第三章 5 微观世界的量子化(Word教参)-【步步高】2024-2025学年高一物理必修第三册学习笔记（教科版）

本讲义聚焦微观世界的量子化，核心知识点包括波粒二象性（光本性认识的历史发展、光与实物粒子的波粒二象性）和能量量子化（普朗克能量子假设、能级概念、跃迁规律及光谱特征）。通过梳理从牛顿微粒说到爱因斯坦光子说的演变，搭建波粒二象性认知支架，结合能级跃迁解释光谱分立，例题与训练辅助深化理解。 该资料特色在于融合历史脉络与实验分析，通过光本性认识的科学推理（如例1辨析牛顿微粒说与爱因斯坦光子说差异）培养科学思维，例2结合衍射（波动性）与光电效应（粒子性）实验证据，体现科学探究的解释过程，强化能量观念。课中助力教师引导概念建构，课后对点练帮助学生查漏补缺，巩固量子化核心素养。

5　微观世界的量子化 [学习目标]　1.理解波粒二象性(重点)。2.初步了解微观世界的量子化特征。3.知道能量量子化的含义和能级的概念(重点)。 一、波粒二象性 1．对光本性的认识 (1)在17世纪，牛顿主张微粒说，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，19世纪初，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电磁波。 (4)光电效应等现象说明光具有粒子性，爱因斯坦为了解释光电效应现象提出光子说。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。 2．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，可以说光既是电磁波，也是光子流，它是具有“波粒二象性”的电磁性物质。 (2)实物粒子的波粒二象性 实验证明电子、质子等实物粒子同样具有波动性，宏观物体的波动性我们检测不到。 例1　(多选)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．牛顿的微粒说与爱因斯坦的光子说本质上是不同的 D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的，无法统一 答案　BC 解析　爱因斯坦的光子说并没有否定光的电磁说，只是在一定条件下光是体现粒子性的，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；牛顿的微粒说认为光是一种实物粒子，而爱因斯坦的光子说认为光是一种量子化的物质，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。 例2　(2023·潮州市高二期末)如图所示，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器铝箔有张角，则该实验(　　) A．只能证明光具有波动性 B．只能证明光具有粒子性 C．只能证明光能够发生干涉 D．可以证明光具有波粒二象性 答案　D 解析　弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，说明光在通过狭缝后发生了衍射，而发生衍射现象是波动特有的现象，则可说明光具有波动性；另外，当光照射到锌板上后，与锌板相连的验电器铝箔有张角，说明锌板在光的照射下，吸收了光子，使其核外电子发生电离从而逸出，即锌板发生了光电效应，失去电子后带正电，将与之相连的铝箔上的负电荷吸引过来后铝箔就带上了正电，因此铝箔出现张角，而发生光电效应恰恰说明光具有粒子性，因此该实验可以证明光具有波粒二象性。故选D。 二、能量量子化 1．能量量子化 (1)能量子 ①概念：普朗克发现电磁波的发射和吸收是不连续的，把每一份的能量叫能量子。 ②大小：ε＝hν，其中h＝6.626×10－34 J·s，称为普朗克常量，ν为波的频率。 (2)能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的。 2．能级 (1)能级：原子的能量是量子化的，即一系列不连续的值，这些不连续的、量子化的能量叫作能级。原子处于的能量最低的状态叫作基态，其他的状态叫作激发态。 (2)能级之间的跃迁：处于低能级的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到能量较高的状态，处于高能级的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。 (3)原子的光谱 ①光谱特征 氢原子的光谱只有一些分立的亮线。 ②光谱分立的原因 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，因为原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。 例3　(2023·湖北黄冈中学高二月考)关于能量量子化，下列说法正确的是(　　) A．能量子假设最早是由爱因斯坦提出来的 B．微观粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍 C．电磁波的波长越长，其能量子越大 D．