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

本讲义聚焦微观世界的量子化核心知识点，从光的本性早期学说（微粒说、波动说）出发，系统梳理光的波粒二象性（光电效应、光子说、实物粒子特性），进而阐述能量量子化（普朗克理论、能级、跃迁规律），构建完整知识支架。 该资料以核心素养为导向，通过任务驱动（如太空天空黑的原因探讨）、典例分析（“大连光源”光子能量计算）培养物理观念与科学思维，结合量子通信实例渗透科学态度与责任，课中辅助教学，课后助力学生查漏补缺。

第5节　微观世界的量子化 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。 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，简称光子。 5.光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性，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。 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为波的频率。 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。 3.基态：原子处于能量最低的状态，这是最稳定的状态。 4.激发态：原子所处的能量较高的状态。 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? (2)原子由激发态4直接跃迁到基态会发生什么现象? 提示：(1)氢原子能量是量子化的。 (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。 新知学习(一) [任务驱动] 　　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? 　　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。 [重点释解] 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。 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。 [针对训练] 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 解析：选AB　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：选C　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：选D　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) [重点释解] 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。 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。 [典例体验] 　　[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 [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。 [答案]　A /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。 [针对训练] 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 解析：选B　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：选B　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：选ABD　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。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉物理观念——量子化观念的理念 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 解析：选A　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。 ◉科学态度与责任——量子通信及量子通信网络 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。 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。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 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 解析：选B　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：选C　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。 学科网（北京）股份有限公司 $