第三章 5 微观世界的量子化-【金版教程】2024-2025学年新教材高中物理必修第三册创新导学案课件PPT（教科版2019）

第三章　电磁场与 电磁波初步 5.微观世界的量子化 目录 1 2 3 课前自主学习 课后课时作业 课堂探究评价 1．了解能量子和光子的概念，知道光具有波粒二象性，波粒二象性是微观世界的共性。2.了解能量量子化的概念及其提出的科学过程。3.了解能级的概念，并能解释原子光谱的分立特征。 3 课前自主学习 一　波粒二象性 1．对光的本性的认识历程 (1)牛顿主张_____说，即光是很小的高速运动的粒子流。 (2)惠更斯认为光是一种波，光的干涉和衍射现象说明光是一种波。 (3)麦克斯韦进一步说明光是一种_______。 (4)光电效应等现象证明光具有_______，爱因斯坦为了解释光电效应现象提出光子说。 微粒 电磁波 粒子性 课前自主学习 5 2．能量子 最早提出量子理论的是_______，他在研究热辐射的规律时，发现电磁波的发射和吸收都是不连续的，他把每一份的能量叫作能量子，它的大小为ε＝___，其中h＝6.626×10－34 J·s，称为___________，ν为波的频率。 3．光子说 爱因斯坦认为，在空间传播的光是不_____的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称_____。 普朗克 hν 普朗克常量 连续 光子 课前自主学习 6 4．波粒二象性 (1)光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性，可以说光既是_______，也是光子流，它是具有“波粒二象性的”的_______物质。 (2)光子的特性 光子的静止质量为零，也不带电，它只能以光速运动，它是一份一份的，但具有_____和频率。 (3)实物粒子的波粒二象性 波粒二象性并不只是光才有的特性，而是微观世界的共性。实验已证明电子、质子等实物粒子同样具有_____性。宏观物体的波动性我们检测不到。 电磁波 电磁性 波长 波动 课前自主学习 7 二　能量量子化 1．能量量子化：能量是__________的、_______的，这在微观世界里是普遍的。 2．能级：根据量子力学的理论，原子的能量是_______的，即一系列不连续的值，这些不连续的、_______的能量值称为能级。通常情况下，原子处于能量最低的状态(称为基态)，这是最_____的状态，在某些情况下(例如受到高速运动的电子的撞击等)，可能会变到能量较高的状态(称为_____态)。当原子的能量发生变化时，只能从某个能级“跳跃”到另一个能级，这个过程称为_____。从较低的能级跃迁到较高的能级，必须_____能量；反之，则要_____出能量。这两个过程中吸收或释放出的能量都等于两能级的能量差。 一份一份 不连续 量子化 量子化 稳定 激发 跃迁 吸收 释放 课前自主学习 8 提示 1．判一判 (1)最早提出量子理论的是牛顿。(　　) (2)波粒二象性只是光才有的特性。(　　) (3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　　) (4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。(　　) (5)原子从低能级跃迁到高能级要吸收能量。(　　) 提示: (1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√　 课前自主学习 9 提示 2．想一想 光同时具有波粒二象性吗？还是有的光具有波动性，有的光具有粒子性？ 提示:光同时具有波动性和粒子性，只是有的情况下波动性更明显，有的情况下粒子性更明显而已。　 课前自主学习 10 课堂探究评价 探究　微观世界的量子化 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 课堂探究评价 12 提示 活动1：干涉和衍射是一切波特有的现象。如图甲，(a)是光的双缝干涉条纹，(b)是光的单缝衍射条纹，据此可知道光是什么？ 活动2：如图乙，只有当光的频率ν不小于某一最小值时，才能从K极板打出电子形成电流，发生光电效应。光的经典电磁理论无法解释光电效应的这个规律。爱因斯坦为解释光电效应规律，借鉴普朗克的能量子理论，提出了光子说，他认为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，其能量为hν。这个假说完全解释了光电效应的所有实验规律。据此可知道光有什么性质？ 提示：光是一种波。 提示：光具有粒子性。 课堂探究评价 13 提示 活动3：图丙是氦原子的发射光谱，光谱中只有一些分立的亮线，这说明原子的能量有什么特征？ 提示:氦原子的发射光谱只有一些分立的亮线，说明原子发出的光子的能量是分立的，则原子的能量是分立的。　 课堂探究评价 14 1．普朗克的能量子理论 (1)普朗克的假设 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 能量子公式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s。 (2)普朗克的假设认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续(分立)的。 课堂探究评价 15 (3)能量子理论在微观与宏观世界的联系与区别 由于ε＝hν极微小，所以在宏观尺度内研究物体的能量时，我们可以认为物体的能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子的能量时，能量量子化(ε＝hν)不可忽略，即必须考虑能量量子化。 (4)爱因斯坦把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量。这些能量子后来被叫作光子。 课堂探究评价 16 2．光的波粒二象性 (1)光具有粒子性：光子说能够成功地解释光电效应，说明光具有粒子性。 (2)光具有波动性：光能发生干涉、衍射，说明光具有波动性。 (3)光具有波粒二象性：光子说中光子能量公式ε＝hν。其中ν是光的频率，说明光的粒子性并没有否定光的波动性，而是承认了光的波动性。光的粒子性和光的波动性是统一的。 课堂探究评价 17 3．能级 (1)定义：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。 (2)理解：通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。 