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

第2节量子世界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 学生用书p88一、紫外灾难1热辐射：因物体中的分子、原子受到激发而发射出电磁波的现象物体在任何温度下都会发射出各种波长的电磁波2黑体：一个能完全吸收热辐射而不反射热辐射的物体，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波长和温度有关，并得出了黑体的单色辐出度与辐射波波长(m)、温度t(k)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不符这个与实验不符的结果出现在紫外区黑体是黑色的吗？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)物质辐射(或吸收)的能量e只能是某一最小能量单位的整数倍，即en(n1，2，3)(2)辐射是由一份份的能量组成的，一份能量就是一个量子量子的能量大小取决于辐射的波长，量子的能量与频率成正比，即hh，h为普朗克常数2量子化：本质是不连续性，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，物体之间传递的相互作用量是量子化的，物体的状态及其变化也是量子化的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牛顿，可以解释光的反射、光的颜色等(2)光的波动说的代表人物是惠更斯(3)光量子假设的提出者是爱因斯坦，直到康普顿效应的发现才验证了光量子假说的正确性2光的本质：光具有波粒二象性，它在一定条件下，突出地表现出微粒性，实质是不连续性；而在另一些条件下，又突出地表现出波动性3物质波：物理学家德布罗意进一步提出了物质波理论，根据这一理论，每个物质粒子都伴随着一种波，这种波被称为物质波，又称为概率波，戴维孙、革末及汤姆孙的电子衍射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学生用书p891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，en(n1，2，3)，n叫做量子数量子的能量h.式中h为普朗克常数(h6.631034 js)，是微观现象量子特性的表征，为频率，c为真空中的光速，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b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hh的应用根据量子理论，光子的能量e0hh，其中c为真空中的光速、为光的频率、为光的波长，普朗克常数取h6.61034 js.已知太阳光垂直照射时，每平方米面积上的辐射功率为p1.35 kw.假设太阳辐射的平均波长为6.6107 m则在垂直于太阳光的s1 m2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e0h，在1 m2面积上，1 s内得到的阳光总能量为ept，得到的光子个数n4.51021(个)答案4.51021个(1)要学会公式间的变换，即由一个光子能量h和得h.(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 波粒二象性的理解学生用书p891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h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(pmv)较大，根据德布罗意波长与动量的关系其波长非常小，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bx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学生用书p901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h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nh.3由公式知，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h便可知一份光量子的能量氦氖激光器发射波长为6 328 a。 (1 a。1010 m)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18 mw，则每秒钟发射多少个光子？(h6.631034 js)解析光子能量h，而c，所以 j3.141019 j；因为发光功率已知，所以1 s内发射的光子数为n个5.731016个答案3.141019j5.731016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6.88107 m的光量子，同时每放出1 mol的氧气，植物储存469 kj的能量，绿色植物能量转换效率为(普朗克常量h6.631034 js)()a9%b34%c56% d79%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1 mol氧气储存469 kj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1 mol的氧气需要吸收的光量子数为8na，其总能量为e8na86.021023 j1.392106 j.绿色植物的能量转换效率为100%34%.随堂检测学生用书p901黑体辐射的“紫外灾难”是指()a紫色的自然灾害b实验曲线与经典物理理论的计算结果不符合，该结果出现在紫外区，故称黑体辐射的“紫外灾难”c黑体温度达到一定值时，物体辐射的全部都是紫外线d黑体温度达到一定值时，物体辐射的全部都是紫色解析：选b.