第五章 第三、四节
基础达标
一、选择题：在每小题给出的四个选项中，第1～4题只有一项符合题目要求，第5～6题有多项符合题目要求．
1．(2017宜昌名校期中)下列宏观概念中，是量子化的有( )
A．物体的质量 B．弹簧振子的能量
C．汽车的个数 D．卫星绕地球运行的轨道
【答案】C
【解析】汽车的个数的数值只能取正整数，不能取分数或小数，因而是不连续的，是量子化的．其他三个物理量的数值都可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的．故选C．
2．(2017武汉名校月考)关于黑体与黑体辐射，下列说法错误的是( )
A．一般物体辐射电磁波的情况与温度无关，只与材料的种类及表面情况有关
B．黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射
C．带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍
D．黑体辐射随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
【答案】A
【解析】一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关；但黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，故A错误；黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波，不反射，故B正确；根据量子化的理论，带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍，故C正确；根据量子化的理论，黑体辐射随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故D正确．本题选错误的，故选A．
3．(2017南阳月考)两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，第一束光在某段时间内打在物体上的光子数与第二束光在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4，则这两束光的光子能量和波长之比分别为( )
A．4∶5,4∶5 B．5∶4,4∶5
C．5∶4,5∶4 D．4∶5,5∶4
【答案】D
【解析】两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4，根据E＝NE0可得光子能量之比为4∶5；再根据E0＝hν＝h，光子能量与波长成反比，故光子波长之比为5∶4.故选D．
4．(2017西城模拟)下列说法中正确的是( )
A．频率越大的光，其光子的能量越小
B．频率越大的光，其光子的能量越大
C．“狭义相对论”认为物体运动的速度越大，质量越小
D．“狭义相对论”认为物体运动的速度越大，能量越小
【答案】B
【解析】根据E＝hν知，光子的能量与它的频率成正比，频率越大的光，其光子的能量越大，故A错误，B正确；“狭义相对论”认为物体运动的速度越大，质量越大，m＝，故C错误；“狭义相对论”认为物体运动的速度越大，能量越大，故D错误．故选B．
5．(2018山西一模)我国利用“墨子号”量子通信卫星在国际上率先实现了高速星地量子通信，初步构成量子通信网络．关于量子理论，下列说法正确的是( )
A．量子论是普朗克首先提出的，光量子理论则是爱因斯坦首先提出的
B．光的强度越大，则光子的能量也就越大
C．三种放射线α、β、γ，基本质上都是高能光子
D．大量氢原子从高能级向低能级跃迁时，只能发射某些特定频率的光子
【答案】AD
【解析】普朗克提出了量子论，爱因斯坦提出了光子说，故A正确；根据E＝hν知，光子能量与光子频率有关，与光强度无关，故B错误；三种放射线α、β、γ中，α射线是氦核流，β射线是电子流，只有γ射线才是光子流，故C错误；大量氢原子从高能级向低能级跃迁时，根据公式hν＝Em－En可知，辐射光的频率大小由能级差决定，只能发射某些特定频率的光子，种类可用公式C计算得出，D正确．
6．在光电效应实验中，下列结果正确的是( )
A．如果入射光比较弱，只有照射的时间足够长，才会产生光电效应
B．当入射光的频率增大为原来的两倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的两倍
C．当入射光的波长增大为原来的两倍时，可能不产生光电效应
D．当入射光的强度增大为原来的两倍时，单位时间发射光电子的数量也增大为原来的两倍
【答案】CD
二、非选择题
7．普朗克提出了能量子与频率成______(填“正比”或“反比”)的观点，如果能量子的能量用E来表示，它的数值等于辐射的频率ν乘以一个常量h，即______，h称作普朗克常量，实验测得h＝________ J·s.
【答案】正比 E＝hν 6.63×10－34
8．光具有波粒二象性，某激光管以P＝60 W的功率发射波长为6.63×10－7 m的光束，问该激光管在1 s内发射多少个光子？
【答案】2×1020个
【解析】设1秒内发射n个光子，则有：Pt＝nh，所以n＝＝(60×1×6.63×10－7)/(6.63×10－34×3×108)个＝2×1020个．
能力提升
9．已知每秒钟从太阳射到地球上垂直于太阳光的每平方米横截面上的辐射能量为1.4×103 J，其中可见光部分约占45%，假如认为可见光的波长均为5.5×10－7 m，太阳向各个方向辐射是均匀的，日地间距R＝1.5×1011 m，普朗克常数h＝6.6×10－34 J·s.由此估算出太阳每秒钟辐射出的可见光的光子数目．(保留两位有效数字)
【答案】4.9×1044 个
【解析】设太阳每秒钟辐射的可见光的光子数为N，每秒钟每平方米面积上可见光的光子数为n，以日地间距为半径、太阳为球心作球面，该球面表面积为4πR2，有：n＝1.4×103×，其中c是光速，λ是可见光波长．依据正比例关系有：＝，两式联立，代入已知数据，可得N＝4.9×1044 个．
10．某广播电台发射功率为10 kW，在空气中波长为187.5 m 的电磁波，
(1)求该电台每秒钟从天线发射多少个光子？
(2)若发射的光子四面八方视为均匀的，求在离天线2.5 km处，直径为2 m的环状天线每秒接收的光子个数以及接收功率．
【答案】(1)9.43×1030 个 (2)3.77×1023 个 4×10－4 W
【解析】(1)每个光子的能量
E＝hν＝6.63×10－34× J＝1.06×10－27 J，
所以每秒发射的光子数
N＝＝＝9.43×1030 个．
(2)环状天线的面积
S＝πr2＝3.14×12 m2＝3.14 m2，
接收光子数
n＝×N＝3.77×1023个，
接收功率
P＝P总＝4×10－4 W.
