第3章 第4节 第5节 微观世界的量子化-【优学精讲】2024-2025学年高中物理必修第三册教用课件(教科版)

第4节　电磁波的发现及其应用 第5节　微观世界的量子化 1．知道麦克斯韦电磁场理论及其在物理学发展史上的意义。　2.了解电磁波的基本特点、发现过程及传播规律。　3.初步了解微观世界的量子化特征。　 返回导航 课前 知识梳理 1 课堂 深度探究 2 内容 索引 随堂 巩固落实 3 课前 知识梳理 PART 01 第一部分 4 一、电磁场 1．麦克斯韦电磁理论的两个基本假设 (1)变化的磁场能够在周围空间产生__________。 电场可由两种方式产生：由电荷或由________________产生。 (2)变化的电场能够在周围空间产生__________。 2．变化的电场和变化的磁场交替产生，形成一个不可分割的统一体，称为____________。 电场 变化的磁场 磁场 电磁场 课前 知识梳理 返回导航 二、电磁波和电磁波谱 1．由变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场是由近及远传播的，这种变化的电磁场在空间的传播称为____________。 2．麦克斯韦从理论上预见了电磁波的存在，并计算出其传播速度等于__________。 3.________第一次用实验证实了电磁波的存在。 4．电磁波的波速c与λ、f的关系是__________。 电磁波 光速 赫兹 c＝λf 课前 知识梳理 返回导航 6 5．电磁波谱：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，都是电磁波，我们按波长(或频率)的顺序把所有电磁波排列起来，称之为电磁波谱。 课前 知识梳理 返回导航 三、电磁波的应用 1．利用电磁波传递信息。 2．利用电磁波的能量。 四、波粒二象性：光和电子、质子等实物粒子都既具有波动性，又具有粒子性。 课前 知识梳理 返回导航 五、能量量子化 1．普朗克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。 2．能量子ε＝________，其中ν是波的频率，h＝6.626×10－34 J·s，称为普朗克常量。 hν 课前 知识梳理 返回导航 3．能级 (1)定义：原子的能量是量子化的。这些不连续的、量子化的能量值叫作能级。 (2)通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最__________的状态。在某些情况下，可能会处于能量较高的状态，称为激发态。 (3)从较低的能级跃迁到较高的能级，必须吸收能量；反之，则要放出能量。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。 稳定 课前 知识梳理 返回导航 判断下列说法是否正确。 (1)变化的电场一定产生变化的磁场。(　　) (2)磁场一定可以产生电场，电场也一定可以产生磁场。(　　) (3)电磁波在真空和介质中传播速度相同。(　　) (4)只有高温物体才能辐射电磁波。(　　) (5)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　　) (6)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。(　　) × × × × √ √ 课前 知识梳理 返回导航 课堂 深度探究 PART 02 第二部分 12 知识点一　麦克斯韦电磁场理论 1．麦克斯韦电磁场理论 (1)电磁场理论的核心之一：变化的磁场产生电场如图所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里会产生感应电流，其实质是变化的磁场在它周围产生了电场，电路中的自由电荷在电场力作用下做定向运动，形成了感应电流，即使在变化的磁场周围没有闭合电路，也同样可以产生电场。 课堂 深度探究 返回导航 (2)电磁场理论的核心之二：变化的电场产生磁场 麦克斯韦认为：由电现象和磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的观点猜想变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场。 如图所示，根据麦克斯韦电磁场理论可知，在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场。 课堂 深度探究 返回导航 2．对麦克斯韦电磁场理论的理解 (1)恒定的电场不产生磁场。 (2)恒定的磁场不产生电场。 (3)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场。 (4)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场。 (5)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。 (6)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。 课堂 深度探究 返回导航 √ 　　　关于电磁场和电磁波，下列说法不正确的是(　　) A．变化的电场能够产生磁场，变化的磁场能够产生电场 B．麦克斯韦第一次通过实验验证了电磁波的存在 C.手机是通过电磁波进行通信的 D．雷达是利用电磁波进行测距、定位的仪器 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　变化的电场能产生磁场，变化的磁场能产生电场，所以电场和磁场总是相互联系，故A正确，不符合题意； 麦克斯韦只是预言了电磁波的存在，是赫兹第一次通过实验验证了电磁波的存在，故B错误，符合题意； 手机和雷达均是利用电磁波工作的，故C、D正确，不符合题意。 课堂 深度探究 返回导航 知识点二　电磁波与电磁波谱 1．按波长由长到短(频率由低到高)的顺序 无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线(伦琴射线)、γ射线等合起来，构成了范围非常广阔的电磁波谱。 课堂 深度探究 返回导航 2．各种不同的电磁波既有共性，又有个性 (1)共性：它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，都遵守公式v＝fλ，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108 m/s，它们的传播都不需要介质，各波段之间并没有绝对的区别。 (2)个性：不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性。波长越长越容易产生干涉、衍射现象，波长越短观察干涉、衍射现象越困难。正是这些不同的特性决定了它们不同的用途。 课堂 深度探究 返回导航 　　　如图所示的是中国天眼FAST－500 m口径球面射电望远镜，其主要工作波长在分米到米的范围，则天眼接收的电磁波的频率区间为(　　)   A.106～107 Hz　　　 B．108～109 Hz C．1010～1011 Hz D．1012～1013 Hz √ 课堂 深度探究 返回导航 　　　(多选)关于电磁波的特性，下列说法正确的是(　　) A．红外线遥感是利用了红外线波长较长的特点 B．