课件11张PPT。第4节 初识光量子与量子世界 一、光的量子化
【思考】
你对光电效应中的“光”是怎样认识的
提示:这里的光,可以是可见光,也可以是紫外线、X光等。 1.光的本质
19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦创立的经典电磁
场理论揭示出“光是一种_______”。
2.光电效应
用光照射金属使金属发射出_____的现象。电磁波电子3.光子
光不仅在发射和吸收时能量是_________的,而且光本
身就是由一个个不可分割的能量子组成的,这些能量子
被称为光子。
4.波粒二象性:光既具有_____性,又具有_____性。一份一份波动粒子5.关于光的量子化下列说法正确的是_____
①光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性
②光子数量越大,其粒子性越明显
③光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子
④湖面上的水波就是物质波①③二、初识量子世界
【思考】
每一个运动的物体都有一个对应的波,为什么观察不到一粒飞行着的子弹的波动性?提示:宏观物体在运动时,我们观察不到它们的波动性,但也有一个波与之对应,只是对应飞行的子弹的波的波长太小了,所以观察不到子弹的波动性,但一粒飞行着的子弹的波动性还是存在的。1.普朗克认为,当带电微粒辐射或吸收能量时,只能辐
射或吸收某个最小能量值的_______。这个不可再分的
最小能量值ε叫作量子。整数倍2.量子大小:ε=____,其中ν是电磁波的频率,h称为普
朗克常量。h=6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×
10-34 J·s)。hν3.量子化:所谓量子或量子化,本质是_______的。在宏
观领域中这种量子化相对宏观量或宏观尺度极微小,完
全可以忽略不计。在微观世界里,量子化是_____的。不连续明显温馨提示：
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关键能力·素养形成
一 光的量子化
1.光的波动说:光能发生干涉、衍射、偏振现象。
2.光电效应产生条件:金属板电子要脱离原子核的引力,有一个最小能量,最小能量对应发生光电效应时入射光的最小频率,即极限频率。入射光的频率大于极限频率才能发生光电效应。
3.光的波粒二象性
(1)光的粒子性并不否定光的波动性,波动性和粒子性都是光的本质属性,只是在不同条件下的表现不同。当光与其他物质发生作用时,表现出粒子的性质;少量或个别光子易显示出光的粒子性;频率高波长短的光,粒子性显著。大量光子在传播时表现为波动性;频率低波长长的光,波动性显著。
(2)只有从波粒二象性的角度,才能统一说明光的各种表现。光的波动性和粒子性是统一的。
【思考·讨论】
太阳光从小孔射入室内时,我们从侧面可以看到这束光;白天的天空各处都是亮的;宇航员在太空中,尽管太阳光线耀眼刺目,其他方向的天空却是黑的,为什么?(科学思维)
提示:地球上存在着大气,太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向;而在太空的真空环境下,光不再散射,只向前传播。
【典例示范】
关于光的波粒二象性,下列说法中正确的是 ( )
A.光的频率越高,衍射现象越容易看到
B.光的频率越低,粒子性越显著
C.大量光子产生的效果往往显示波动性
D.光的波粒二象性否定了光的电磁说
【解析】选C。光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的电磁说,只是说某些情况下粒子性明显,某些情况下波动性明显,故D错误。光的频率越高,波长越短,粒子性越明显,波动性越不明显,越不易看到其衍射现象,故A、B错误。大量光子的行为表现出波动性,个别光子的行为表现出粒子性,故C对。
【素养训练】
1.下列说法中正确的是 ( )
A.光子说否定了光的电磁说
B.光电效应现象反映了光的粒子性
C.光电效应证明了光的粒子性,从而否定了光的波动性
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
【解析】选B。光既有粒子性,又有波动性,但这两种特性并不矛盾。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。光电效应反映了光的粒子性,但并没有否定光的波动性。少量光子产生的效果往往粒子性比较明显,大量光子往往表现出波动性,所以只有B项正确。
2.有关光的本性,下列说法正确的是 ( )
A.光既具有波动性,又具有粒子性,这是互相矛盾和对立的
B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
C.大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性
D.由于光既有波动性,又有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性
【解析】选D。19世纪初,人们成功地在实验中观察到了光的干涉、衍射现象,这属于波的特性,微粒说无法解释;但到了19世纪末又发现了光的新现象——光电效应,这种现象波动说不能解释,证实光具有粒子性。因此,光既具有波动性,又具有粒子性,但不同于宏观的机械波和机械粒子,波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧面、不同属性,只能认为光具有波粒二象性,故选项A、B、C错,D正确。
【补偿训练】
(多选)对光的认识,下列说法中正确的是 ( )
A.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.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
【解析】选A、B、D。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;光与物质相互作用,表现为粒子性,光的传播表现为波动性;光的波动性与粒子性都是光的本质属性,因为波动性表现为粒子分布概率,光的粒子性表现明显时仍具有波动性,因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律,则A、B、D正确,C错误。
二 量子世界
1.光子的能量即每个光子的能量,其值为ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率决定。
2.宏观世界量子化可以忽略,微观世界量子化明显。
【典例示范】
频率为ν的光子,具有的能量为hν,将这个光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射。下列关于光子散射的说法正确的是( )
A.光子改变原来的运动方向,且传播速度变小
B.光子由于在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大
C.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率大于入射光子的频率
D.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率
【解析】选D。碰撞后光子改变原来的运动方向,但传播速度不变,光子由于在与电子碰撞中损失能量,因而频率减小,即ν1>ν2,则D正确,A、B、C错误。
