6.2 量子世界 课件 (3)

课件49张PPT。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. 重点：1.认识热辐射、黑体、能量子的概念.
2.了解光的波粒二象性及物质波.
难点：光的波粒二象性及物质波.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，称为热辐射.物体在任何温度下都会发生热辐射现象.
2.黑体：黑体是物理学家为了研究热辐射的规律而设想的一个
理想化模型，它是一个能_________热辐射而_______热辐射的
物体.分子、原子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【想一想】你觉得夏天穿什么颜色的衣服最热？为什么？
提示：夏天穿黑色衣服比穿浅色衣服感觉要热得多，因为黑色衣服吸收热辐射的能量多，反射热辐射的能量少，因而感觉要热得多.二、不连续的能量
1.普朗克的量子假说
(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E=____(n=1,2,3…).
(2)辐射是由一份份的能量组成的，一份能量叫一个_____.量子
的能量与辐射的频率ν成_____，即ε=____，其中h称为普朗克
常数，其值h=___________ J·s.
2.量子化
所谓量子或量子化，本质是_______.nε量子正比hν6.63×10-34不连续【判一判】
(1)爱因斯坦成功地解决了“紫外灾难”，拨开了第二朵乌云.( )
(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.( )提示：(1)德国物理学家普朗克成功地解决了“紫外灾难”，拨开了第二朵乌云，(1)错；(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，(2)错；(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，(3)错.三、物质的波粒二象性
1.光的本质
光在一定的条件下，突出地表现为_______，实质是不连续性；
而在另一些条件下，又突出地表现为_______，因此，光具有
___________.
2.物质波
德布罗意理论指出，每个物质粒子都伴随着一种波，这种波叫
_______，又称为_______.戴维孙、革末及汤姆孙的_________
实验证实了物质波的存在.
3.结论：光与静止质量不为零的物质都具有___________.微粒性波动性波粒二象性物质波概率波电子衍射波粒二象性【判一判】
(1)光具有波粒二象性说明有的光是波，有的光是粒子.( )
(2)物质波说明光子与电子是同一种粒子.( )
(3)电子显微镜的设计原理是利用了电子的波动性.( )
提示：(1)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，(1)错；(2)光子与电子不是同一种粒子，光子无静止质量，无电性而电子有静止质量并且带负电荷，故(2)错；(3)电子显微镜是利用电子的波动性设计制造的，故(3)对.　　　　　对量子理论的初步认识
【探究导引】
19世纪后期，为了研究热辐射的规律，物理学家根据经典物理的理论做了大量的尝试，但结果与实验还是不符，称其为黑体辐射的“紫外灾难”.根据你所了解的物理知识，回答以下问题：
(1)是谁解释了“紫外灾难”的谜团？
(2)量子化假说的内容是什么？
(3)平时生活中，我们为什么很难碰到量子化现象？【要点整合】
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
式中h为普朗克常数(h=6.63×10-34 J·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.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.【特别提醒】(1)量子化在微观世界里表现明显，在宏观世界里表现不明显，所以在宏观世界中总结出的规律不能简单地用于微观世界处理问题.
(2)量子化假设与传统意义的连续性观念不同.【典例1】假设一只功率为P发出单色光的灯，辐射出光的频率为ν，在距离该灯为R的较远某位置，有一正对该灯的较小面积S，则时间t内，面积S上获得的光子数是多少？(h为普朗克常数)【思路点拨】解答本题应把握以下两点：
关键点
(1)掌握单个光子的能量ε=hν.
(2)灯光以灯为球心呈放射状均匀发出，将S看成是某个球面上的一小块面积.【解题流程】灯发出的光的能量照射到以灯为球心、半径为R的球面上灯在时间t内辐
射的能量E0=Pt获得光能的球面
的面积S0=4πR2面积S上获得的能
量单个光子的
能量ε=hν答案：面积S获得的光子
数【互动探究】若已知典例中灯发出的单色光一个光子的能量是2×10-12 J，求该单色光的波长.
【解析】根据光子的能量 得该单色光的波长为
答案：9.95×10-14 m【总结提升】量子化假设的应用技巧
(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 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.【变式备选】人的肉眼可以觉察到4.6×10-18 J能量的光，那么有多少个波长为λ=5×10 - 7 m的光子才能引起人眼的感觉？
【解析】每个光子的能量
所以能引起人眼的感觉的光子数
答案：12个　　　　　对波粒二象性的理解
【探究导引】
我们的周围到处都有光，与光有关的现象也随处可见，如光的反射、折射等，雨后的彩虹，海市蜃楼等美丽的景色都是光现象的反映，如图甲、乙.吹泡泡或洗衣服时，泡泡出现彩色的条纹这是光的干涉现象，光也会出现衍射现象，如图丙、丁.请思考以下问题：
(1)如何解释光出现的以上现象？
(2)不同的现象表现出光有什么不同的特征？
(3)其他物质有没有光的特性？【要点整合】
1.对光的本性的认识历程牛顿光是从光源
射出的具有
高速的粒子
流光的直线传播、
反射、折射、
光的颜色等现
象不能解释
光的干涉、
衍射等现
象 惠
更
斯光像水波一
样,也是一种
波,具有波的
一切特性光具有干涉、
衍射等波的
特性将光波等
同于机械
波 麦克
斯韦光是一种
电磁波光的传播、干
涉、衍射、散
射、偏振等现
象不能解释光
与物质相互
作用中的能
量量子化转
换的性 质 爱因
斯坦光是不连续的，
分成许多单元的
具有一定能量的
物质,这些单元叫
光量子(光子)几乎所有光
现象 德布
罗意光在一定条件下突出地
表现出微粒性,实质为不
连续性;而在另一些条件
下,又突出地表现出波动
性,所以光既具有粒子性
又具有波动性几乎所有
光现象 2.光的波粒二象性
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.
