2018_2019学年高中物理第6章相对论与量子论初步第2节量子世界学案鲁科版必修2.pdf
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1、第 2 节 量子世界第 2 节 量子世界 学习目标核心提炼 1.了解热辐射、黑体等概念。 2.知道“紫外灾难” 。 3.知道普朗克的量子假说,理解量子化。 4.理解物质的波粒二象性。 3 个概念热辐射、黑体、物质波 1 个学说普朗克的量子说 2 个公式h En 1 个本质光的本质 一、“紫外灾难” 不连续的能量 阅读教材第 119120 页“紫外灾难” 、“不连续的能量”部分,了解热辐射、黑体的概念, 了解“紫外灾难” 。 1.热辐射 因物体中的分子、原子受到激发而发射出电磁波的现象,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
2、想化模型, 它是一个能完全吸收热辐 射而不反射热辐射的物体。 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波长和温度有关,并得出了黑 体的单色辐出度与辐射波波长、温度T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不符合。这个与实 验不符的结果出现在紫外区。 4.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整数倍。 En (n1,2,3,) (3)量子的能量:辐射中的一份能量就是一个量子。量子的能量大小取决于辐射
3、的波长,量 子的能量与频率成正比。 h,公式中h6.631034 Js,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。 5.量子(化)含义 所谓量子(或量子化),本质是不连续性。 思维拓展 你觉得夏天穿什么颜色的衣服最热?为什么? 答案 夏天穿黑色衣服比穿浅色衣服感觉要热的多, 因为黑色衣服吸收热辐射的能量多, 反 射热辐射的能量少,因而感觉要热得多。 二、物质的波粒二象性 阅读教材第 121122 页“物质的波粒二象性” ,了解物质的波动性和粒子性。 1.物理学史 (1)光的微粒说的创始人是牛顿,可以解释光的反射、光的颜色等。 (2)光的波动说的代表人
4、物是惠更斯。 (3)光量子假设的提出者是爱因斯坦,直到康普顿的发现才验证了光量子假说的正确性。 2.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。 3.物质波 物理学家德布罗意进一步提出了物质波理论, 根据这一理论, 每个物质粒子都伴随着一种波, 这种波被称为物质波,又称为概率波,戴维孙、革末及汤姆孙通过电子衍射实验证实了物质 波的存在。 4.结论 光与静止质量不为零的物质都具有波粒二象性。 思考判断 (1)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。( ) (2)光具有波粒二象性说明有的光是波,有的光
5、是粒子。( ) (3)波粒二象性是牛顿的微粒说与惠更斯的波动说结合起来的学说。( ) 答案 (1) (2) (3) 对量子化假设的理解 要点归纳 1.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 n,n1,2,3n叫作量子数。量子的能量h。式中h为普朗克常数(h hc 6.631034 Js),是微观现象量子特性的表征,为频率,c为真空中的光速,为光 波的波长。 2.量子化 : 量子化的“灵魂”是不连续。在宏观领域中,这种量子化(或不连续性)相对于宏 观量或宏观尺度极微小, 完全可以忽略不计, 但在微观世界里, 量子化(或不连续)是明显的, 微观物质系
6、统的存在、物体之间传递的相互作用量、物体的状态及变化等都是量子化的。 3.意义:成功解决了“紫外灾难”问题。 精典示例 例 1 (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 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。 答案 BC 量子化假设的应用技巧 (1)量子化
7、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, 物质间传递的相互作用是量子化的,物质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h由光的频率决定。宏观物体辐射的总能量与光子个数 的关系E总Nh。 (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h c 便可知一份光量子的能量。 针对训练 1 太阳光垂直照射到地面上时,地面上 1 m2接收到的太阳光的功率为 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 m, 普朗克常量h6.631034 Js,求地面上 1 m2面积上每秒接收到的可见光的光
8、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h c 设地面上 1 m2每秒钟接收到n个可见光光子有 0.45Pn 则n1.741021 (个)。 0.45P hc 0.45 1.4 103 0.55 106 6.63 1034 3 108 答案 1.741021个 对波粒二象性的理解 要点归纳 1.光的本性的认识历程 学说代表人物内容成功与局限 微粒说牛顿 光是从光源射出的具有高 速度的粒子流 成功之处:能解释光的直线传播、反 射、折射、色散等现象。 局限性:不能解释光的干涉、衍射等 现象 波动说惠更斯 光像水波一样,也
9、是一种 波,具有波的一切特性 成功之处:能解释光的干涉、衍射等 波的特性。 局限性:将光波等同于机械波 电磁说麦克斯韦光是一种电磁波 成功之处:能解释光的传播、干涉、 衍射、散射、偏振等现象。 局限性:不能解释光与物质相互作用 中的能量量子化转换的性质 光子说爱因斯坦 光是不连续的、分成许多 单元的、具有一定能量的 物质,这些单元叫光量子 (光子) 成功之处:能解释几乎所有光现象 波粒二象 性 德布罗意 光在一定条件下表现出微 粒性,实质为不连续性, 而在另一些条件下,表现 出波动性,所以光既有粒 子性,又具有波动性 成功之处:能解释几乎所有光现象 2.光的波粒二象性 (1)宏观上,大量光子表
10、现为波动性,如光的干涉、衍射现象 ; 对不同频率的光,频率越低、 波长越长,表现出的波动性越显著。 (2)在微观上,个别光子与其他物质产生作用时表现为粒子性,如光电效应现象、康普顿效 应现象,频率越高、波长越短,表现出的粒子性越显著。 (3)光子说说明光具有粒子性,而光子的能量与其频率成正比,频率是描述波动性特征的物 理量。因此光子的能量h显示了光的波动性和粒子性之间的密切联系。 3.物质的波粒二象性 (1)德布罗意认为,静止质量不为零的物质粒子(如电子)也具有波动性,每个物质粒子都伴 随着一种波,这种波称为物质波,又称为概率波。 (2)由于宏观物体运动动量(pmv)较大,根据德布罗意波长与动
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