原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 课堂探究评价 18 例如，图1中画出的四个箭头分别表示氢原子从n＝3，4，5，6的能级跃迁到n＝2的能级的情况，这些过程中释放出的能量就是所发射的光子的能量，这些光子分别对应着图2中氢原子光谱在可见光范围内的四条明线。 课堂探究评价 19 例　某半导体激光器发射波长为1.5×10－6 m、功率为5.0×10－3 W的连续激光。已知可见光波长的数量级为10－7 m，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，该激光器发出的(　　) A．是紫外线 B．是红外线 C．光子能量约为1.3×10－13 J D．光子数约为每秒3.8×1017个 答案 课堂探究评价 20 提示 (1)能量子公式是什么？ (2)根据激光的波长，如何求出该激光的频率？ 提示：ε＝hν。　 规范解答 课堂探究评价 21 课堂探究评价 [变式训练1]　(多选)关于光的波动性与粒子性，以下说法正确的是(　　) A．爱因斯坦的光子说否定了光的电磁说 B．光电效应现象说明了光的粒子性 C．光波不同于水波这类机械波 D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的，无法统一 答案 解析 解析　爱因斯坦的光子说并没有否定电磁说，只是在一定条件下光表现出粒子性，A错误；光电效应说明光具有粒子性，说明光的能量是一份一份的，B正确；光波具有波粒二象性，故C正确；光的波动性和粒子性不是孤立的，而是有机的统一体，D错误。 课堂探究评价 23 [变式训练2]　(多选)下列说法正确的是(　　) A．原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化 B．原子从低能态向高能态跃迁时放出光子 C．原子从高能态向低能态跃迁时放出光子，且光子的能量等于前后两个能级之差 D．由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线 答案 解析 解析　原子的能量是量子化的，原子从高能态向低能态跃迁时向外放出光子，光子的能量等于前后两个能级之差，由于能级的分立性，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线，故C、D正确，A、B错误。 课堂探究评价 24 课后课时作业 1．(光的波粒二象性)(多选)下列关于波粒二象性的说法正确的是(　　) A．光电效应揭示了光的波动性，光的衍射和干涉揭示了光的粒子性 B．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性 C．只有光具有波粒二象性，其他实物粒子不具有波粒二象性 D．一切微观粒子都具有波粒二象性 答案 解析 解析　光电效应揭示了光的粒子性，光的衍射和干涉，揭示了光的波动性，A错误；光的波粒二象性是指光既具有波动性又具有粒子性，但有时表现为波动性，有时表现为粒子性，B正确；波粒二象性是微观世界的共性，C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 2．(能级)处于n＝4能级的氢原子，向n＝2能级跃迁时(　　) A．吸收光子，能量增加 B．吸收光子，能量减少 C．放出光子，能量增加 D．放出光子，能量减少 答案 解析 解析　处于n＝4能级的氢原子，向n＝2能级跃迁时，氢原子的能量减少，放出光子。故选D。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 3．(能量子)(多选)2001年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化，他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中，正确的是(　　) A．微波是一种波长较短的电磁波 B．微波和声波一样都只能在介质中传播 C．黑体的热辐射实际上是电磁辐射 D．普朗克在研究黑体的热辐射问题时提出了能量子假说 答案 解析 解析　微波是一种波长较短的电磁波，A正确。微波能在真空中传播，B错误。黑体的热辐射实际上是电磁辐射，C正确。普朗克在研究黑体的热辐射问题时提出了能量子假说，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 4．(光子的能量)关于光子的能量，下列说法中正确的是(　　) A．光子的能量跟它在真空中的速度成正比 B．光子的能量跟它在真空中的速度的平方成正比 C．光子的能量跟它的频率成反比 D．光子的能量跟它的频率成正比 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 5．(能级)(多选)下列说法中正确的是(　　) A．原子处于能级最低的状态时，最稳定 B．原子由低能级向高能级跃迁时，放出光子 C．能量量子化成功解释了原子光谱的分立特征 D．原子能吸收任意能量值的光子向高能级跃迁 答案 解析 解析　原子在不同状态中具有不同的能量，能量最低的状态最稳定，A正确；原子由低能级向高能级跃迁时，能量增大，吸收光子，B错误；能量量子化成功解释了原子光谱的分立特征，C正确；原子只能吸收等于能级差的能量向高能级跃迁，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 6．(能量量子化)普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中，具有“量子化”特征的是(　　) A．人的个数 B．物体所受的重力 C．物体的动能 D．物体的长度 答案 解析 解析　依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地变化的，属于“不连续的，一份一份”的概念的是A，B、C、D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 7．(能量子)(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是(　　) A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍 C．电磁波的能量子与电磁波在真空中的波长成反比 D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 8．(光子的应用)能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18 J，已知可见光的平均波长为0.6 μm，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，恰能引起人眼的感觉时，进入人眼的光子数至少为(　　) A．