3.物质的波粒二象性
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.
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 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.【特别提醒】(1)光具有波粒二象性，但它不同于宏观观念的波，也不同于微观观念的粒子.
(2)光(或物质)的粒子性与波动性是同时存在的，只是在条件不同时，二者表现出的优势不同.【典例2】关于波粒二象性，下列说法正确的是( )
A.光像原子一样是一种微粒，光又像机械波一样是一种波
B.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
C.光是一种波，同时也是一种粒子，大量光子表现的物理规律是波动性，单个光子的表现有偶然性，是粒子性的反映
D.光具有波粒二象性，实物粒子也具有波粒二象性【思路点拨】解答本题时要明确以下两点：
关键点
(1)光具有波粒二象性是在不同条件下表现的特性，大量光子表现为波动性，个别光子表现为粒子性.
(2)物质的波粒二象性，每个实物粒子都伴随着一种波即物质波.【规范解答】光具有波粒二象性是说光在一定条件下，突出地表现为粒子性，实质是不连续的，在另一条件下，又会表现为波动性，这种粒子性与波动性又不同于宏观物质的机械波.只是波动性质的表现.也不是牛顿微粒说的内容，是以量子化假说为基础的.故A、B均错；光是一种波，同时也是一种粒子，大量光子表现的是波动性的反映，单个光子易表现出粒子性，故C正确；德布罗意的物质波指出，任何静止质量不为零的物质粒子都具有波动性，因此D正确.
答案：C、D【变式训练】下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是
( )
A.光子与电子是同样的粒子
B.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
C.微观粒子有波动性，宏观粒子没有波动性
D.光的频率越高，其波动性越强 【解析】选B.光子不是实物粒子，电子是实物粒子，A错误.
个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动
性，B正确.微观粒子和宏观粒子都有波动性，C错误.光的频
率越高，其波长越短，波动性越弱，D错误.【温馨提示】对于黑体的热辐射特点往往是一个容易模糊的问题，同时在通常的检测中也经常涉及，因此应该掌握黑体辐射的特点.【典例】如图所示为T1、T2温度时黑体辐射强度与波长的关
系曲线,则下列选项正确的是( )
A.T1>T2
B.T1C.随温度升高,各种波长的辐射
强度都减小
D.随温度升高,辐射强度的极大值向较短波长方向移动【思路点拨】根据黑体辐射的规律和图象进行分析.
【规范解答】温度越高辐射强度越大,故B错误,A正确;根据图象，随温度升高,辐射强度的极大值向左(较短波长方向)移动,故C错误,D正确.
答案：A、D经典理论与量子理论中能量守恒定律的应用
经典理论和量子理论是在不同领域和连续与不连续观念上对物
质现象的规律的反映.但两者都遵守能量守恒定律，因而将微
观粒子的能量、频率、波长联系起来.即ε=hν、 ，而
E=Nε又能将宏观物质的能量与微观粒子的能量有机地组合起
来.【案例展示】某些物质受到光照后能发出荧光，若入射光的波长为λ0，该物质发出荧光的可能波长为λ，则( )
A.一定只有λ=λ0
B.一定只有λ>λ0
C.λ为大于等于λ0的连续波长
D.λ为大于等于λ0的非连续波长 【规范解答】由能量守恒定律可知发射光能量小于或等于入射
光能量，结合光子的能量与频率或波长的关系ε=hν= ，
以及辐射能量量子化知识，物质所发出荧光的可能波长λ≥λ0.
可知选项D正确.
答案：D【易错分析】本题易错选项及具体错误原因分析如下：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，普朗克首先提出了能量的量子化，故A正确. 2.红、橙、黄、绿四种光的波长逐渐减小，那么这四种光的光子每份能量最小的是( )
A.红光 B.橙光 C.黄光 D.绿光
【解析】选A.由波长与频率的关系c=λν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.3.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，为此提高了分辨率，故B选项正确，A、C、D均错.4.对于带电微粒辐射或吸收能量时的特点说法正确的有( )
A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收的
B.辐射或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.辐射或吸收的能量是量子化的
【解析】选A、B、D.根据普朗克的量子理论，能量是不连续的，其辐射或吸收只能是某一最小能量单位的整数倍，故A、B、D均正确而C错.5.氦—氖激光器发出波长为633 nm的激光，当激光器的输出功率为1 mW时，每秒发出的光子数为多少？
【解析】一个光子能量为E0=hν= .激光器每秒向外发出的能量为E=P×1.设每秒发出的光子数为n,则
答案：3.2×1015个