時遇到了什么困難？ 【提示】　理論分析與實驗結果不相符． 探討2：什么是能量的量子化？ 【提示】　在微觀領域中能量不連續(xù)變化，即只能取分立值的現(xiàn)象． 1．量子化假設：普朗克提出物質輻射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量單位的整數(shù)倍，E＝nε，n＝1,2,3…n叫作量子數(shù)．量子的能量ε＝hν.式中h為普朗克常數(shù)(h＝6.6310－34 Js)，是微觀現(xiàn)象量子特征的表征，ν為頻率． 2．量子化：量子化的“靈魂”是不連續(xù)．在宏觀領域中，這種量子化(或不連續(xù)性)相對于宏觀量或宏觀尺度極微小，完全可以忽略不計，但在微觀世界里，量子化(或不連續(xù))是明顯的，微觀物質系統(tǒng)的存在、物體之間傳遞的相互作用量、物體的狀態(tài)及變化等都是量子化的． 3．光子說解釋光電效應 (1)當光子照射到金屬表面上時，它的能量可以被金屬中的某個電子全部吸收，電子吸收光子的能量后，動能立刻增加，不需要積累能量的過程．這就是光電效應的發(fā)生用時極短的原因．只有能量足夠大，即頻率ν足夠大的光子照射在金屬上，才能使電子獲得足夠大的動能，克服金屬原子核對它的束縛從金屬表面飛離出來成為光電子，這就說明發(fā)生光電效應是入射光的頻率必須足夠大，而不是光足夠強． (2)電子吸收光子的能量后可能向各個方向運動，有的向金屬內部運動，并不出來．向金屬表面運動的電子，經過的路程不同，途中損失的能量也不同．唯獨金屬表面上的電子，只要克服金屬原子核的引力做功，就能從金屬中逸出，這個功叫逸出功，這些光電子的動能最大，叫最大初動能．金屬中的每個電子對光子能量的吸收不是連續(xù)累加的，它只能吸收一個光子的能量，因此只有達到一定頻率的光子照射才有光電效應產生． 1．(多選)關于量子假說，下列說法正確的是(　　) A．為了解決黑體輻射的理論困難，愛因斯坦提出了量子假說 B．量子假說第一次得出了不連續(xù)的概念 C．能量的量子化就是能的不連續(xù)化 D．量子假說認為電磁波在空間中的傳播是不連續(xù)的 【解析】　普朗克提出了量子假說，它認為，電磁波發(fā)射和吸收都不是連續(xù)的，是一份一份進行的．它不但解決了黑體輻射的理論困難，而且更重要的是提出了“量子”概念，揭示了物理學的嶄新的一頁，選項B、C正確． 【答案】　BC 2．某單色光照射金屬時不會產生光電效應，下列措施中可能使該金屬產生光電效應的是(　　) A．延長光照時間 B．增大光的強度 C．換用波長較短的光照射 D．換用頻率較低的光照射 【解析】　要產生光電效應，入射光的頻率必須大于該金屬的極限頻率，波長越短的光頻率越高，當高于極限頻率時就能產生光電效應，故C正確． 【答案】　C 3．(多選)對光電效應的解釋正確的是(　　) A．金屬內的每個電子要吸收一個或一個以上光子，當它積累的能量足夠大時，就能逸出金屬 B．如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應 C．發(fā)生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，越容易發(fā)生光電效應 D．不同的金屬產生光電效應的入射光的最低頻率也不同 【解析】　光電效應中電子只能吸收一個光子，不能吸收多個光子，A錯．要使電子離開金屬，須使電子具有足夠的動能，而電子增加的動能只能來源于照射光的光子能量，按照愛因斯坦的光子說，光的能量是由光的頻率決定的，與光強無關．入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應就越容易，B正確．只要光的頻率低，即使照射時間足夠長，也不會發(fā)生光電效應，C錯．不同的金屬中的電子逸出需要的能量不同，故入射光的最低頻率也不同，D正確． 【答案】　BD 光 的 本 性、 原 子 光 譜 1．光的本性 (1)光既具有波動性又具有粒子性，也就是光具有波粒二象性． (2)在宏觀上，大量光子傳播往往表現(xiàn)為波動性；在微觀上，個別光子在與其他物質產生作用時往往表現(xiàn)為粒子性． 2．原子光譜分析 (1)氫原子光譜特點：由一系列不連續(xù)的亮線組成的線狀譜． (2)原子能量特點：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，當原子從一種能量狀態(tài)變化到另一種能量狀態(tài)時，輻射(或吸收)一定頻率的光子，輻射(或吸收)的光子的能量是不連續(xù)的． 3．量子論建立的意義 (1)量子論的發(fā)展帶來了20世紀科學技術的繁榮，開辟了眾多的高新技術領域，成為當今高科技的理論基礎． (2)量子論的發(fā)展改變了人們的思維方式，將對21世紀的科學進步產生深遠的影響． 4．