6.2 量子世界 学案 (1)

第2讲　量子世界
[目标定位]　1.通过对简单现象的探究，理解热辐射、黑体、能量子等概念.2.了解普朗克“量子假说”的背景，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．
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．
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．
想一想　是否只有高温物体才能辐射出电磁波？
二、不连续的能量
1．普朗克的量子说
(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：物体辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的________．
E＝____
(n＝0,1,2,3，…)
(3)量子的能量：辐射中的一份能量就是一个量子．量子能量的大小取决于辐射的______，量子的能量ε与______成正比．
ε＝hν，公式中h＝________________，称为普朗克常量．
普朗克常量是普朗克引进的一个物理普适常数，是微观现象量子特征的表征．
2．量子(化)含义
所谓量子(或量子化)，本质是____________．
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______，可以解释________、____________等．
(2)光的波动说的代表人物是________．
(3)光量子假设的提出者是____________，直到________的发现才验证了光量子假说的正确性．
2．光的本质：光具有____________，它在一定条件下，突出地表现出________，实质是不连续性；而在另一些条件下，又突出地表现出________．
3．物质波：物理学家德布罗意进一步提出了________理论，根据这一理论，每个物质粒子都伴随着________，这种波被称为物质波，又称为________，戴维孙、革末及汤姆孙的____________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____________．
想一想　如何理解光的波粒二象性？
一、热辐射和能量量子化
1．热辐射
在任何温度下，任何物体都会发射电磁波．辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同．这是热辐射的一种特性．同一物体在一定温度下所辐射的能量，在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高，光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高．
温馨提示　热辐射是热传递的一种方式，它的特点是热不凭借其他物体即可直接传播．
2．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＝6.63×10－34
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．
3．原子的能量分布
(1)原子只能处于一系列不连续的能量状态中．
(2)原子的不同能量状态对应电子的不同运行轨道，即电子的轨道半径是不连续的．
(3)原子的能量状态变化时，要吸收(或辐射)一定频率的光的能量hν，因此原子光谱是不连续的．
4．量子假说的“灵魂”有不连续性
温馨提示　在宏观世界中，量子化现象几乎显示不出来，因此它的状态变化是连续的，由于在微观世界中主要特征是量子化的，因此在宏观世界中总结出来的规律不能适用于微观世界．
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例1
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　关于量子假说，下列说法正确的是(　　)
A．为了解决黑体辐射的理论困难，爱因斯坦提出了量子假说
B．量子假说第一次提出了不连续的概念
C．能量的量子化就是能量的不连续化
D．量子假说认为电磁波在空间的传播是不连续的
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例2
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　太阳光垂直照射到地面上时，地面上1
m2接受太阳光的功率为1.4
kW，其中可见光部分约占45%，假如认为可见光的波长约为0.55
μm，普朗克常量h＝6.63×10－34
J·s，求地面上1
m2面积上每秒接收到的可见光的光子数．
思路分析　先求每个光子的能量―→据能量守恒列公式―→求解结论
二、对波粒二象性的理解
1．大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果显示出粒子性．
2．光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量，和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，由波动性起主导作用，因此称光波为概率波．
3．光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是波动性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系．
4．对不同频率的光子，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著．
5．实物粒子与波
(1)1924年，法国青年物理学家德布罗意在光具有波粒二象性的启发下，提出了一个大胆的观点：一切实物粒子(如电子、原子、分子等)都具有波粒二象性．德布罗意把实物粒子所对应的波叫物质波，又称为德布罗意波．
波长表达式为λ＝，其中λ是波长，p＝mv称为动量，h为普朗克常数．
(2)物质的波粒二象性在实践中的应用
电子显微镜的水平分辨率为0.2
nm，垂直分辨率为0.1
nm.达到了原子尺度，如利用铁原子排成原子围栏．
温馨提示　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．
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例3
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　关于光的本性，下列说法中正确的是(　　)
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往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性
针对训练　下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是(　　)
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D．大量光子的行为往往显示出粒子性
紫外灾难
1．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
不连续的能量
2．最早提出量子假说的物理学家是(　　)
A．爱因斯坦
B．牛顿
C．开普勒
D．普朗克
物质的波粒二象性
3．下列说法正确的是(　　)
A．光是一种电磁波
B．光是一种概率波
C．光子相当于高速运动的质点
D．光的直线传播只是宏观近似规律
答案精析
第2讲　量子世界
预习导学
一、1.分子、原子　电磁波
2．完全吸收　不反射
3．(1)波长　温度　波长λ　温度T　(2)不符
想一想　物体在任何温度下(包括0
℃以下)都会辐射各种波长的电磁波．只是物体的辐射强度按波长分布情况不同．
二、1.(2)整数倍　nε　(3)波长　频率ν　6.63×10－34
J·s
2．不连续性
三、1.(1)牛顿　光的反射　光的颜色　(2)惠更斯　(3)爱因斯坦　康普顿
2．波粒二象性　微粒性　波动性
3．物质波　一种波　概率波　电子衍射
4．波粒二象性
想一想　光既具有波动性又具有粒子性．大量光子产生的效果显示出波动性，个别(或少量)光子产生的效果显示粒子性；频率低、波长长的光，波动性显著，而频率高、波长短的光，粒子性显著．
课堂讲义
例1　BC　[量子假说由普朗克提出，认为电磁波的发射和吸收都是不连续的，是一份一份进行的．它不但解决了黑体辐射的理论困难，而且更重要的是提出了“量子”概念，揭开了物理学上崭新的一页，选项B、C正确．]
例2　1.74×1021个
解析　由光子能量与波长的关系可求出每个光子的能量，由总能量与每个光子的能量关系求出光子数．
每个光子的能量ε＝h
设地面上1
m2每秒钟接收到n个光子
有0.45P＝nε
则n＝＝＝1.74×1021
(个)．
例3　AB　[光既有粒子性，又有波动性，但这两种特性并不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说，它体现出的规律不再是宏观粒子和机械波所表现出的规律，而是自身体现的一种微观世界特有的规律．光子说和电磁说各自能解释光特有的现象，两者构成一个统一的整体，而微粒说和波动说是相互对立的．]
针对训练　C
对点练习
1．B　[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，称其为黑体辐射的“紫外灾难”，故B正确，A、C、D错误．]
2．D　[普朗克是量子力学的奠基者，被称为量子力学之父．]
3．ABD　[不能把光波看做是宏观力学中的介质波、连续波，它实质上是电磁波、概率波；也不能把光子看做宏观世界中的实物粒子、质点．]