第五章 第三、四节
1．(2018商丘期中)以下宏观概念中，哪些是“量子化”的( )
A．学生的个数 B．物体的质量
C．物体的动量 D．木棒的长度
【答案】A 【解析】学生的人数的数值只能取正整数，不能取分数或小数，因而是不连续的，是量子化的，故A正确．物体的质量、物体的动量以及木棒的长度的数值都可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的，故B、C、D错误．
2．(2017沙坡头名校月考)对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是( )
A．温度 B．材料
C．表面状况 D．质量
【答案】A
【解析】一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关；但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．故A正确，B、C、D错误．故选A．
3．(多选)下列关于光的波粒二象性的说法，正确的是( )
A．光既有波动性，也具有粒子性
B．光子和电子是同一种粒子
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．γ射线具有显著的粒子性，而不具有波动性
【答案】AC
4．(多选)当用一束紫外线照射装在原来不带电的验电器金属球上的锌板时，发生了光电效应，这时发生的现象是( )
A．验电器内的金属箔带正电
B．有电子从锌板上飞出来
C．有正离子从锌板上飞出来
D．锌板吸收空气中的正离子
【答案】AB
课件28张PPT。第三节 量子化现象
第四节 物理学——人类文明进步的阶梯1．(2017洛阳期中)以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围是( )
A．低速宏观弱引力下的运动问题
B．高速微观弱引力下的运动问题
C．低速微观强引力下的运动问题
D．高速宏观强引力下的运动问题
【答案】A
【解析】经典力学的基础是牛顿运动定律，经典力学只适用于宏观世界，低速运动，和弱引力下．故选A．2．(2017内江期末)对于经典力学理论，下列说法正确的是( )
A．由于相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的意义
B．经典力学在今天广泛应用，它的正确性无可怀疑，仍是普遍适用的
C．经典力学在历史上起了巨大的作用，随着物理学的发展而逐渐过时，成为一种古老的理论
D．经典力学在宏观低速运动中，引力不太大时适用
【答案】D
【解析】相对论与量子力学不适用于经典力学，证明了经典力学理论的局限性，但并不能说经典力学已失去了意义，也并没有过时，故A、C错误；经典力学在今天广泛应用，但它存在一定的局限，并不是完全正确的，故B错误；经典力学使用条件为：宏观，低速及引力不太大的情况下，对微观，高速度运动不再适用，故D正确．
3．有三个完全相同的时钟，钟A放在地面上，钟B、C各放在一艘飞船上，两飞船分别以速度vB和vC朝同一方向飞行，vB【答案】钟A 钟C
【解析】由于运动时钟变慢，而且速度越快，效果越明显．所以钟A走得最快，钟C走得最慢．一、量子论的建立过程
1．普朗克提出能量子假说
(1)黑体及黑体辐射：黑体是能够吸收照射到它上面的__________而无______的物体，黑体辐射是指黑体发出的______辐射．
(2)经典物理学的困难：应用经典物理学的_______观念，进行的理论分析与黑体辐射实验结果__________．全部辐射 反射 电磁 连续性 不相符合
(3)能量子假说：物质发射(或吸收)能量时，能量不是______，而是__________进行的．每一份就是一个最小的能量单位，称为“________”．
能量子的能量E＝____，ν为辐射的频率，h为______________．实验测得h＝6.63×10－34 J·s.连续的 一份一份 能量子 hν 普朗克常量 2．爱因斯坦提出光子说
(1)光电效应现象及实验规律：光电效应指光照射金属表面时，有______逸出的现象．实验表明：光电效应的产生取决于光的______而与光的______无关．
(2)经典物理学的困难：经典理论中“光的波动说”认为光是一种波，它的能量是_________，与光的________有关，而与光的______无关，无法解释光电效应现象．电子 频率 强度 连续的 强度 频率 (3)光子说及其对光电效应的解释：光在传播过程中，也是________的，它由数值分立的能量子组成，称为________，也叫“光子”，光子能量E＝____.