研究热辐射的规律时，实验曲线与经典物理理论的计算结果不符合，随着波长变短，即向紫外区延伸时，计算的结果与实验曲线严重不符，该结果出现在紫外区，故被称为黑体辐射的“紫外灾难”，故b正确，a、c、d错误2下列对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，光波与机械波是同样一种波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，同时也是一种粒子光子说并未否定电磁说，在光子能量eh中，频率仍表示的是波的特性解析：选d.光是一种波，同时也是一种粒子，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；单个光子通过双缝后的落点无法预测，但大量光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波动规律描述，表现出波动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3硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能若有n个频率为的光子打在光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常数)()ahb.nhcnh d2nh解析：选c.由爱因斯坦光子说，每个光子的能量e0h，则n个光子的能量为ene0nh，故正确选项为c.4已知每秒从太阳射到地球上垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为1.4103 j，其中可见光部分约占45%.假设可见光的频率均为5.51014 hz，太阳光向各个方向的辐射是均匀的，日地间距离r1.51011 m，普朗克常量h6.61034 js，由此可估算出太阳每秒钟辐射的可见光的光子数约为多少个(只要求保留两位有效数字)?解析：因太阳光向各个方向的辐射是均匀的，可认为太阳每秒辐射的可见光的光子数等于以太阳为球心、日地之间距离为半径的球面上每秒钟获得的可见光的光子数，已知每秒钟从太阳射到地球上垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为1.4103 j，可见光所占的比例为45%，则太阳每秒钟辐射的可见光的能量e4r2，而每个可见光子的能量e0h，则太阳每秒钟辐射出的可见光的光子数n4.91044 个答案：4.91044个课时作业学生用书p138(单独成册)一、单项选择题1首先提出量子理论的科学家是()a普朗克 b迈克尔孙c爱因斯坦 d德布罗意解析：选a.为了解释黑体辐射现象，普朗克首先提出了能量的量子化，故a正确2能正确解释黑体辐射实验规律的是()a能量的连续经典理论b普朗克提出的能量量子化理论c以上两种理论体系任何一种都能解释d牛顿提出的能量微粒说解析：选b.根据黑体辐射的实验规律，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释，故b正确3光子的能量是由下列哪个物理量决定的()a光的波长 b光的频率c光的传播速度 d介质的性质解析：选b.光子的能量h，式中h是普朗克常量，故光子的能量与光子的频率成正比，所以选项b正确，a、c、d错误4电子显微镜是利用了电子的()a粒子性 b波动性c速度大 d体积小解析：选b.电子显微镜利用的是电子经高压电场加速之后波长变短，不易发生衍射现象，因此提高了分辨率，故b选项正确，a、c、d均错5下列关于物质波的说法中，正确的是()a物质波是由近及远地进行传播的b某种实物粒子的物质波是没有一定规律的c一个光子的运动是受波动规律支配的d牛顿定律对高速运动的宏观物体不适用解析：选d.物质波是概率波，不是由近及远地进行传播的，而是在空间出现的概率表现为波的性质，选项a错误；某种实物粒子的物质波的波长为，是有一定规律的，选项b错误；对于单个光子，其运动是不受波动规律支配的，选项c错误；牛顿定律是经典物理学的基础，它适用于低速物体，对高速运动的宏观物体不适用，选项d正确6关于对热幅射的认识，下列说法中正确的是()a热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波b温度越高，物体辐射的电磁波越强c辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关d常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色解析：选b.一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，a错误，b正确；选项c是黑体辐射的特性，c错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，d错误二、多项选择题7下列关于实物粒子的说法中，正确的是()a向前飞行的子弹不具有波动性b射击运动员之所以很难射中靶心，是因为子弹具有波动性c子弹既具有粒子性又具有波动性d子弹具有波动性，但是极不明显解析：选cd.每个物质粒子都伴随着一种波，宏观物质也具有波动性，但是极不明显故选项c、d正确8根据波粒二象性理论，以下说法中正确的是()a微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性b宏观物体和微观粒子都具有波动性c宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长d宏观物体和微观粒子都具有波粒二象性解析：选bd.由波粒二象性理论知，一切物体都具有波粒二象性，故d对微观粒子具有明显的波动性，宏观物体也具有波动性，但是极不明显，被忽略不计，故a错，b对波长越长，波动性越易观察，波长越短，波动性越难观察，故c错9关于光的本性，下列说法正确的是()a光子说并没有否定光的电磁说b光电效应现象反映了光的粒子性c光的波粒二象性是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说得出来的d大量光子产生的效果易显示出粒子性，个别光子产生的效果易显示出波动性解析：选ab.光子说并没有否定电磁说，光具有波粒二象性，但这两种特性不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说的简单综合，大量光子产生的效果易显示出波动性，个别光子产生的效果易显示出粒子性，故a