一切物体都在不停地辐射红外线，温度越高，辐射越强 C．验钞机检验钞票真伪体现了紫外线的荧光作用 D．X射线可深入骨骼，杀死病变细胞 √ √ √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　红外线波长较长，能够发生明显衍射，A正确； 一切物质都在辐射红外线，辐射本领和物体温度有关，B正确； 钞票上有荧光物质，验钞机发出的紫外线具有荧光作用，可以使荧光物质发光，C正确； 在人体内杀死病变细胞是利用了γ射线的放射作用，X射线可用来检查人体器官，D错误。 课堂 深度探究 返回导航 知识点三　能量子的理解与计算 1．物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。 2．在宏观尺度内研究物体的运动时，我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化。在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。 3．能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是电磁波的频率。 课堂 深度探究 返回导航 4．光子假说：当光照射在金属上时，有时会有电子从金属表面逸出，这种现象被称为光电效应。为解释光电效应，在普朗克能量子假说的启发下，爱因斯坦于1905年指出，当光和物质相互作用时，光的能量不是连续的，而是一份一份光量子。这些光量子后来被称为光子。光子的能量与它的频率成正比，即ε＝hν。 课堂 深度探究 返回导航 √ 角度1　对能量子的理解 　　　下列关于量子化的说法正确的是(　　) A．爱因斯坦首先提出了“能量子”的概念 B．物体的长度是量子化的 C．对于宏观带电物体，其电荷量是量子化的 D．能量子与电磁波的频率成反比 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　普朗克首先提出了“能量子”的概念，A错误； 物体的长度是连续的，B错误； 对于宏观带电物体，其电荷量是量子化的，是元电荷的整数倍，C正确； 根据ε＝hν可知，能量子与电磁波的频率成正比，D错误。 课堂 深度探究 返回导航 √ 　　　(多选)对于带电微粒的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 [解析]　带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的，A、B、D正确，C错误。 √ √ 课堂 深度探究 返回导航 角度2　能量子的计算 　　　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约为600 nm，普朗克常量为6.63×10－34 J·s，则进入人眼的光子数至少为(　　) A．1个　　　　　　　 B．3个 C．30个 D．300个 √ 课堂 深度探究 返回导航 知识点四　波粒二象性和能级 1．波粒二象性 (1)光的波粒二象性：光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应证明了光具有粒子性，即光具有波粒二象性。 (2)实物粒子的波粒二象性：实验已经证实电子、质子等实物粒子同样具有波动性，即电子、质子等实物粒子都具有波粒二象性。 课堂 深度探究 返回导航 2．为了解释氢原子的稳定性和氢原子光谱的分立特征，玻尔提出了氢原子中电子轨道量子化假说，即电子轨道半径是量子化的，电子只能在特定的轨道上运动；电子在不同的轨道上具有不同的能量，只有当电子在不同轨道之间跃迁时，才辐射光子。 课堂 深度探究 返回导航 √ 　　　下列叙述错误的是(　　) A．光的干涉和衍射现象证明光具有波动性 B．实物粒子不具有波动性 C．原子的能量是一系列不连续的值 D．氢原子的光谱是分立的谱线 [解析]　实验已经证明电子、质子等实物粒子具有波动性，B错误。 课堂 深度探究 返回导航 随堂 巩固落实 PART 03 第三部分 32 1．(麦克斯韦电磁场理论)根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(　　) A．有电场的空间一定存在磁场，有磁场的空间也一定能产生电场 B．在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场 C．均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场 D．周期性变化的磁场周围空间一定产生周期性变化的电场 √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：根据麦克斯韦电磁场理论可知，只有变化的电场才能产生磁场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，D正确。 随堂 巩固落实 返回导航 2．(电磁波谱和电磁波的应用)(2024·河北定兴三中期中)我国研制的055新型防空驱逐舰采用“双波段(X波段和S波段)”雷达系统，雷达发射的X波段的频率为8 GHz～12 GHz，S波段的频率为2 GHz～4 GHz，下列说法正确的是(　　) A．在空气中X波段的传播速度大于S波段的 B．在空气中S波段的波长比X波段的更短 C．S波段和X波段的频率都比紫外线的小 D．X波段能量子的能量比S波段能量子的能量小 √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：X波段和S波段均为电磁波，它们在空气中的传播速度相同，故A错误； 根据v＝fλ，X波段的频率较大，可知在空气中S波段的波长比X波段的更长，故B错误； S波段和X波段的频率都比紫外线的小，故C正确； 能量子的能量与其频率成正比，X波段能量子的能量大于S波段能量子的能量，故D错误。 随堂 巩固落实 返回导航 3．(电磁波与电磁波谱)(多选)关于电磁波谱，下列说法正确的是(　　) A．电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波 B．红外线、紫外线、可见光是原子的外层电子受激发后产生的 C．伦琴射线和γ射线是原子的内层电子受激发后产生的 D．红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线 √ √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：波长越长，波动性越显著，干涉、衍射现象越易发生；由电磁波产生的机理可知，红外线、可见光和紫外线是原子的外层电子受激发后产生的，γ射线是原子核受激发后产生的；不论物体温度高低都能辐射红外线，物体的温度越高，它辐射的红外线越强，故正确答案为A、B。 随堂 巩固落实 返回导航 √ 4.(能量量子化)(2024·江西南昌统考)现在市场上常用来激光打标的是355 nm紫外纳秒固体激光器，该激光器单光子能量高，能直接打断某种材料的分子键，使之从材料表面脱离。据此判断，打断该材料分子键需要的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，真空光速c＝3×108 m/s)(　　) A．10－22 J　　　　　 B．10－19 J C．10－16 J D．10－13 J 随堂 巩固落实 返回导航 随堂 巩固落实 返回导航 $