第三章 第5节 微观世界的量子化（课件PPT）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理必修第三册（教科版）

该高中物理课件围绕微观世界的量子化，系统讲解波粒二象性、能量量子化及能级跃迁等核心知识，通过“光的本性之争”等问题导入，衔接牛顿微粒说、惠更斯波动说至光电效应，以任务驱动和重点释解搭建学习支架。 其亮点在于“四层”内容设计，融合科学思维（如能量子计算、波粒二象性辨析）与科学态度与责任（量子通信案例），通过“大连光源”计算、不同教材素材引用等实例，助学生深化物理观念，教师可高效落实核心素养。

微观世界的量子化 第 5 节 核心素养导学 物理 观念 (1)了解光的波动性和粒子性，知道爱因斯坦的光子说。 (2)知道光和实物粒子都具有波粒二象性。 (3)了解能量量子化的概念。 (4)知道氢原子的能量是量子化的，了解能级的概念。 科学态度与责任 (1)领会能量子这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想。 (2)体会量子理论的建立使人们对于物质世界的认识的丰富和深化。 [四层]学习内容1 落实必备知识 [四层]学习内容2 强化关键能力 01 02 CONTENTS 目录 [四层]学习内容3 · 4 浸润学科素养和核心价值 课时跟踪检测 03 04 [四层]学习内容1 落实必备知识 一、波粒二象性 1.光的本性的早期学说 (1)微粒说：由牛顿主张，认为光是很小的高速运动的粒子流。 (2)波动说：由惠更斯主张，认为光是一种波。 2.光的波动说 (1)光能发生干涉和衍射现象，光具有波动性。 (2)麦克斯韦提出光是一种_______。 电磁波 3.光电效应现象证明了光具有粒子性。 4.光子说：爱因斯坦为了解释光电效应，提出光子说，认为光在空间传播是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称_____。 5.光的波粒二象性：光既具有_____性，又具有_____性，光具有波粒二象性。 6.电子、质子等实物粒子同样具有波粒二象性。 光子 波动 粒子 二、能量量子化 1.普朗克的量子理论：普朗克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，每一份的能量叫作能量子，大小为ε=hν，其中h=6.626×10-34 J·s，称为普朗克常量，ν为波的_____。 2.能级：原子的能量是量子化的，这些不连续的、量子化的能量值称为能级。 频率 3.基态：原子处于能量_____的状态，这是最_____的状态。 4.激发态：原子所处的能量_____的状态。 5.能级跃迁规律：原子从较低的能级跃迁到较高的能级，必须吸收能量，反之，则要释放出能量，且吸收或放出的能量都等于两能级的_______。 最低 稳定 较高 能量差 1.如图所示，光可以发生干涉现象，这是波的特有现象，光又可以照射到金属表面，发生光电效应现象，这又是粒子才有的性质。那么光到底是具有波动性，还是具有粒子性? 提示：光既具有波动性，又具有粒子性，光具有波粒二象性。 2.氢原子的能级图如图所示。 (1)由图可知，氢原子能量有什么特点? 提示：(1)氢原子能量是量子化的。 2.氢原子的能级图如图所示。 (2)原子由激发态4直接跃迁到基态会发生什么现象? 提示：(2)放出一定频率的光子。 3.我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100 nm(1 nm= 10-9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。“大连光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。则“大连光源”发出的极紫外激光脉冲光子能量为多少? 提示：ε=hν== J≈2.0×10-18 J。 [四层]学习内容2 强化关键能力 新知学习(一)　对波粒二象性的理解 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? 任务驱动 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。 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。 重点释解 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。 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 针对训练 √ √ 解析：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：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正确。 3.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：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D正确，A、B、C错误。 新知学习(二)　对能量子的理解与计算 1.每个能量子的能量ε=hν，其中ν是电磁波的频率；光子的能量ε=hν，其中ν是光的频率。 2.能量子观点与黑体辐射实验的比较 普朗克能量子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分立的。借助于能量子的假说，普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得很好。 重点释解 3.对能量量子化的理解 (1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”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。 [典例]　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 典例体验 √ [解析]　因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，所以察觉到绿光所接收的最小功率P=，式中E=6ε，t=1 s，又ε=hν=h，可解得P= W≈2.3×10-18 W。 /方法技巧/ 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=。 (2)把握宏观能量E=Pt与微观能量子的关系：E=nε。 (3)正确建立模型。 1.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 针对训练 √ 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，而它的观点是正确的，故D错误。 2.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.能量子与电磁波的频率成反比 D.这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的 √ 解析：普朗克能量子假说认为，能量存在某一个最小值，带电微粒辐射或吸收的能量只能是这个最小能量值的整数倍，故A错误，B正确；能量子与电磁波的频率成正比，故C错误；能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，并不是与现实世界相矛盾，故D错误。 