第5章
初识电磁场与电磁波作业004
第4节
初识光量子及量子世界
一、选择题
1．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
2．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
3．光子的能量是由下列哪个物理量决定的
( )．
A．光的波长
B．光的频率
C．光的传播速度
D．介质的性质
4．(多选）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．量子假说认为光在空间中的传播是不连续的
5．(多选）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
6．(多选）对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点下列说法正确的有
( )．
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
7.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．7.0×10－48
W
D．1.2×10－48
W
8．(多选）下列叙述的情况正确的有
( )．
A．光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体
B．光是波，与橡皮绳上的波相似
C．光是一种粒子，它和物质作用是“一份一份”进行的
D．光子在空间各点出现的可能性大小(概率)，可以用波动的规律来描述
9．(多选）下列关于光子的说法中，正确的是
( )．
A．在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子
B．光子的能量由光强度决定，光越强，每份光子的能量一定越大
C．光子的能量由光的频率决定，其能量与它的频率成正比
D．光子可以被电场加速
10．下列说法中错误的是
( )．
A．为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释的困难，德国物理学家普朗克提
出了能量的量子化假说，解决了黑体辐射的理论困难，揭开了物理学崭新
的一页
B．普朗克还提出了光量子理论，即光在传播过程中，能量是不连续的，它是
数值分立的能量组成的
C．物质波理论揭示了物质(包括光和电子)的统一性
D．量子论认为原子处于一系列不连续的能量状态
11.(多选）下列说法正确的是(
)
A.光与静止质量不为零的物质都具有波粒二象性
B.物质波是概率波
C.康普顿效应证明光具有波动性
D.电子的衍射现象证明物质波的假设是正确的
12.下列关于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
13.红、橙、黄、绿四种光的波长逐渐减小，那么这四种光每份能量最小的是(
)
A.红光
B.橙光
C.黄光
D.绿光
14.(多选）下列关于物质波的认识，正确的是(
)
A.任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波
B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的
C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的
D.物质波是一种概率波
二、计算题
15．某单色光在真空中的波长为λ，以h表示普朗克常数，c表示光在真空中的速度，求每个单色光光子的能量E和质量m.
16．某电视机显像管中电子的运动速率为4.0×107
m/s，质量为10
g的一颗子弹的运动速率为200
m/s，分别计算它们的德布罗意波长．(已知德布罗意波长公式为λ＝，me＝9.1×10－31
kg)
参考答案：
1．解析: 普朗克是量子力学的奠基者，被称为量子力学之父．
答案: D
2．解析: 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．
答案: B
3．解析: 光子的能量ε＝hν，h是普朗克常量，故光子的能量与光子的频率成正比，所以B正确，A、C、D错误．
答案: B
4．解析: 普朗克提出了量子假说，他认为，物质辐射(或吸收)的能量都是不连续的，是一份一份进行的．量子假说不但解决了黑体辐射的理论困难，而且重要的是提出了“量子”概念，揭开了物理学上崭新的一页，B、C正确．
答案: BC
5．解析: 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．
答案 ABD
6．解析: 根据普朗克的量子理论，能量是不连续的，其辐射和吸收的能量只能是某一最小能量单位的整倍数，故A、B、D均正确而C错误．
答案: ABD
7.解析: 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是P＝，式中E＝6ε，又ε＝hν＝h，可解得P＝6×
W＝2.3×10－18
W.
答案: A
8．解析: 光具有波动性，但不是经典理论中的波，光具有粒子性，也不是传统概念中的粒子．光与物质作用时，即发生能量交换时，不是连续进行的，而是“一份一份”进行的，表现出粒子性；光在空间的分布规律符合波动规律，表现出波动性．因此，A、B错误，C、D正确．
答案: CD
9．解析: 光是不连续的分成许多单元的，具有一定能量的物质，这些单元叫做光子．根据ε＝hν知，光子的能量与它的频率成正比．A、C正确．
答案: AC
10．解析: 爱因斯坦提出了光量子理论，即光在传播过程中能量是不连续的，它是数值分立的能量组成的，所以B选项错．
答案: B
11.解析:.因为任何物质均具有波粒二象性，A正确；物质波又称概率波，B正确；康普顿效应证明光具有粒子性，而不是证明光具有波动性，C错误；电子的衍射现象证明了实物粒子也具有波动性即物质波的存在，D正确.
答案:A、B、D
12.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.
