2020-2021学年高二下学期物理鲁科版（2019）必修第三册课件：5.4 初识光量子与量子世界36张PPT

第4节　初识光量子与量子世界
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一、光的量子化情境思考
【思考】
　如图所示,是光电效应发生的示意图,这里的光指的是什么光?电子是哪里来的?
提示:这里的光可以是可见光,也可以是紫外线、红外线等不可见光。光电效应中的电子是从金属中逸出的。

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。
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。
电磁波
电子
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
【情境思考】
　如图所示,是原子的核式模型示意图,元电荷是电量的最小单位,那么物体带电量是否具有量子化的特征?

提示:物体的带电量是元电荷的整数倍,并不是连续变化的,具有量子的特征。
1.量子假说认为,物质辐射(或吸收)的能量E只能是最小能量单位的整数倍,即
______(n=1,2,3,…)。一份能量就是一个能量子,能量子的能量ε与频率ν成
正比,即_______。
2.如果一个物理量存在最小的_________的基本单位,那么该物理量是量子化
的。
E=nε
ε=hν
不可分割
【易错辨析】
(1)“光子说”本质就是牛顿的“微粒说”。 ( )
(2)只有光子数很多时,光才具有粒子性。 ( )
(3)一束单色光的能量可以连续变化。 ( )
(4)首先提出量子理论的科学家是爱因斯坦。 ( )
(5)一个量子就是组成物质的最小微粒,如原子、分子。 ( )
(6)所谓量子或量子化,本质是不连续性。 ( )
×
×
×
×
×
√
　知识点一　光的量子化
1.光波动性的证据:光的干涉、衍射、偏振等现象。
2.光粒子性的证据:光电效应、康普顿效应等。
3.光的本质:光具有波粒二象性,它在一定条件下,突出地表现出微粒性,实质是不连续性;而在另一些条件下,又突出地表现出波动性。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。
4.光电效应:按照粒子说,光是由一份一份不连续的光子组成,当某一光子照射到对光灵敏的物质上时,它的能量可以被该物质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;如果动能增大到足以克服原子核对它的引力,就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面,成为光电子。这种由光能变成电能自动放电的现象,就叫光电效应。
【问题探究】
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;航天员在太空中,尽管太阳光线耀眼刺目,其他方向的天空却是黑的,为什么?
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】
【典例】下列对光的波粒二象性的说法中,正确的是 (　　)
A.一束传播的光,有的光是波,有的光是粒子
B.光子与电子是同样一种粒子,光波与机械波是同样一种波
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
【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的落点无法预测,但大量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属性,光子说并未否定电磁说。故选项D正确,A、B、C错误。
【素养训练】
1.(多选)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
【解析】选A、B。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。故选项A、B正确,C、D错误。
2.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。
知识点二　初识量子世界
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。
【问题探究】
太阳光是复色光,通过三棱镜时,各单色光的偏折角不同,会将各单色光分开,形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光,它们的波长依次减小,请问各种色光中光子能量最大的是什么颜色的光?
提示:紫色光,波长越短频率越大,光子所含的能量越大。
【典例示范】
【典例】(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.量子假说认为电磁波在空间的传播是不连续的
【解析】选B、C。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,更重要的是提出了“量子”概念,揭开了物理学上崭新的一页,故选项B、C正确,A、D错误。
【素养训练】
1.硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能。若有N个频率为ν的光子打在光电池极板上,这些光子的总能量为(h为普朗克常数) (　　)
A.hν B. Nhν C.Nhν D.2Nhν
【解析】选C。由爱因斯坦光子说,每个光子的能量为E0=hν,则N个光子的能量为E=NE0=Nhν,故选项C正确,A、B、D错误。
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。
【加固训练】
　　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。
　【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。
【生活情境】
如图所示,绿色植物在阳光下进行光合作用。
探究:
若每放出1个氧分子要吸收8个波长为6.88×10-7 m的光量子,同时每放出1 mol的氧气,植物储存469 kJ 的能量。绿色植物能量转换效率是多少?(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s)
【解析】植物储存的能量与它储存这些能量所需要吸收的光能的比值就是绿
色植物的能量转换效率。现已知每放出1 mol氧气储存469 kJ的能量,只要再
求出所需的光能就行了。设阿伏加德罗常数为NA。因每放出1个氧分子需要吸
收8个光量子,故每放出1 mol的氧气需要吸收的光量子数为8NA,其总能量为
E=8NA· =8×6.02×1023× J≈1.392×106 J,
绿色植物的能量转换效率为η= ×100%≈34%。
答案:34%
【生产情境】
太阳能是清洁能源,全球各国积极发展太阳能发电装置,
目前,国内光伏电站装机量全球第一。
探究:
若太阳光垂直照射到太阳能电池板上时,电池板上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,求电池板上1 m2面积上每秒接收到的可见光的光子数。
【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,则0.45P=nε;
所以n=
≈1.74×1021(个)。
答案:1.74×1021个
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。
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2.已知某种单色光的波长为λ,在真空中光速为c,普朗克常量为h,则电磁波辐
射的能量子ε的值为 (　　)
A.h B.
C. D.以上均不正确
【解析】选A。由波速公式c=λν可得:ν= ,由光的能量子公式得
ε=hν=h ,故选项A正确,B、C、D错误。
　【加固训练】
　　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.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
【解析】选C。电子是实物粒子,光具有波粒二象性,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。故选项C正确,A、B、D错误。
4.某激光笔的发光功率为0.10 W,发出波长为0.45 μm的红色激光,试计算该
激光笔1.0 s的时间内所发出的光子个数。(保留三位有效数字)
【解析】激光笔在1.0 s内发光的总能量为:
E=Pt=0.10×1.0 J=0.10 J。
一个光子的能量为:
E1=h =6.63×10-34× J=4.42×10-19 J。
在1.0 s时间内激光笔发出的光子数:
N= 个≈2.26×1017(个)。
答案:2.26×1017个
　【加固训练】
　　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