能量子假说与宏观世界中对能量的认识相矛盾，因而它一定是错误的观点 答案　B 解析　能量子假设最早是由普朗克提出的，故A错误；微观粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍，故B正确；根据ε＝hν＝可知，电磁波的波长越长，其能量子越小，故C错误；能量子假说与宏观世界中对能量的认识相矛盾，但它的观点是正确的，故D错误。 例4　(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．原子从低能级向高能级跃迁时放出光子 C．原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，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，所以原子的光谱只有一些分立的亮线 答案　CD 解析　原子的能量是量子化的，原子从高能级会自发地向低能级跃迁，向外放出光子。光子的能量hν＝E初－E末，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A、B错误，C、D正确。 针对训练　(多选)关于原子的能级跃迁，下列说法正确的是(　　) A．原子从低能级跃迁到高能级要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差 B．原子不能从低能级向高能级跃迁 C．原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁，放出光子后从较高能级跃迁到较低能级 D．原子跃迁时无论是吸收光子还是放出光子，光子的能量都等于始、末两个能级的能量差的绝对值 答案　CD 课时对点练(60分) 1～5题每题8分，共40分 考点一　能量子 1．普朗克将“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　A 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选项，故A正确，B、C、D错误。 2．(2023·江西赣州市赣县第三中学高二月考)以下关于光子的说法正确的是(　　) A．光子的能量跟它的频率无关 B．紫光光子的能量比红光光子的能量小 C．光子是具有质量、能量和体积的实物微粒 D．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光子 答案　D 解析　根据ε＝hν，可知光子的能量与光子的频率成正比，选项A错误；在可见光范围内，紫光的频率最大，红光的频率最小，根据ε＝hν，可知紫光光子的能量比红光光子的能量大，选项B错误；光子具有能量，但没有静止质量，也没有具体的体积，它不是实物粒子，选项C错误；光是在空间传播的电磁波，是不连续的，是一份一份的能量，每一份叫作一个光子，选项D正确。 3．(8分)对应于7.4×10－19 J的能量子，其电磁辐射的频率是多少？(计算结果保留三位有效数字) 答案　1.12×1015 Hz 解析　根据公式ε＝hν得ν＝＝ Hz≈1.12×1015 Hz。 考点二　能级 4．(多选)如图所示，放电管两端加上高压，管内的稀薄气体会发光，从其中的氢气放电管观察氢原子的光谱，发现它只有一些分立的不连续的亮线，下列说法正确的是(　　) A．亮线分立是因为氢原子有时发光，有时不发光 B．有几条谱线，就对应着氢原子有几个能级 C．氢原子的光谱在可见光范围内有四条分立的明线 D．光谱不连续对应着氢原子辐射光子能量的不连续 答案　CD 解析　放电管两端加上高压，管内的稀薄气体会发光，这是因为原子由高能级向低能级跃迁，同时辐射出一定频率的光子，形成光谱，但是因为原子在不同能级之间跃迁时，形成不同频率的光，而形成的光谱是已经发生了跃迁的能级形成的；由于不同能级之间发生跃迁的条件不一样，几条光谱线并不对应着氢原子有几个能级；氢原子的光谱在可见光范围内有四条分立的明线，故A、B、C错误，D正确。 5．一个氢原子从较高能级跃迁到较低能级，该氢原子(　　) A．放出光子，能量增加 B．放出光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加 D．吸收光子，能量减少 答案　B 解析　由原子的能级跃迁规律知，氢原子从高能级跃迁到低能级时，辐射一定频率的光子，氢原子能量减少，光子的能量由这两个能级的能量差决定。故选B。 6、7题每题10分，共20分 6．(多选)下列说法正确的是(　　) A．微观粒子的能量变化是跳跃式的 B．能量子与电磁波的频率成正比 C．红光的能量子比绿光的大 D．电磁波波长越长，其能量子越大 答案　AB 解析　微观粒子的能量变化是跳跃式的，选项A正确；由ε＝hν可知，能量子与电磁波的频率成正比，选项B正确；红光的频率比绿光的小，由ε＝hν可知，红光的能量子比绿光的小，选项C错误；电磁波波长越长，其频率越小，能量子越小，选项D错误。 7．(多选)下列关于氢原子光谱和能级的说法正确的是(　　) A．氢原子光谱中的亮线是由于氢原子从高能级向低能级跃迁时释放出光子形成的 B．氢原子光谱不是连续的，是一些分立的亮线，说明了氢原子的能级是量子化的 C．原子能量越高原子越稳定 D．原子从高能态向低能态跃迁会放出光子，光子能量等于两个能级之差 答案　ABD 学科网（北京）股份有限公司 $