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

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=6.63×10-34J·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=6.63×10-34J·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。hc。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530nm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6.63×10-34J·s,光速为3.0×108m/s,则人眼能觉察到绿光时所接收到的最小功率是()A.2.3×10-18WB.3.8×10-19WC.7.0×10-10WD.1.2×10-18W【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×≈2.3×10-18W。Etc34896.6310310W53010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。c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86326103A.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。