3.(多选)对于带电微粒辐射或吸收能量时的特点，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.辐射或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.辐射或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的整数倍一份一份地辐射或吸收的，是不连续的。故A、B、D正确，C错误。 [四层]学习内容3 · 4 浸润学科素养和核心价值 1.(选自鲁科版教材课后练习)普朗克在1900年提出了量子假说，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 ◉物理观念——量子化观念的理念 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 √ 解析：依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地进行变化，对应四个选项可知，一份一份变化的是人的个数，物体的重力、动能、长度都是连续的，故A正确，B、C、D均错误。 2.(选自粤教版教材“资料活页”)所谓量子通信，是指利用粒子在由两个或两个以上粒子组成的系统中相互影响(即量子纠缠)进行信息传递的一种新型的通信方式。与现在成熟的通信技术相比，量子通信具有保密性强、容量大、传输距离远等巨大的优越性。因此量子通信不仅在军事、金融等领域具有重要的作用，而且 会极大地促进国民经济的发展。 ◉科学态度与责任——量子通信及量子通信网络 我国对量子通信的研究始于20世纪90年代，1997年，我国科学家首次实现了未知量子态的远程传输，这是国际上第一次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上，并于2006年实现超过100 km的信息传输，由此打开了量子通信走向应用的大门。2009年9月，我国建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信，标志着我国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。2016年8月，由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，人类首次完成卫星和地面之间的量子通信，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。 2018年1月，我国科研团队利用“墨子号”量子科学实验卫星，在中国和奥地利之间首次实现了距离达7 600 km的洲际加密数据传输和视频通信，标志着“墨子号”已具备洲际量子保密通信能力。 全球跨度最大、史上最安全的量子通信网络正在悄然出现。 1.硅光电池是将光辐射的能量转化为电能。若有N个波长为λ0的光子打在硅光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量，c为真空中的光速) (　 ) A.h B.Nh C.Nhλ0 D.2Nhλ0 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 √ 解析：由于单个光子的能量为ε=hν，所以N个光子的总能量E总=Nhν，又因为ν=，解得E总=Nh，故选B。 2.被誉为“中国天眼”的世界最大单口径射电望远镜(简称FAST)可以接收来自宇宙深处的电磁波。中国天眼的存在，使得深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星，对探索宇宙的起源和地外文明具有重要意义。如果为天眼配备一部发射功率为百万瓦级(106 W)的发射机，其发射的无线电波波长为126 厘米。那么该发射机每秒钟发射的光子数量的数量级约为(取真空中光速c=3×108 m/s，普朗克常量h=6.6×10-34 J·s) (　 ) A.1023 B.1027 C.1030 D.1036 √ 解析：设单位时间为t0，发射机每秒钟发射的光子数量为n，则光子的总能量为nt0h，每秒钟的发射能量为Pt0，所以nt0h=Pt0，代入数据，可得n≈ 6×1030(个)，故C正确。 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1.微观领域中，电磁波的能量、原子的能量都不是连续变化的，只能是某些特定的值，我们称之为“量子化”。以下宏观概念中，哪些是不连续的 (　 ) A.物体的速度　　　　 B.物体所受的力 C.物体的动量 D.物体的带电荷量 √ 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 解析：物体的速度、所受的力、动量的数值可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，是非量子化的；而物体的带电荷量是元电荷的整数倍，因而是不连续的，是量子化的，故A、B、C错误，D正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 2.下列各选项中列举的两个现象都能说明光具有波动性的是 (　 ) A.光的折射、反射 B.光的反射、干涉 C.光的衍射、干涉 D.光的直线传播、光电效应 解析：光的粒子性能够很好地解释光的直线传播、反射、折射，光电效应也证明了光的粒子性，光的干涉、衍射证明了光具有波动性，故C正确，A、B、D错误。 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 3.下列说法正确的是 (　 ) A.电磁波具有能量 B.能级越高的原子越稳定 C.赫兹建立了经典电磁场理论 D.爱因斯坦提出了能量子的假说 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：电磁波具有能量，选项A正确；原子的能量是不连续的，能级越高，越不稳定，选项B错误；麦克斯韦建立了经典电磁场理论，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，选项C错误；普朗克提出的能量子假说，爱因斯坦提出的光子说，选项D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 4.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 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：根据ε=hν，可知光子的能量与光子的频率成正比，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，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，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，D正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 5.