答案:C
13.解析:.由波长与频率的关系：c=fλ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.答案:A
14.解析:.由德布罗意波的定义可知，任何一个运动的物体都有一种波与它对应，德布罗意波（即物质波）是一种概率波，电子的运动是绝对的，电子的衍射证实了物质波的存在，故A、C、D对.
答案:A、C、D
15．解析： 光子能量E＝h，由质能方程E＝mc2得m＝＝.
答案： h，
16．解析： 对电子
λe＝＝
m＝1.8×10－11m
对子弹λ子＝＝
m＝3.3×10－34
m.
答案： 1.8×10－11
m 3.3×10－34
m(共20张PPT)
第5章
初识电磁场与电磁波
第4节
初识光量子与量子世界
【学习目标】
1.初步了解普朗克“量子假说”的背景，体会经典力学的局限性。知道普朗克“量子假说”的主要内容。2.初步了解爱因斯坦“光量子说”的含义，了解光的微粒说与波动说之争，知道光具有波粒二象性
【学习重点】
初步建立量子化的概念。
【学习过程】
一、光的量子化
1.光的本性认识史
（1）17世纪牛顿的微粒说：光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播.能解释光的反射等现象，不能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射、在介质中v（2）17世纪惠更斯的波动说：光是在空间传播的某种波.能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射，但不能解释影子的形成、传播不需要介质等问题.
（3）19世纪60年代麦克斯韦的电磁说：光是一种电磁波，具电磁本性.使波动理论发展到了相当完美的地步.根据有：电磁波速等于光速；传播不需要介质；不能完美地解释光电效应
（5）20世纪前期德布罗意的波粒二象性：光是一种波，同时也是一种粒子，即光具有波粒二象性.
（4）20世纪初爱因斯坦的光子说：光是不连续的，
是一份一份的，每一份叫一个光子，E=hν.注意，这
完全不同于牛顿的“微粒”.爱因斯坦吸收了普朗克的
量子思想，很好地解释了光电效应，又保留了电磁
波的特征.
2.光的波粒二象性
（1）以下光学现象反映了光具有什么性质?
光电效应
康普顿效应
衍射：波能绕过障碍物继续传播的现象。
请讨论：能否把光看成是由大量微粒组成的？猜想：光本质上可能是什么？
T/年
波
粒子
1801
托马斯·杨
双缝干涉
实验
1814
菲涅耳解释光的衍射现象
赫兹
电磁波实验
赫兹
发现光电效应
牛顿微粒说占主导地位
波动说
渐成真理
……….
三次波粒大战
康普顿效应
光本质上到底是什么？
光具有粒子性，又具有波动性，单独使用波或粒子的解释都无法完整描述光的所有性质。因此说光具有波粒二象性。
大量光子/传播过程中/波长较长时波动性越明显
足够能量的光在传播时，表现出波的性质
波动性是光子本身的属性，不是光子间相互作用产生的
少量光子/与其他物质作用时/波长较短时粒子性越明显
与其他物质发生作用时，是“一份一份”的
单个光子的运动轨迹不确定
光的粒子性和波动性并不是独立的，而是统一于光子，由普朗克常量联系起来：?=hv
p=h/λ
体现
理解
与宏观概念的区别
光的波动性
光的粒子性
联系
二、初识量子世界
1．量子假说的内容
(1)物质____
(或____)的能量E只能是某一最小能量单位的______，即E＝___
(n＝1,2,3，…)．
(2)辐射是由一份份的能量组成的，一份能量叫做一个____．量子的能量大小取决于辐射的波长，量子的能量ε与频率ν成正比，即ε＝___＝hc/λ，h为普朗克常数．(h＝6.63×
J?s)
辐射
吸收
整数倍
nε
量子
2．量子化
本质是______性，在_________里，量子化或不连续性是明显的．微观物质系统的存在是量子化的，物质之间传递的__________是量子化的，物体的____及其____也是量子化的．
3．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______，因此，光具有波粒二象性．
不连续
微观世界
相互作用量
状态
变化
波粒二象性
微粒性
波动性
例题1．关于光的本性，下列说法中正确的是
( )
A．关于光的本性，牛顿提出“微粒说”，惠更斯提出“波动说”，爱因斯坦提出“光子说”，它们都说明了光的本性
B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子
C．光的干涉、衍射现象说明光具有粒子性
D．光电效应说明光具有粒子性
【例题分析】
解析：光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒．某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象．某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象．要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系，D正确
答案：D
例题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
（多选）1.