物理學與人類的文明進步 (1)物理學與化學從來都是并肩前進的，應用物理學的原理和方法研究有關化學現(xiàn)象和過程建立了物理化學這一邊緣學科.20世紀隨著量子力學的建立，量子化學應運而生． (2)物理學的研究成果和研究方法向生物學滲透的結果，形成了生物物理、分子生物學． (3)物理學的光度測量和光譜分析應用于天文學，使天文學家能夠考察天體的溫度分布、化學構成、物理結構和演化過程，由此產生了標志天文學新的發(fā)展水平的天體物理學，使人類進入了認識宇宙的新階段． (4)物理學的發(fā)展推動了科學技術的高速發(fā)展，幾乎所有重大的新技術領域都是在物理學中經過了長期的醞釀，在理論上和實驗上取得突破，繼而轉化為技術成果的． 1．光的波動性是大量光子的集體表現(xiàn)．(√) 2．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著．(√) 3．氫原子光譜說明光子的能量是不連續(xù)的．(√) 當我們走到有自動門的處所時，光電池電子眼探測到我們到來，門(玻璃移門或旋轉門)就自動打開了．這種傳感器可以對光作出響應．試討論其中的物理原理是什么？ 【提示】　這種傳感器代表了光電效應的一種應用．當光強變化時，傳感器產生的電流大小將發(fā)生改變，與相應的電路耦合，就可以觸發(fā)，將門打開． 探討1：光既具有粒子性，又具有波動性，光的粒子性及波動性表現(xiàn)在哪些方面？ 【提示】　光的粒子性表現(xiàn)為光的反射、光的折射等，光的波動性表現(xiàn)為光的干涉、衍射等． 探討2：氫原子光譜是分立的線狀譜，說明了什么？ 【提示】　原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中． 1．光電效應說明光具有粒子性，光的干涉、衍射等實驗事實，顯示光具有波動性，大量實驗事實表明，光既具有波動性又具有粒子性． 2．光具有波粒二象性，但在不同情況下表現(xiàn)不同．在宏觀上，大量光子傳播往往表現(xiàn)為波動性；在微觀上，個別光子在與其他物質產生作用時，往往表現(xiàn)為粒子性． 3．光的粒子性不同于宏觀觀念中的粒子，粒子性的含義是“不連續(xù)”的、“一份一份”的．光的波動性也不同于宏觀觀念中的波，波動規(guī)律決定光子在某點出現(xiàn)的概率，是一種概率波． 4．氫原子光譜為線狀譜，這說明原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中．微觀物質系統(tǒng)的存在是量子化的，物質之間傳遞的相互作用量是量子化的，物體的狀態(tài)及其變化也是量子化的． 4．關于光的本性，下列說法中不正確的是(　　) A．光是一種電磁波 B．光具有波粒二象性 C．大量光子顯示出光的波動性 D．大量光子顯示出光的粒子性 【解析】　光的電磁說已表明光是一種電磁波，光具有波粒二象性，大量的光子表現(xiàn)出波動性，單個光子的運動才表現(xiàn)出粒子性，應選D. 【答案】　D 5．關于波粒二象性，下列說法正確的是(　　) A．光像原子一樣是一種微粒，光又像機械波一樣是一種波 B．波粒二象性是牛頓的微粒說與惠更斯的波動說結合起來的學說 C．光是一種波，同時也是一種粒子，大量光子表現(xiàn)的物理規(guī)律是波動性，單個光子的表現(xiàn)有偶然性，是粒子性的反映 D．光具有波粒二象性，實物粒子不具有波粒二象性 【解析】　光具有波粒二象性是說光在一定條件下，突出地表現(xiàn)為粒子性，在另一條件下，又會表現(xiàn)為波動性，這種粒子性與波動性不同于宏觀物質的機械波，也不能把光子簡單看作宏觀概念中的粒子，故選項A、B均錯；光子是一種波，同時也是一種粒子，大量光子表現(xiàn)的是波動性的反映，單個光子易表現(xiàn)出粒子性，故選項C正確；光與任何靜止質量不為零的物質粒子都具有波粒二象性，因此選項D錯誤． 【答案】　C 6．下列對光的波粒二象性的說法中，正確的是(　　) A．一束傳播的光，有的光是波，有的光是粒子 B．光子與電子是同樣一種粒子，光波與機械波是同樣一種波 C．光的波動性是由于光子間的相互作用而形成的 D．光是一種波，同時也是一種粒子．光子說并未否定電磁說，在光子能量E＝hν中，頻率ν仍表示的是波的特性 【解析】　光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象性．當光和物質作用時，是“一份一份”的，表現(xiàn)出粒子性；單個光子通過雙縫后的落點無法預測，但大量光子通過雙縫后在空間各點出現(xiàn)的可能性可以用波動規(guī)律描述，表現(xiàn)出波動性．粒子性和波動性是光子本身的一種屬性，光子說并未否定電磁說． 【答案】　D 在宏觀現(xiàn)象中，波與粒子是對立的概念，而在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一.光既不是宏觀觀念的波，也不是微觀觀念的粒子，光具有波粒二象性是指光在傳播過程中，同物質作用時表現(xiàn)出波和粒子的特性.把光理解為宏觀世界的波和粒子是主要錯誤，受宏觀概念中波與粒子對立地的思維定勢影響是錯誤的根源.