1 B．3 C．30 D．300 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 9．(能量量子化)(多选)对于带电微粒在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任一值的整数倍 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 答案 解析 解析　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，A正确，B错误；带电微粒辐射和吸收的能量不是连续的，是量子化的，C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 10．(能级)如图是氢原子的能级示意图，氢原子发生能级跃迁时放出或吸收的光子的能量，可能正确的是(　　) A．10.20 eV～12.80 eV B．10.20 eV和12.80 eV C．10.20～12.09 eV D．10.20 eV和12.09 eV 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析 解析　由图可知，氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1能级，释放的光子的能量ΔE1＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.20 eV，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级，释放的光子的能量ΔE2＝－1.51 eV－(－13.6 eV)＝12.09 eV，氢原子从n＝4能级跃迁到n＝1能级，释放的光子的能量ΔE3＝－0.85 eV－(－13.6 eV)＝12.85 eV，而氢原子的能量是量子化的，所以A、B、C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 答案 11．(能量子的应用)经测量，人体表面热辐射强度的最大值落在波长为9.40 μm处。根据电磁辐射的理论得出，物体最强辐射的波长与物体的绝对温度的关系近似为Tλm＝2.90×10－3 m·K，由此估算人体表面的温度和辐射强度的最大值对应波长的能量子的值各是多少？(h＝6.63×10－34 J·s，绝对温度T与摄氏度t的换算关系为：T＝t＋273 K，T和t的单位分别为K、℃) 答案　36 ℃　2.12×10－20 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 答案 12．(能量子的应用)某广播电台的发射功率为10 kW，发射的是在空气中波长为187.5 m的电磁波，则：(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s) (1)该电台每秒从天线发射多少个能量子？ (2)若发射的能量子在以天线为球心的同一球面上的分布视为均匀的，求在离天线2.5 km处，直径为2 m的球状天线每秒接收的能量子个数以及接收功率。 答案　(1)9.4×1030　(2)3.76×1023　4×10－4 W 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 提示：由c＝λν可得，光的频率ν＝eq \f(c,λ)。 规范解答　该激光的波长比可见光的波长长，属于红外线，故A错误，B正确；光子能量ε＝hν＝heq \f(c,λ)＝6.63×10－34×eq \f(3×108,1.5×10－6) J＝1.326×10－19 J，故C错误；该激光器每秒钟发出的光子数为n＝eq \f(Pt,ε)＝eq \f(5.0×10－3×1,1.326×10－19)≈3.8×1016，故D错误。 规律点拨 解有关能量子问题的技巧 (1)熟练掌握能量子的计算公式：ε＝hν＝eq \f(hc,λ)。 (2)把握宏观能量E与微观能量子ε的关系：E＝Pt＝nε。 (3)正确建立模型。 解析　根据能量子公式ε＝hν，可知光子的能量与它的频率成正比，结合c＝νλ，可得ε＝hν＝eq \f(hc,λ)，因为光在真空中的速度c是定值，所以光子的能量与它在真空中的速度无关，故A、B、C错误，D正确。 解析　由普朗克能量子假说可知，振动着的带电微粒的能量和带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A错误，B正确；最小能量值叫作能量子，ε＝hν，且ν＝eq \f(c,λ)，可得ε＝eq \f(hc,λ)，C正确；借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合，说明这一假说是正确的，D错误。 解析　光子的能量为ε＝heq \f(c,λ)，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E＝10－18 J，由E＝nε得能引起人眼的感觉时，进入人眼的光子数至少为n＝eq \f(E,ε)＝eq \f(Eλ,hc)＝eq \f(10－18×6×10－7,6.63×10－34×3×108)≈3，故选B。 解析　人体表面的绝对温度为 T＝eq \f(2.90×10－3 m·K,λm)＝eq \f(2.90×10－3,9.40×10－6) K≈309 K 则人体表面的温度t＝T－273 K＝36 ℃。 根据ε＝hν、c＝νλ可知人体辐射强度的最大值对应波长的能量子的值为ε＝heq \f(c,λm)＝6.63×10－34×eq \f(3×108,9.40×10－6) J≈2.12×10－20 J。 解析　(1)每个能量子为 ε＝hν＝eq \f(hc,λ)＝eq \f(6.63×10－34×3×108,187.5) J≈1.06×10－27 J 则该电台每秒发射上述波长能量子的个数 N＝eq \f(Pt,ε)＝eq \f(10×103×1,1.06×10－27)≈9.4×1030。 (2)设球状天线每秒接收能量子数为n个，以电台发射天线为球心、半径为R＝2.5 km的球面面积S＝4πR2，而球状天线的有效接收面积S′＝πr2， 所以n＝Neq \f(S′,S)＝Neq \f(r2,4R2)＝9.4×1030×eq \f(12,4×(2.5×103)2)＝3.76×1023， 接收功率 P收＝eq \f(nε,t)＝eq \f(3.76×1023×1.06×10－27,1) W≈4×10－4 W。 $$