对光的本质认识，下列说法中正确的是（ ）
A．个别光子的行为表现出粒子性，大量光子的行为表现出波动性
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，就不再具有波动性了
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得明显，在另外的某种场合下，光的粒子性表现得明显
【课堂训练】
解析：光具有波粒二象性，大量光子在传播过程中易
表现为波动性，个别光子在与物体发生相互作用时易
显粒子性
2．为了验证光具有波动性，某同学采用下列做法，其中可行的是( )
A．让一束光照射到一个轻小物体上，观察轻小物体是否会振动
B．让一束光通过一狭缝，观察是否发生衍射现象
C．让一束光通过一圆孔，观察是否发生小孔成像
D．以上做法均不可行
解析： 光波是一种概率波，不能理解为质点参与的振动，故A不可行；经过狭缝的光在屏上能产生明暗相间的衍射条纹，故B可行；光通过小孔成像，说明了光的直线传播，故C不可行．
谢谢观看！第5章
初识电磁场与电磁波导学案004
第4节
初识光量子及量子世界
【学习目标】
1.初步了解普朗克“量子假说”的背景，体会经典力学的局限性。知道普朗克“量子假说”的主要内容。
2.初步了解爱因斯坦“光量子说”的含义，了解光的微粒说与波动说之争，知道光具有波粒二象性【学习重点】
初步建立量子化的概念。
【学习过程】
一、光的量子化
1.光的本性认识史
（1）17世纪牛顿的微粒说：光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播.能解释光的反射等现象，不能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射、在介质中v（2）17世纪惠更斯的波动说：光是在空间传播的某种波.能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射，但不能解释影子的形成、传播不需要介质等问题.
（3）19世纪60年代麦克斯韦的电磁说：光是一种电磁波，具电磁本性.使波动理论发展到了相当完美的地步.根据有：电磁波速等于光速；传播不需要介质；不能完美地解释光电效应
（4）20世纪初爱因斯坦的光子说：光是不连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，E=hν.注意，这完全不同于牛顿的“微粒”.爱因斯坦吸收了普朗克的量子思想，很好地解释了光电效应，又保留了电磁波的特征.
（5）20世纪前期德布罗意的波粒二象性：光是一种波，同时也是一种粒子，即光具有波粒二象性.
2.两种不同的光波理论
两种观点的争论焦点是：光波传播是否需要介质？（1）寻找这种介质“以太”的彻底失败（本来无一物，何来自寻烦）.（2）电磁波本身就是物质，自身携带能量，无须借助介质传播.（3）但还有另一个主要问题还未解决，光波是否就是电磁波？麦克斯韦的电磁场理论证明了电磁场的速度等于光速，并由此看到了两者间的联系.赫兹又从实验得到了证实，光的行为与电磁波的行为一致.从而在理论和实验上证明了光确实是一种电磁波.它揭露出光现象的电磁本质，把光、电、磁统一起来，加深了我们对物质世界的联系的认识.光的电磁说是对光的波动说的扬弃，保留了波的特质，抛弃了它机械振动、传播连续的成分.
3.爱因斯坦抛弃了牛顿微粒说中机械运动的成分，吸收了（对方——波动说）电磁辐射量子化的研究成果，把电磁辐射量子化转变、发展成为光行为的量子化，即光子说，重新恢复了光的粒子性的权威.但是，光子的物质性、不连续性并非牛顿微粒说意义下的实物粒子，光子没有静止质量，就个别光子而言，它与宏观质点的运动不同，没有一定的轨道，因而无法对个别光子的行为作出“科学的”预测，它的行为不服从牛顿经典力学.光子说使光的粒子性有了新的内容.
4.在对光本性的认识过程中，惠更斯的波动说和牛顿的微粒说是相互排斥、相互对立的.后来发展成为光的电磁说和光子说.人们发现，这两种相互对立的学说彼此都含有对方的成分，无法划清界线，更无法绝对独立，谁都不能说自己就是客观真理.光学说发展到此，已无法逃避辩证的综合.中国有句古话，叫做两极相通.人们终于明白，光的波动性的粒子性，不过是光这一客观事物矛盾对立的两个方面，它们共存于光这个统一体中，是矛盾的对立统一，彼此以对方存在为前提，这就是光的波粒二象性.它排除了非此即彼的形而上学观念（这正是形式逻辑的重大特征！），建立了亦此亦彼的辩证观念，即在一定条件下承认非此即彼，在另一条件下又承认亦此亦彼.对光来说，一定条件下（大量光子、传播过程、低频率光）波动性上升为矛盾主要方面，则波动性显著；而在另一条件下（个别光子、光与物质作用、同频率光子）粒子性上升为矛盾主要方面，则粒子性显著.所谓彼一时也，此一时也，在微观世界里也存在着.在宏观物体来说不可思议的波粒二象性，在微观世界里却是真实的图景.矛盾啊！然而是事实.只有辩证思维才可以把握.一切都依时间、地点、条件为转移，所以要对具体问题作具体分析，才能准确把握对象的情况，作出正确的认识.