【素养训练】
1.(多选)对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是 ( )
A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收
B.辐射和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.辐射和吸收的能量是量子化的
【解析】选A、B、D。根据普朗克能量子假说,带电粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,能量的辐射、吸收要一份一份地进行,故A、B、D正确。
2.人眼对绿光最为敏感,正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时,只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10-34 J·s,光速为3.0×108 m/s,则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是( )
A.2.3×10-18 W B.3.8×10-19 W
C.7.0×10-10 W D.1.2×10-18 W
【解析】选A。因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,所以察觉到绿光所接收的最小功率P=,式中E=6ε,又ε=hν=h,可解得P= W=
2.3×10-18 W。则A正确,B、C、D错误。
【补偿训练】
1.下列说法正确的是 ( )
A.一束传播的光,有的光是波,有的光是粒子
B.光波与机械波是同样的一种波
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ε=hν中,频率ν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。则D正确,A、B、C错误。
2.(多选)对一束太阳光进行分析,下列说法正确的是 ( )
A.太阳光是由各种单色光组成的复合光
B.组成太阳光的各单色光中,能量最强的光为红光
C.组成太阳光的各单色光中,能量最强的光为紫光
D.组成太阳光的各单色光的能量都相同
【解析】选A、C。由公式ε=hν可以知道,光的频率越大能量越强,组成太阳光的各单色光中,紫光的频率最大,故其能量最强。则A、C正确,B、D错误。
【拓展例题】考查内容:光电效应
【典例】图甲是光电效应的实验装置图,图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图像,下列说法不正确的是 ( )
A.由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大
B.由图线①、②、③可知对某种确定的金属来说,其遏止电压只由入射光的频率决定
C.遏止电压越大,说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大
D.不论哪种颜色的入射光,只要光足够强,就能发生光电效应
【解析】选D。由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大,故A说法正确;根据光电效应方程可得: Ekm=hν-W0=eUc,可知入射光频率越大,最大初动能越大,遏止电压越大,可知对于确定的金属,遏止电压与入射光的频率有关,故B说法正确;根据最大初动能: Ekm=eUc中,遏止电压越大,说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大,故C说法正确;发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率,与入射光的强度无关,故D说法错误。所以选D。
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课堂检测·素养达标
1.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
【解析】选C。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。则C正确,A、B、D错误。
2.近年来,无线光通信技术(不需光纤,利用红外线在空间的定向传播来传递信息的通信手段)在局域网、移动通信等多方面显示出巨大的应用前景。关于红外线和光通信,以下说法中正确的是 ( )
①光通信就是将文字、数据、图像等信息转换成光信号从一地传向另一地的过程 ②光纤通信中的光信号在光纤中传输,无线光通信的光信号在空气中传输 ③红外线的频率比可见光的频率高 ④红外光子的能量比可见光子的能量大
A.①② B.③④ C.①③ D.②④
【解析】选A。无线光通信技术是光信号在空气中直接传输。光纤通信中的光信号是在光纤中传输。不论哪种方式,传输的都是文字、数据、图像等信息。而红外线的频率由电磁波谱可知比可见光的频率低,由爱因斯坦的光子论可知ε=hν,红外光子的能量比可见光的光子的能量小。则A正确,B、C、D错误。
3.(多选)下列对光子的认识,正确的是 ( )
A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的粒子
B.光子说中的光子就是光电效应中的光电子
C.在空间中传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光量子,简称光子
D.光子的能量跟光的频率成正比
【解析】选C、D。根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光量子,简称光子,而牛顿的微粒说中的微粒指的是宏观世界的微小颗粒,光电效应中的光电子指的是金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚,逸出金属表面的粒子,故A、B选项错误,C选项正确。由ε=hν知,光子能量ε与其频率ν成正比,故D选项正确。
【补偿训练】
红、橙、黄、绿四种单色光中,光子能量最小的是 ( )
A.红光 B.橙光 C.黄光 D.绿光
【解析】选A。按照爱因斯坦的光子说,光子的能量ε=hν,h为普朗克常量,说明光子的能量与光的频率成正比,而上述四种单色光中,绿光的频率最大,红光的频率最小,故光子能量最小的是红光,所以选项A正确。
4.对应于3.4×10-19 J的能量子,其电磁辐射的频率和波长各是多少?
【解析】根据公式ε=hν和ν=得
ν== Hz≈5.13×1014 Hz,
λ== m≈5.85×10-7 m。
答案:5.13×1014 Hz 5.85×10-7 m
情境:如图所示是可见光的光谱图,光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400～700 nm。
问题:400 nm、700 nm的光,电磁辐射的能量子的值各是多少(h=6.63×10-34 J·s)?
【解析】根据公式ν=和ε=hν可知:
400 nm对应的能量子
ε1=h=6.63×10-34× J≈4.97×10-19 J。
700 nm对应的能量子
ε2=h=6.63×10-34× J≈2.84×10-19 J。
答案:4.97×10-19 J 2.84×10-19 J
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