光子照到金属上时，能量被金属中的某电子吸收，若光子能量足够大，电子就能摆脱金属离子的束缚，成为光电子．而光子能量取决于______而非光强，所以光电效应产生与否取决于光的______．
(4)光的本质：光既具有______性又具有______性，也就是光具有______________．不连续 光量子 hν 频率 频率 波动 粒子 波粒二象性 3．原子光谱分析
(1)氢原子光谱特点：由一系列__________的亮线组成的______谱．
(2)原子能量特点：原子只能处于一系列________的能量状态中，当原子从一种能量状态变化到另一种能量状态时，辐射(或吸收)一定频率的光子，辐射(或吸收)的光子的能量是____________．不连续 线状 不连续 不连续的
二、量子论建立的意义
1．量子论的发展带来了20世纪科学技术的繁荣，开辟了众多的高新技术领域，成为当今高科技的理论基础．
2．量子论的发展改变了人们的思维方式，将对21世纪的科学进步产生深远的影响．三、物理学与人类的文明进步
1．物理学是自然科学的基础之一，物理学的_________和__________，在自然科学的各个领域起着重要作用．
2．物理学的发展推动了________的高速发展．_________的高速发展又直接推动了人类社会的文明进步：
(1)牛顿力学、热学的发展导致了第一次工业革命，使人类进入________时代，解放了人的体力．
(2)电磁技术的突破性成就迎来了第二次工业革命，使人类进入了________时代．
(3)量子理论、相对论使得核物理学取得重大突破，引发了第三次工业革命，人类进入了_________时代．研究成果 研究方法 科学技术 科学技术 蒸汽机 电气化 原子能 普朗克认为能量是量子化的，为什么我们感觉物体温度的变化是连续的？
【答案】普朗克常量h非常小，对于宏观物体可认为趋近于零，量子化特征显示不出来，通常我们观测不到量子化特征，所以对物体温度的变化，会感觉是连续的．1．光子说
爱因斯坦认为，光在传播过程中，是不连续的，它由数值分立的能量子组成，这些能量子叫光量子，也称“光子”，光就是以光速c运动着的光子流，每个光子的能量E＝hν.对光电效应的解释2．用光子说解释光电效应的规律
当光子照射到金属表面上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，电子吸收光子的能量后，动能立刻增加了，不需要积累能量的过程．如果电子的动能足够大，能够克服内部原子核对它的引力，就可以离开金属表面逃逸出来，成为光电子．当然，电子吸收光子的能量后可能向各个方向运动，有的向金属内部运动，并不出来．向金属表面运动的电子，经过的路程不同，途中损失的能量也不同．唯独金属表面上的电子，只要克服金属原子核的引力做功，就能从金属中逸出，这个功叫逸出功．
特别提醒：金属中的每个电子对光子能量的吸收不是连续累加的，它只能吸收一个光子的能量，因此只有达到一定频率的光子照射才有光电效应产生． 例1 某单色光照射金属时不会产生光电效应，下列措施可能使该金属产生光电效应的是( )
A．延长光照时间
B．增大光的强度
C．换用波长较短的光照射
D．换用频率较低的光照射
解析：要产生光电效应，入射光的频率必须大于该金属的极限频率，波长越短的光频率越高，当高于极限频率时就能产生光电效应，故C正确．
答案：C
题后反思：(1)能否产生光电效应与光的强度和光照时间无关．
(2)光电效应能否产生仅取决于入射光的频率大小．1．用某单色光照射一金属可产生光电效应，若增大该单色光的强度，则逸出的光电子数将如何变化？
【答案】增加
【解析】因该单色光产生光电效应，故光强增大时，单位时间内到达金属表面的光子数增多，单位时间内吸收光子数增多从而逸出的光电子数目也增多．1．光电效应说明光具有粒子性，光的干涉、衍射等实验事实，显示光具有波动性，大量实验事实表明，光既具有波动性又具有粒子性．
2．光具有波粒二象性，但在不同情况下表现不同．在宏观上，大量光子传播往往表现为波动性；在微观上，个别光子在与其他物质产生作用时，往往表现为粒子性．对光的波粒二象性的理解
3．光的粒子性不同于宏观观念中的粒子，粒子性的含义是“不连续”的，“一份一份”的．光的波动性也不同于宏观观念中的波，波动规律决定光子在某点出现的概率，是一种概率波．
特别提醒：(1)光的粒子性不同于牛顿的“微粒说”．
(2)光的波动性不是光子之间相互作用的结果，而是光子本身的一种属性． 例2 在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连．用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示．这时( )
A．锌板带正电，指针带正电
B．锌板带正电，指针带负电
C．锌板带负电，指针带正电
D．锌板带负电，指针带负电
题眼直击：光电效应时物体表面发出电子．解题流程：
答案：A
题后反思：光的波动性反应在大量光子的概率上，光波是一种概率波，光的粒子性，表现在能量的不连续上，光子E＝hν中的频率也反映了光的波动性．2．下列关于光的波粒二象性的说法，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
【答案】C
【解析】光具有波粒二象性，即具有波动性和粒子性，A错误；光子不是实物粒子，电子为实物粒子，故B错误；光的波长越长，其波动性越明显；波长越短，其粒子性越明显，C正确；大量光子的行为显示波动性，D错误．