5.光子说并没有否定电磁说.光子有能量E=hν=hc/λ，光子有动量p=hν/c=h/λ，E、p是粒子特征，ν、λ是波的特征.它们共同揭示了光的波粒二象性，在这两个公式中，光的波粒二象性被很好地统一起来.彼此含有对方的成分，无法分开.
6.总之，要理解多种频率的电磁波（或者说各种频率的光子），就必须综合运用波动观点和粒子观点，这是由于二者是光不可分割的的属性，即波粒二象性.至此，我们终于认识到微观世界具有的特殊规律.
二、初识量子世界
1、不连续的能量
德国物理学家普朗克用了六年的时间，在用经典理论无论如何都解释不了实验结果的情况下，他不得已提出了新的假说.这就是非常著名的量子假说，成功地解决了“紫外灾难”.
普朗克的量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量是一份一份的，就像物质是由一个个原子组成的一样.将这样的一份份能量称为量子.而且他还给出了量子的能量与波长成反比，与频率成正比.即，公式中h是普朗克常量，h=6.626
,是微观现象量子特性的表征.物质辐射（或吸收）的能量只能是?的整数倍即：E=n?(n=1,2,3,)
量子化与连续性的相对性我们可以这样去理解，在宏观世界里能量体现的是连续的，在微观世界里量子化或不连续性是显著的.量子化假说的提出，使人类对世界的认识由宏观转向了微观世界，极大地开拓了我们的眼界.
既然我们已经掌握了探究微观世界的有力武器——量子，下面我们就来更深入地研究微观世界的物质体现的特性，看看和我们再熟悉不过的宏观世界有哪些不同的地方.
2、物质的波粒二象性
人类历史上对光的本质有两种不同的认识，其实不管是牛顿的微粒说还是惠更斯的波动说都是为了解释某一特定的现象才引入的.所以它们都有各自的弊端.一些问题的难以解决又将人们带入了对光的本质的重新认识.
关键时刻又是爱因斯坦带来了新鲜的血液.他将普朗克的量子化理论用在了解释光的本质上.
法国物理学家德布罗意进一步提出了物质波的理论（获1929年诺贝尔物理学奖），根据这一理论，每个物质粒子都伴随着一种波，即物质波，又称为概率波.这个理论揭示了物质的统一性.
总之，物质具有波粒二象性，我们要注意粒子性的本质在于不连续；波动性的实质在于对微观物体状态及运动描述的不确定性，不能把物质波理解为经典的机械波和电磁波.
3、物质波粒二象性的实践应用
光学显微镜和电子显微镜的设计与制造原理，就是充分利用物质的波动性.当今技术可以制造出观察原子的扫描隧道显微镜.
【典例分析】
【例1】.在下列各组所说的两个现象中，都表现出光具有粒子性的是
（
）
A.光的折射现象、偏振现象
B.光的反射现象、干涉现象
C.光的衍射现象、色散现象
D.光电效应现象、康普顿效应
【例2】．为了验证光具有波动性，某同学采用下列做法，其中可行的是( )
A．让一束光照射到一个轻小物体上，观察轻小物体是否会振动
B．让一束光通过一狭缝，观察是否发生衍射现象
C．让一束光通过一圆孔，观察是否发生小孔成像
D．以上做法均不可行
【课堂训练】
1.(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是
（
）
A.大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性
B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子，低频光是波
D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著
2．(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点下列说法正确的有( )
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
参考答案：
【典例分析】
【例1】解析：干涉、衍射、偏振都是光的波动性的表现，只有光电效应现象和康普顿效应都是光的粒子性的表现，D正确.
答案：D
【例2】．解析：光波是一种概率波，不能理解为质点参与的振动，故A不可行；经过狭缝的光在屏上能产生明暗相间的衍射条纹，故B可行；光通过小孔成像，说明了光的直线传播，故C不可行．
答案： B
【课堂训练】
1.解析：根据光的波粒二象性知，A、D正确，B、C错误.
答案：AD
2．解析： 根据普朗克的量子理论
，能量是不连续的，其辐射和吸收的能量只能是某一最小能量单位的整数倍，故A、B、D均正确而C错误．
【答案】 ABD
