第三節(jié)量子化現(xiàn)象第四節(jié)物理學(xué)—人類文明進(jìn)步的階梯[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象.知道量子論的主要內(nèi)容.2.了解光電效應(yīng)、原子能量的不連續(xù)性及光的波粒二象性.3.知道量子論的建立對人類認(rèn)識世界和科技發(fā)展的重要影響.4.了解物理學(xué)對人類文明進(jìn)步的影響.一、量子化現(xiàn)象1.黑體輻射：如果一個物體能夠吸收照射到它上面的全部輻射而無反射，這一物體就稱為黑體.黑體輻射是指黑體發(fā)出的電磁輻射.2.光電效應(yīng)：當(dāng)用一些波長較短的光照射金屬表面時，金屬便有電子逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng).從金屬表面逸出的電子稱為光電子.光電效應(yīng)的產(chǎn)生取決于光的頻率而與光的強(qiáng)度無關(guān).3.光的波粒二象性：大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，光既具有波動性又具有粒子性，也就是光具有波粒二象性.4.原子光譜：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，當(dāng)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)光子的能量是不連續(xù)的.二、物理學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)物理學(xué)的發(fā)展推動了科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，幾乎所有重大的新技術(shù)領(lǐng)域，如原子能技術(shù)、激光技術(shù)、電子和信息技術(shù)等的創(chuàng)立，都是在物理學(xué)中經(jīng)過了長期的醞釀，在理論上和實(shí)驗(yàn)上取得突破，繼而轉(zhuǎn)化為技術(shù)成果的.[即學(xué)即用]1.判斷下列說法的正誤.(1)量子理論中能量也是連續(xù)變化的.(×)(2)一個量子就是組成物質(zhì)的最小微粒，如原子、分子.(×)(3)輻射的能量是一份一份的，因此物體的動能也是一份一份的.(×)(4)光具有波粒二象性說明有的光是波，有的光是粒子.(×)2.計(jì)算波長是0.1220μm的紫外線的光子能量.答案1.63×10－18J解析波長是0.1220μm的紫外線的光子能量E＝hν＝heq\f(c,λ)＝6.63×10－34×eq\f(3×108,0.1220×10－6)J≈1.63×10－18J.一、對量子理論的初步認(rèn)識1.量子化假設(shè)：普朗克提出物質(zhì)發(fā)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叫做量子數(shù).能量子的能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ).式中h為普朗克常量(h＝6.63×10－34J·s)是微觀現(xiàn)象量子特征的表征，ν為頻率，c為真空中的光速，λ為光波的波長.2.量子化：量子化的“靈魂”是不連續(xù).在宏觀領(lǐng)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(jì)，但在微觀世界里，量子化(或不連續(xù))是明顯的，微觀物質(zhì)系統(tǒng)的存在，物質(zhì)之間傳遞的相互作用、物體的狀態(tài)及變化等都是量子化的.例1根據(jù)量子理論，光子的能量E0＝hν＝heq\f(c,λ)，其中c為真空中的光速、ν為光的頻率、λ為光的波長，普朗克常量取h＝6.6×10－34J·s.已知太陽光垂直照射時，每平方米面積上的輻射功率為P＝1.35kW.假設(shè)太陽輻射的平均波長為eq\x\to(λ)＝6.6×10－7m，則在垂直于太陽光的S＝1m2面積上，每秒鐘內(nèi)可以接收到多少光子？答案4.5×1021個解析依題意，太陽光平均一個光子的能量為eq\x\to(E)0＝heq\f(c,\x\to(λ))，在1m2面積上，1s內(nèi)得到的陽光總能量為E＝Pt，接收到的光子個數(shù)N＝eq\f(E,E0)＝eq\f(Pt,\f(hc,\x\to(λ)))＝eq\f(Pt\x\to(λ),hc)＝eq\f(1.35×103×1×6.6×10－7,6.6×10－34×3×108)個＝4.5×1021個.針對訓(xùn)練(多選)關(guān)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(rèn)為電磁波在空間中的傳播是不連續(xù)的答案BC解析普朗克提出了量子假說，認(rèn)為物質(zhì)發(fā)射和吸收能量時，能量不是連續(xù)的，是一份一份進(jìn)行的.它不但解決了黑體輻射的理論困難，更重要的是提出了“量子”概念，揭開了物理學(xué)嶄新的一頁，選項(xiàng)B、C正確.二、對光電效應(yīng)的理解1.光子說：愛因斯坦認(rèn)為，光在傳播過程中，是不連續(xù)的，它由數(shù)值分立的能量子組成，這些能量子叫光量子，也稱“光子”，光就是以光速c運(yùn)動著的光子流，每個光子的能量E＝hν＝heq\f(c,λ).2.用光子說解釋光電效應(yīng)的規(guī)律：當(dāng)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(yīng)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(yīng)入射光的頻率必須足夠大，而不是光足夠強(qiáng).例2硅光電池是利用光電效應(yīng)原理制成的，下列表述正確的是()A.硅光電池是把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置B.