2019-2020学年高中物理 第6章 相对论与量子论初步 第2节 量子世界课件 鲁科版必修2

第6章相对论与量子论初步第2节量子世界第6章相对论与量子论初步1.通过对简单现象的探究，建立热辐射、黑体、能量子的概念．2.了解普朗克“量子假说”的背景和“量子假说”的主要内容，体会经典力学的局限性．3.了解爱因斯坦“光量子说”的含义，知道光具有波粒二象性．4.了解德布罗意的物质波假说及意义．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．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理想模型．分子、原子电磁波电磁波完全吸收不反射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λ(μm)温度T(K)不符黑体是黑色的吗？热辐射的物体温度一定很高吗？提示：我们说的黑体并不是指物体的颜色，它是指能完全吸收电磁波的物体．热辐射不一定需要高温，任何温度的物体都存在热辐射，只是温度的高低影响热辐射的强弱．二、不连续的能量1．量子假说的内容(1)物质_________(或___________)的能量E只能是某一最小能量单位的____________，即E＝______(n＝1，2，3…)．(2)辐射是由一份份的能量组成的，一份能量就是一个___________．量子的能量大小取决于辐射的波长，量子的能量ε与频率ν成正比，即ε＝_____＝hcλ，h为普朗克常数．辐射吸收整数倍nε量子hν2．量子化：本质是_____________，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_____________是量子化的，物体的_____________及其_____________也是量子化的．不连续性相互作用量状态变化1．(1)首先提出量子理论的科学家是爱因斯坦．()(2)一个量子就是组成物质的最小微粒，如原子、分子．()(3)在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的．()提示：(1)×(2)×(3)√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．牛顿光的反射光的颜色惠更斯爱因斯坦康普顿效应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_____________．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波粒二象性．波粒二象性微粒性波动性物质波一种波概率波电子衍射2．(1)光像原子一样是一种微粒，光又像机械波一样是一种波．()(2)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．()提示：(1)×(2)×对量子化假设的理解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＝hcλ.式中h为普朗克常数(h＝6.63×10－34J·s)，是微观现象量子特性的表征，ν为频率，c为真空中的光速，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．命题视角1量子化假设的考查(多选)关于对普朗克量子假说的认识，下列说法正确的是()A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值εB．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍C．量子的能量与电磁波的频率成正比D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的[解析]根据普朗克量子假说：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可知，A错误，B、C正确；普朗克量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，D错误．[答案]BC命题视角2公式ε＝hν＝hcλ的应用根据量子理论，光子的能量E0＝hν＝hcλ，其中c为真空中的光速、ν为光的频率、λ为光的波长，普朗克常数取h＝6.6×10－34J·s.已知太阳光垂直照射时，每平方米面积上的辐射功率为P＝1.35kW.假设太阳辐射的平均波长为λ－＝6.6×10－7m则在垂直于太阳光的S＝1m2面积上，每秒钟内可以接收到多少个光子？[解题探究](1)太阳光垂直照射时，每平方米面积上每秒钟得到的阳光总能量E是多少？(2)每秒钟内接收到光子数N、每平方米面积上每秒钟得到的阳光总能量E与太阳光平均一个光子的能量E0之间满足什么关系？[解析]依题意，太阳光平均一个光子的能量为E0＝hcλ－，在1m2面积上，1s内得到的阳光总能量为E＝Pt，得到的光子个数N＝EE－0＝Pthcλ－＝Ptλ－hc＝1.35×103×1×6.6×10－76.6×10－34×3×108＝4.5×1021(个)．[答案]4.5×1021个(1)要学会公式间的变换，即由一个光子能量ε＝hν和ν＝cλ得ε＝hcλ.(2)涉及比例关系的题目，关键是弄清物理量中谁与谁的比例关系．波粒二象性的理解1．光的波粒二象性(1)宏观上，大量光子表现为波动性，如光的干涉、衍射现象；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．(2)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，频率越高、波长越短，表现出的粒子性越显著．(3)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．2．物质的波粒二象性(1)德布罗意认为，静止质量不为零的物质粒子(如电子)也具有波动性，每个物质粒子都伴随着一种波，这种波称为物质波，又称为概率波．(2)由于宏观物体运动动量(p＝mv)较大，根据德布罗意波长与动量的关系λ＝hp其波长非常小，很难观察到它们的干涉、衍射等波的现象，但它们仍然具有波动性．命题视角1光的波粒二象性的考查(多选)关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是()A．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性B．光波频率越高，粒子性越明显C．能量较大的光子其波动性越显著D．光的波长越长，波动性越显著[解析]光与物质相互作用时，表现为粒子性，光的传播表现为波动性，选项A正确．光的频率越高，能量越大，粒子性越显著；波长越长，频率越低，波动性越显著，选项B、D正确，选项C错误．[答案]ABD命题视角2物质波的考查(多选)下列关于物质波的认识，正确的是()A．任何一个运动的物体都有一种波和它对应，这就是物质波B．X光的衍射证实了物质波的假设是正确的C．电子的衍射证实了物质波的假设是正确的D．物质波是一种概率波[解析]由物质波的定义可知，任何一个运动的物体都有一种波与它对应，即物质波是一种概率波，故选项A、D正确；X光的衍射说明了光是一种波，而光是电磁波，不同于物质波，故选项B错误；电子的衍射证实了物质波的存在，故选项C正确．[答案]ACD(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．量子化理论的应用技巧1．量子化假设与传统的经典物理的连续性概念是不同的，微观物质系统的存在是量子化的，物体间传递的相互作用是量子化的，物体的状态及其变化也是量子化的．2．量子化假设说明最小能量ε＝hν由光的频率决定．要计算宏观物体辐射的总能量与光子个数的关系E总＝N·hν.3．由公式ν＝c真λ真知，假设已知光在真空中的波长和速度，便可求出光的频率，再由ε＝hν便可知一份光量子的能量．氦氖激光器发射波长为6328A(1A＝10－10m)的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？若该激光器的发光功率为18mW，则每秒钟发射多少个光子？(h＝6.63×10－34J·s)。。[解析]光子能量ε＝hν，而λν＝c，所以ε＝hcλ＝6.63×10－34×3×1086328×10－10J≈3.14×10－19J；因为发光功率已知，所以1s内发射的光子数为n＝Ptε＝18×10－3×13.14×10－19个≈5.73×1016个．[答案]3.14×10－19J5.73×1016个在绿色植物的光合作用中，每放出1个氧分子要吸收8个波长为6.88×10－7m的光量子，同时每放出1mol的氧气，植物储存469kJ的能量，绿色植物能量转换效率为(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s)()A．9%B．34%C．56%D．79%解析：选B.植物储存的能量与它储存这些能量所需要吸收的光能的比值就是绿色植物的能量转换效率．现已知每放出1mol氧气储存469kJ的能量，只要再求出所需的光能就行了．设阿伏伽德罗常数为NA.因每放出1个氧分子需要吸收8个光量子，故每放出1mol的氧气需要吸收的光量子数为8NA，其总能量为E＝8NA·hcλ＝8×6.02×1023×6.63×10－34×3×1086.88×10－7J≈1.392×106J.绿色植物的能量转换效率为η＝469×1031.392×106×100%≈34%.本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放