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.实物粒子没有波动性 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：一切光都具有波粒二象性，光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些现象(如光电效应)表现出粒子性，故A错误；电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，故B错误；光的波长越长，即波动性越显著，光的波长越短，粒子性就越显著，故C正确；运动的实物粒子也具有波动性，故D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 6.已知某单色光的波长为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：由光速、波长的关系可得出光的频率ν=，能量子ε=hν=h，故A正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 7.(多选)1900年德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出了一个大胆的假说，即能量子假说，下列说法属于能量子假说内容的是 (　 ) A.物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的 B.能量子假说中将每一份能量单位，称为“能量子” C.能量子假说中的能量子的能量ε=hν，ν为电磁波的频率，h为普朗克常量 D.能量子假说认为能量是连续的，是不可分割的 √ √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：能量子假说认为，物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的，每一份能量单位，称为“能量子”，能量子的能量ε=hν，ν为电磁波的频率，h为普朗克常量，故A、B、C正确，D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 8.两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，第一束光在某段时间内打在物体上的光子数与第二束光在相同时间内打在物体表面上的光子数之比为4∶5，则这两束光的光子能量和波长之比为 (　 ) A.4∶5　4∶5 B.5∶4　4∶5 C.5∶4　5∶4 D.4∶5　5∶4 √ 解析：由E=nε知，能量相同时n与ε成反比，所以光子能量比为5∶4；又根据ε=hν=h，所以波长之比为4∶5，B正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 9.“约瑟夫森结”由超导体和绝缘体制成。若在结两端加恒定电压U，则它会辐射频率为ν的电磁波，且ν与U成正比，即ν=kU。已知比例系数k仅与元电荷e的2倍和普朗克常量h有关。你可能不了解此现象的机理，但仍可运用物理学中常用的方法，在下列选项中，推理判断比例系数k的值可能为 (　 ) A.　　　 B.　　　 C.2he　　　 D. √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：根据物理单位知识，表达式及变形式两侧单位是一致的，由本题中涉及的物理量：ν、U、e、h及与其有联系的能量表达式E=hν，E=Ue，由上式得h的单位与的单位相同，即h单位可用V·C·s表示，题中ν=kU，即k=，单位可用表示，选项B中单位等效于=，故B正确，A、C、D错误。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 10.太阳辐射到地球表面单位面积的电磁波的功率P0约为1 400 W/m2。其中包含了各种波长的红外线、可见光、紫外线等，以可见光部分最强。为了研究方便，我们认为太阳光辐射到地球表面的电磁波全部是波长λ0约为600 nm(1 nm=10-9 m)的可见光，每秒至少有5个这样的光子进入人眼才能引起视觉，人眼睛的瞳孔面积约为S0=10 mm2，则人眼能看到最远的与太阳相同的恒星到地球的距离R和日地距离r的比值约为(已知光速c=3×108 m/s，普朗克常量h=6.63×10-34 J·s) (　 ) A.9×104 B.9×107 C.9×1010 D.9×1014 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：设太阳辐射电磁波的功率为P，由题意有P0=，人眼能看到最远的与太阳辐射电磁波功率相同的恒星辐射到地球表面单位面积的电磁波的功率P1=，又P1·S0t=，联立解得=≈9×107，B正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 11.(10分)在半径r=10 m的球壳中心有一盏功率为P=40 W的钠光灯(可视为点光源)，发出的钠黄光的波长为λ=0.59 μm，已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s，真空中光速c=3×108 m/s。试求每秒钟穿过S=1 cm2球壳面积的光子数目。 答案：9.4×1012个 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：钠黄光的频率ν== Hz≈5.1×1014 Hz 则一个光子的能量E0=hν=6.63×10-34×5.1×1014 J≈3.4×10-19 J 又钠光灯在t=1 s内发出光能E=Pt=40×1 J=40 J 那么在t=1 s内穿过S=1 cm2球壳面积的光能量 E1== J≈3.2×10-6 J 则每秒钟穿过该球壳1 cm2面积的光子数n==≈9.4×1012(个)。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 12.(14分)1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器，它标志着激光技术的诞生。激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光。红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲。现有一红宝石激光器，发射功率为P=1.0×1010 W，所发射的每个光脉冲持续的时间为Δt=1.0×10-11 s，波长为793.4 nm，普朗克常量为6.626×10-34 J·s。求： (1)每列光脉冲的长度l是多少?(6分) 答案：(1)3×10-3 m 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：(1)每列光脉冲的长度 l=cΔt=3×108×1.0×10-11 m=3×10-3 m 。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 (2)每列光脉冲含有的能量子数是多少?(8分) 答案：(2)4.0×1017个 解析： (2)由光速公式c=λν，能量子公式ε=hν及能量关系PΔt=Nε得N==个≈4.0×1017个。 本课结束 更多精彩内容请登录：www.zghkt.cn $