硅光電池中吸收了光子能量的電子都能逸出C.逸出的光電子的最大初動能與入射光的頻率無關(guān)D.任意頻率的光照射到硅光電池上都能產(chǎn)生光電效應(yīng)答案A解析硅光電池把光能轉(zhuǎn)化為電能，A正確；光子的能量取決于光的頻率，只有當(dāng)光子的能量足夠大，被硅光電池中的電子吸收后，電子才能從金屬中逸出，所以只有當(dāng)光的頻率足夠大時才會發(fā)生光電效應(yīng)，B、D錯誤；逸出的光電子的最大初動能隨入射光的頻率的增大而增大，C錯誤.1.光電效應(yīng)能不能產(chǎn)生取決于入射光的頻率，只要頻率足夠大，就可以產(chǎn)生光電效應(yīng)，與光的照射時間無關(guān).2.單位時間內(nèi)產(chǎn)生光電子的多少取決于入射光的強(qiáng)度，入射光的強(qiáng)度越強(qiáng)，產(chǎn)生的光電子越多.3.逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大.4.“光電子的最大初動能”與“光電子的動能”的區(qū)別光照射到金屬表面時，電子吸收光子的能量，就可能向各個方向運(yùn)動，運(yùn)動過程中要克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分能量轉(zhuǎn)化為光電子的初動能.所以金屬表面的電子，只需克服原子核的引力做功就能逸出，光電子具有的初動能最大，此時的動能叫做光電子的最大初動能.三、對波粒二象性的理解1.光電效應(yīng)說明光具有粒子性，光的干涉、衍射等實(shí)驗(yàn)事實(shí)，說明光具有波動性，大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(zhì)發(fā)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(diǎn)出現(xiàn)的概率，是一種概率波.例3下列關(guān)于光的波粒二象性的說法中，正確的是()A.有的光是波，有的光是粒子B.光子與電子是同樣的一種粒子C.光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D.大量光子的行為往往顯示出粒子性答案C解析光具有波粒二象性，即光具有波動性和粒子性，A錯誤；光子不是實(shí)物粒子，電子是實(shí)物粒子，故B錯誤.光的波長越長，其波動性越明顯，波長越短，其粒子性越明顯，C正確；大量光子的行為顯示出波動性，D錯誤.1.(量子化的理解)對于帶電微粒輻射和吸收能量時的特點(diǎn)，下列說法不正確的是()A.輻射是由一份份的能量組成的，一份能量就是一個能量子B.輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C.吸收的能量可以是連續(xù)的D.輻射和吸收的能量是量子化的答案C解析根據(jù)普朗克的量子理論，能量是不連續(xù)的，其輻射和吸收的能量只能是某一最小能量單位的整數(shù)倍，故A、B、D均正確，C錯，所以選C.2.(光電效應(yīng)的理解)某單色光照射金屬時不會產(chǎn)生光電效應(yīng)，下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是()A.延長光照時間B.增大光的強(qiáng)度C.換用波長較短的光照射D.換用頻率較低的光照射答案C解析要產(chǎn)生光電效應(yīng)，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(dāng)高于極限頻率時就能產(chǎn)生光電效應(yīng)，故C正確.3.(對光的波粒二象性的理解)(多選)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個光強(qiáng)的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，那么該光子()A.一定落在中央亮紋處B.一定落在亮紋處C.可能落在暗紋處D.落在中央亮紋處的可能性最大答案CD解析根據(jù)光波是概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處.當(dāng)然也可落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項(xiàng)正確.課時作業(yè)一、選擇題(1～5為單項(xiàng)選擇題，6～9為多項(xiàng)選擇題)1.下列說法中正確的是()A.經(jīng)典力學(xué)適用于任何情況下的任何物體B.狹義相對論否定了經(jīng)典力學(xué)C.量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律性D.萬有引力定律也適用于強(qiáng)相互作用力答案C解析經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀、低速、弱引力的情況，故A項(xiàng)是錯誤的；狹義相對論沒有否定經(jīng)典力學(xué)，在宏觀低速情況下，相對論的結(jié)論與經(jīng)典力學(xué)沒有區(qū)別，故B項(xiàng)是錯誤的；量子力學(xué)正確描述了微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律性，故C項(xiàng)是正確的；萬有引力定律只適用于弱相互作用力，而對于強(qiáng)相互作用力是不適用的，故D項(xiàng)是錯誤的.2.首先提出量子理論的科學(xué)家是()A.普朗克 B.邁克爾孫C.愛因斯坦 D.德布羅意答案A解析為了解釋黑體輻射，普朗克首先提出了能量的量子化，故A正確.3.關(guān)于愛因斯坦的光子說，下列說法正確的是()A.光只是在傳播時才是一份一份的B.光既然是一個一個的光子，所以它不可能具有波動性C.