高中物理第6章经典力学与现代物理6.4微观世界与量子论教案.docx

6.4 微观世界与量子论教研中心教学指导一、课标要求1.初步认识量子物理学与经典物理学的区别，了解量子物理学对人类社会的进步产生的影响.2.了解光电效应的实验规律，从中感受光的粒子性，通过对实验的研究和分析使学生了解光子、光子的能量 、极限频率、光电子和光电流的基本概念.3.了解光谱、氢原子光谱，知道用玻尔的原子模型来解释原子的线状光谱，知道原子的能级以及原子跃迁时发射或吸收光子的频率由|Em-En|决定.4.介绍光的波粒二象性和物质波，进一步开拓学生的视野，能够更全面地认识整个物理学的发展、人类对整个自然的认识.二、教学建议1.光电效应是人类认识到光具有粒子性的重要实验，也是量子物理学产生的实验基础，在对这部分内容的教学中应该注意以下几点：（1）赫兹等科学家发现光电子是人们进一步研究光电效应的开始，在这里可以暗示学生光可能有能量；（2）实验探究光电效应的实验规律是本节的重点，要使学生在实验探究过程中认识光电管、光电流，感受到光具有能量并且与其频率有关，理解极限频率、光的强度等概念.（3）在上面实验的基础上介绍爱因斯坦的光量子理论，让学生用E=h去感受不同频率的光所具有的能量不同.2.实验指导：（1）介绍光电管以及实验电路；（2）引导学生使用正确的探究方法（包括如何改变条件、控制变量）；（3）提示观察目标：电流表示数的变化；（4）指导学生作好记录；（5）组织学生针对实验中的现象进行讨论.3.实验规律的分析论证实际上是在总结实验现象的同时介绍爱因斯坦的光量子理论，教学中要注意现象与理论的对应关系，如：从紫光能产生光电效应而红光不能提出极限频率不同金属的极限频率不同；从光电效应产生的瞬时性提出光量子光子的能量 ；从照射光的强度增加光电流增大光的强度越大代表单位时间内发射的光子数越多.4.玻尔原子模型的教学可以从下面几个环节进行：（1）从线状光谱的产生原因提出问题；（2）简要介绍卢瑟福的原子核式结构，并说明它不能解释线状光谱的产生；（3）介绍玻尔原子模型的能量量子化与轨道半径量子化、能级、跃迁规律，它很好地解释了线状光谱的产生，并经过了实验验证.5.在介绍实物粒子与波的时候应该注意总结光的波粒二象性，从德布罗意的物质波长=进一步认识到物理学的奇妙与和谐，还应该告诉学生人类认识自然永无止境，物理学的明天会更加绚丽.资源参考谈“光子”一、光子究竟是什么样子 对于光是一种波，学生头脑中的形象很清楚，基本上就像水波或者声波一样，散布在一个空域中，而这个空域的形体是可以变化的，光波可以分割，即使到了光的电磁理论的时候，也只是把光波中振动的量，更具体化为电场与磁场而已. 对于光子，学生也习惯于要去建造一个模型来模拟，就是要找一个宏观物体，或者一种宏观的运动，它能在主要方面和光子的行为相似.我们不妨为此去做些努力吧. 把光子仍然想象成可以任意分割的波，可无法解释光电效应的规律，因为这些规律显示出光的能量，必须是一份一份不可分割的.尤其是后来一些精彩的实验，把这种粒子性显示得更加突出.比如有人做过用极微弱的光进行双缝干涉实验，在可以分辨的时间内，平均只有一个光子到达屏幕，开始在屏幕上显示出来的不是很弱的干涉花纹，而是实实在在的一个个的光点.这是非常清楚的粒子的形象，每个点的光能就正好是h.只有当很多光子通过双缝以后，屏上才逐渐显示出，亮暗相间的条纹，可见，那些亮的区域，是许多光点组成的，而暗的区域则是光子到达概率很小的区域. 这样看来，似乎又应该把光子想象成一个弹丸似的东西了，一个弹丸打在靶上就出现一个孔，这是我们在客观世界所熟悉的东西.可是这也不行.因为光必须通过双缝才能形成干涉条纹.若把光子想象成弹丸的话，一个弹丸只能通过一个缝，通过一个缝与另一个缝是开是合有什么关系呢？要解释清楚这个现象，必须认为光是一种波，它的部分通过一条缝，另一部分通过另一条缝，结果形成了干涉. 总之，光子表现出来的行为是这样的：它打在荧光屏或光电阴极上，出现在一个很小的区域中，它的能量是一个不可分的份额h，这说明它是粒子，可是它在通过狭缝时，它又必须展布在一个较大的空间，而且可以分割成任意的几部分，把这些被分割的部分重叠在一起，还会产生干涉现象，这清楚地说明它是一种波.在宏观世界中，能找到具有这种性质的东西吗？不能.正是因为宏观世界中没有这种东西，这才给光子的形象造成了困难.其实，我们认识一个事物，重要的是要知道它在什么环境下有什么表现，我们能够完全掌握它的规律就行了，用另一个东西来类比并不是必须的.事实上，任何类比也只能是局部的相似，世界上不存在完全相似的事物，除非事物本身.因此，对于“光子是什么样子”的回答是：光子就是它自身那样子.二、一个电子同时吸收二个光子的可能性是极小的 首先来分析一下，“积累”的问题：一个电子在吸收了一个光子以后，能否将这个能量保存下来，直到再吸收一个光子呢？ 从经典模型来看，把一个电子看作能量可连续改变的粒子，当一个电子吸收一个光子以后，其能量就显著高于邻近的电子和原子核，这是一种非平衡状态.按照热力学的原理，不平衡的系统将通过各种方式趋于平衡，从而电子将把它获得的光子的能量均匀分给周围的其他粒子.这个过程一般不会超过10-8 s. 从量子模型来看，金属中的电子处于各种不同能级之上，吸收了一个光子的电子，将从低能级跃迁到高能级，这使得电子在能级上的分布偏离平衡分布，因此电子也会在10-8 s内将能量均分出去，恢复平衡分布.故电子吸收一个光子后处于激发态的“寿命不会超过10-8 s”. 在10-8 s内，电子能否期望再吸收一个光子呢？不妨来具体估算一下.假设入射光的强度为100 W/cm2，光的频率为61014 Hz，则在10-8 s内通过每平方厘米面积的光子数为 n=2.51012（个/cm2） 再估计一下金属表面每平方厘米上的电子数.金属原子间的距离为10-8 cm数量级，每个原子贡献一个电子，则1cm2上将有1016个电子.即使认为电子能吸收在一个原子范围内通过的光子（事实上电子对光子的吸收截面积只有原子范围的），那么在10-8 s内，电子吸收一个光子的几率是P1=2.510-4.而在10-8 s内吸收两个光子的概率是P2=P12=6.310-8，可见可能性是非常小的.当然，如果光强增大若干万倍，电子在10-8 s内同时吸收两个光子的可能性是可以达到观察的数值的，然而，恐怕没有任何一种材料能耐受这样强的照射而不被破坏.因此弱光确实不能产生双光子吸收现象.三、光子与电子有哪些异同 光子与电子都具有波粒二象性，一般情况下，它们的运动都不再遵从