5-3 量子化现象 学案

5.3
量子化现象
学案
课前自主预习
1.
黑体：如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐射而
，这种物体就称为黑体．黑体发出的
．
答案：无反射
电磁辐射
2.
能量子假说：所谓能量子就是能量的
．微观领域里能量的变化总表现为电磁波的辐射与吸收，不同频率的电磁波其能量子的值不同，表达式为：ε＝hν
(ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，由实验测得h＝6.63×10－34
J·s)．
能量量子化：微观领域中能量的
，即只能取分立值的现象．
答案：最小单位
不连续变化
3.
爱因斯坦光子假说
光在传播的过程中，能量是不连续的，它由数值分立的能量子组成，这些能量子称为光量子，也称为“
”，其能量ε＝hν.
答案：光子
4.
光的波粒二象性：大量实验表明，光既有
又具有
，即光具有波粒二象性．
答案：波动性
粒子性
5.
物理学对人类文明的贡献
物理学的发展推动了科学技术的高速发展．几乎所有重大的新技术领域，如原子能技术、激光技术、电子和信息技术等的创立，都是在物理学中经过长期的酝酿，在理论上和实验上取得突破，继而转化为技术成果的．
如果没有1909年物理学的α粒子散射实验和
的质能方程就不可能有今天核能的利用．
18世纪得益于牛顿力学和热学的研究而发明了蒸汽机，带领人们进入蒸汽机时代；19世纪以电机的发明和电力的应用为标志的电力技术革命，使人类社会全面进入了电气化时代；属于20世纪最伟大的科学成就之一的原子能技术，把人类社会带进了原子时代；20世纪后期，电子信息技术和通信技术又为人类创造了一个新时代——
时代．
答案:
爱因斯坦
信息
课堂互动探究
知识点1
量子化现象
新知探究
马克斯·普朗克(1858年4月23日-1947年10月3日)，德国物理学家，量子力学
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"欢迎登陆21世纪教育网 )的创始人，二十世纪最重要的物理学家之一，因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，并在1918年获得诺贝尔物理学奖。量子力学的发展被认为是20世纪最重要的科学发展，其重要性可以同爱因斯坦
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"欢迎登陆21世纪教育网 )的相对论相媲美。
普朗克对黑体辐射展开了研究。普朗克总是尽可能试图在麦克斯韦
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"欢迎登陆21世纪教育网 )电磁理论内部解决问题，而不是颠覆这个理论以求得突破。但最后，他不得不假定：能量的传递不是连续的，而是以一个一个的能量单位传递的。这种最小能量单位被称作能量子（简称量子）。
在经典物理学中，对体系物理量变化的最小值没有限制，它们可以任意连续变化。但在量子力学中，物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化，具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化，变化的最小份额称为量子。例如，频率为υ的谐振子，其能量不是连续变化，而是只能以hυ的整数倍变化，欲使其能量改变hυ的几分之几是不可能的。微粒的角动量也是量子化的，其固有量子是h/2π。量子化是微观体系基本的运动规律之一，它与经典力学是不相容的。
重点归纳
一、黑体辐射：能量子假说的提出
1．黑体辐射
(1)黑体：如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，这种物体就是黑体．
(2)黑体辐射：黑体发出的电磁辐射．
2．能量子假说
(1)能量子
①提出的目的：普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释的困难而提出的．
②含义：物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份地进行的，每一份就是一个最小的能量单位．这个不可再分的最小的能量单位称为“能量子”．
③能量子的能量ε＝hν.
即能量子的能量在数值上等于辐射的频率ν和一个常数h的乘积．
h是普朗克常量，h＝6.63×10－34
J·s.
(2)能量的量子化是指在微观领域中能量的不连续变化，即只能取分立值的现象．
二、光子说：对光电效应的解释
1．光子说
概述：爱因斯坦于1905年提出光子说．光在传播过程中，也是不连续的．它由数值分立的能量子组成．爱因斯坦称这些能量子为光量子，也称为“光子”．一个光子的能量为E＝hν，ν为光的频率，h为普朗克常量．
2．光电效应
定义：当紫外线这一类波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出，这种现象称为光电效应．从金属表面逸出的电子称为光电子．
3．光子说对光电效应的解释
(1)光照射到金属表面上，一个光子的能量被金属中某个电子吸收，电子吸收光子后，能量增加，若能量足够大，电子能克服原子核对它的束缚，离开金属表面，成为光电子．
(2)光电效应现象说明光具有粒子性．
三、光的波粒二象性：光的本性揭示
1．爱因斯坦的光子说成功地解释了光电效应，说明光具有粒子性，而在此之前，人们所观察到光的干涉、衍射、偏振等实验事实，清楚地显示光具有波动性，光既具有波动性又具有粒子性，也就是光具有波粒二象性．
2．在宏观上大量光子表现为波动性，在微观上个别光子与其他物质产生作用时往往表现为粒子性,即光具有波粒二象性.波粒二象性揭示了光的本性．
四、原子光谱：原子能量的不连续
1．原子光谱
按照经典理论，能量是连续变化的，由此氢原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱，而事实上氢原子光谱是由一系列不连续的亮线组成的线状谱．
(2)当原子从一种能量状态变化到另一种能量状态时，会辐射(或吸收)一定频率的光子，所辐射(或吸收)的光子的能量是不连续的．
五、物理学与自然科学——人类文明进步的基石
物理学是自然科学的基础之一，物理学的研究成果和研究方法，在自然科学的各个领域都起着重要的作用．
1．物理学的发展推动了科学技术的高速发展．几乎所有重大的新技术领域，如原子能技术、激光技术、电子和信息技术等的创立，都是在物理学中经过长期的酝酿，在理论上和实验上取得突破，继而转化为技术成果的．
2．如果没有1909年物理学的α粒子散射实验和爱因斯坦的质能方程就不可能有今天核能的利用．
3．18世纪得益于牛顿力学和热学的研究而发明了蒸汽机，带领人们进入蒸汽机时代；19世纪以电机的发明和电力的应用为标志的电力技术革命，使人类社会全面进入了电气化时代；属于20世纪最伟大的科学成就之一的原子能技术，把人类社会带进了原子时代；20世纪后期，电子信息技术和通信技术又为人类创造了一个新时代——信息时代．
[例1]（单选）关于对光的本性的理解，下列说法正确的是(　　)
A．光是一种机械波
B．光是一种电磁波
C．光是一种粒子
D．光具有波粒二象性
解析：把光理解为机械波是错误的，而把光理解为电磁波、一种粒子又是片面的，大量的事实证明光既具有粒子性又具有波动性，即光具有波粒二象性．
答案：D
触类旁通
1.