空間傳播的光是一個一個的光子流，光子的能量與頻率有關(guān)D.空間傳播的光是一個一個的光子流，光子的能量與光的傳播速度有關(guān)答案C解析由愛因斯坦的觀點(diǎn)可知，光在發(fā)射、吸收、傳播的各個過程中，都是由一個個能量子組成的，A錯誤；光的波粒二象性說明微觀粒子具有波動性，B錯誤；光子能量與光的頻率有關(guān)，而與傳播速度無關(guān)，C正確，D錯誤.4.太陽能發(fā)電是利用光電效應(yīng)將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能的.假設(shè)有N個頻率為ν的光子打在硅光電池極板上并完全被轉(zhuǎn)化為電能，則產(chǎn)生的電能為()A.hν B.eq\f(1,2)NhνC.Nhν D.2Nhν答案C解析由普朗克量子理論可知，頻率為ν的單個光子能量ε＝hν，則N個這樣的光子的總能量為Nhν，故C正確.5.為了驗(yàn)證光具有波動性，某同學(xué)采用下列做法，其中可行的是()A.讓一束光照射到一個輕小物體上，觀察輕小物體是否會振動B.讓一束光通過一狹縫，觀察是否發(fā)生衍射現(xiàn)象C.讓一束光通過一圓孔，觀察是否發(fā)生小孔成像D.以上做法均不可行答案B解析光波是一種概率波，不能理解為質(zhì)點(diǎn)參與的振動，故A錯.光的衍射說明光具有波動性，故B正確.光通過小孔成像，說明了光的直線傳播，故C錯.6.對光的認(rèn)識，以下說法正確的是()A.個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性B.光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的C.光表現(xiàn)出波動性時，就不具有粒子性了，光表現(xiàn)出粒子性時，就不具有波動性了D.光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯答案ABD7.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：對于某種金屬()A.無論光強(qiáng)多強(qiáng)，只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)B.無論光的頻率多低，只要光照時間足夠長就能產(chǎn)生光電效應(yīng)C.超過極限頻率的入射光強(qiáng)度越弱，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越小D.超過極限頻率的入射光頻率越高，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越大答案AD解析根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律可知，選項(xiàng)A正確；光的頻率ν越高，光電子的初動能就越大，選項(xiàng)D正確.8.如圖1所示為光電管電路的示意圖，關(guān)于光電管電路，下列說法正確的是()圖1A.能夠把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘朆.電路中的電流是由光電子的運(yùn)動形成的C.光照射到光電管的A極產(chǎn)生光電子并飛向K極D.光照射到光電管的K極產(chǎn)生光電子并飛向A極答案ABD解析在光電管中，當(dāng)光照射到陰極K時，將發(fā)射出光電子，被A極的正向電壓吸引而奔向A極，形成光電流，使電路導(dǎo)通.照射光的強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的光電流越大，這樣就把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換，故A、B、D正確，C錯誤.9.波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有()A.光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光的粒子性B.熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣說明中子具有波動性C.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用光的波動性解釋D.光的波粒二象性說明有的光是波，有的光是粒子答案AB解析光電效應(yīng)揭示了光的粒子性，所以A正確；熱中子在晶體上產(chǎn)生衍射圖樣，即運(yùn)動的實(shí)物粒子具有波的特性，說明中子具有波動性，所以B正確；黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律說明電磁輻射具有量子化，即黑體輻射是不連續(xù)的、一份一份的，所以黑體輻射可用光的粒子性解釋，即C錯誤；所有的光都具有波粒二象性，D錯誤.二、非選擇題10.某激光筆的發(fā)光功率為0.10W，發(fā)出波長為0.45μm的紅色激光，試計(jì)算該激光筆1.0s的時間內(nèi)所發(fā)出的光子個數(shù).(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)答案2.26×1017個解析激光筆在1.0s內(nèi)發(fā)光的總能量為：E＝Pt＝0.10×1.0J＝0.10J一個光子的能量為：E1＝heq\f(c,λ)＝6.63×10－34×eq\f(3×108,0.45×10－6)J＝4.42×10－19J在1.0s時間內(nèi)激光筆發(fā)出的光子數(shù)：N＝eq\f(E,E1)＝eq\f(0.10,4.42×10－19)個≈2.26×1017個.11.已知每秒從太陽射到地球上垂直于太陽光的每平方米截面上的輻射能為1.4×103J，其中可見光部分約占45%.假設(shè)可見光的頻率均為5.5×1014Hz，太陽光向各個方向的輻射是均勻的，日地間距離R＝1.5×1011m，普朗克常量