(单选)
原子光谱的发现说明(
)
A．原子的能量是连续的
B．原子的能量是量子化的
C．只有氢原子的能量是量子化的
D．所有物质的能量都是连续的
解析：原子光谱说明原子的能量是量子化的，不只是氢原子这样，所有物质的原子都是这样的．
答案：B
【例2】（单选）作为中国人应该认识一些我们自己的物理学家，比如被称为“中国原子之父”的科学家是（
）
A．钱学森
B．钱三强
C．钱伟长
D．邓稼先
解析:20世纪中期，许多当年在国际上享有声誉的物理学家回到祖国，并为国家的建设作出了重大贡献，以下四位便是他们中的杰出代表。
钱学森，1934年毕业于上海交通大学。1935年赴美留学，1938年在加利福尼亚理工学院著名专家冯·卡门的指导下获得博士学位。1943年，他与马林纳合作完成的研究报告《远程火箭的评论与初步分析》，为美国40年代研制成功地对地导弹和探空火箭奠定了理论基础。此后，钱学森又在超高速及跨音速空气动力学、薄壳稳定理论方面对航空工程理论有许多开创性的贡献。他和卡门一起提出的高速音速流动理论，为飞行器克服音障和热障提供了依据，以他和卡门名字命名的卡门───钱学森公式成为空气动力计算上的权威公式，并被用于高亚音速飞机的气动设计。由于他对火箭技术理论卓有建树，并于1949年提出核火箭的功能设想，因而在当时被公认为火箭技术方面的权威学者。
钱伟长，1935年毕业于清华大学物理系，1942年在加拿大多伦多大学获得应用数学博士学位。他在科学理论和工程技术上都有许多开创性的成就，他的一些学术理论分别被国际学术界誉为“钱伟长方程”和“钱伟长法”，迄今已出版20余部学术专著，在国内外发表200余篇学术论文。钱伟长先生从1946年起任清华大学教授，从教半个世纪，1983年起在上海从事教育活动至今已20年。
钱三强，1936年毕业于清华大学物理系，后赴法国巴黎大学居里实验室和法兰西学院原子核化学实验室从事原子核物理研究工作，获博士学位，1946年获法国科学院享利·德巴微物理学奖金。1948年回国，历任清华大学物理系教授，中国科学院原子能所所长，中国科学院副院长，中国物理学会理事长，1992年逝世。中国原子能事业的开拓者和奠基人之一，为第一颗原子弹和氢弹的研制成功作出重要贡献，为氢弹研制作了理论准备。
邓稼先，1945年毕业于西南联合大学。1950年获美国普度大学物理学博士学位。中国核工业部研究员。1958年以来组织领导开展了爆轰物理、流体力学、状态方程、中子输运等基础理论研究，对原子弹的物理过程进行了大量模拟计算和分析，从而迈开了中国独立研究设计核武器的第一步。领导完成了中国第一颗原子弹的理念方案并参与指导核试验前的爆轰模拟试验。组织领导了氢弹设计原理、选定技术途径的研究，组织领导并亲自参与了1967年中国第一颗氢弹的研制与试验工作。
通过以上资料，我们可看出，答案应该是B。
答案：B
触类旁通
2.以下高新技术不与物理学有关的是（
）
A．空间技术
B．现代通信技术
C．基因转变
D．现代医疗技术
解析:空间技术、现代通信技术这里从略，对现代医疗技术，比如核磁共振技术（CT），X光透视，B超，各种治疗仪和疾病检验设备等，都与物理学密不可分，故选C。
答案：C
方法技巧\易错易混\实验透视
易错易混
光电效应产生的条件
【例3】关于光电效应现象，下列说法正确的是(　　)
A．只要照射时间足够长，任何金属都能发射光电子
B．只要光的强度足够强，任何金属都能发射光电子
C．一种金属能否发射光电子，只与光的频率有关
D．光的强度越大，产生的光电子能量越大
错因：光电效应不能用经典物理学的观点去解释，它满足自己特有的规律．为了解释光电效应现象，爱因斯坦于1905年提出光子说，这才成功解释了光电效应现象．
正解：光电效应的产生取决于光的频率而与照射时间和光的强度无关，只有当入射光的频率大于金属的极限频率时，才会发生光电效应．光电子的能量取决于光的频率，与光的强度无关．
答案：C
图5-2-1