第四章 原子结构和波粒二象性（复习课件）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件系统梳理了热力学定律单元的核心知识，涵盖功、热和内能的改变，热力学第一、第二定律及能量守恒定律，通过思维导图和知识清单构建体系，清晰呈现知识点间的逻辑联系。 其特色在于采用“题型剖析-变式训练-课堂巩固”的复习策略，如题型一结合理想气体模型分析气泡上浮问题，培养科学推理与模型建构能力，课堂总结通过问题引导反思，助力学生深化物理观念，教师可精准把握学情提升复习效率。

第四章 原子结构和波粒二象性 人教版（2019）选择性必修 第三册 单元复习 单元学习目标 理解黑体辐射的实验规律与普朗克能量子假说，能解释光电效应现象，掌握光电效应方程，理解光子说及光的波粒二象性。 掌握康普顿效应的实验现象与物理意义，能结合动量守恒和能量守恒分析相关问题，深化对光的粒子性的理解。 了解原子结构模型的演变过程（汤姆孙 “枣糕模型”、卢瑟福核式结构模型），理解 α 粒子散射实验的现象、分析及核式结构模型的核心内容。 理解玻尔原子理论的基本假设（定态、跃迁、轨道量子化），能运用玻尔模型分析氢原子的能级结构、跃迁问题，解释氢原子光谱的形成规律。 单元学习目标 理解实物粒子的德布罗意波假说，掌握德布罗意波长公式，了解电子衍射实验对物质波假说的验证，进一步理解物质的波粒二象性。 了解不确定性关系的内容与物理意义，能认识宏观与微观世界的差异，理解量子化思想在微观世界中的体现。 能综合运用本章知识，分析原子能级跃迁、光电效应、物质波等相关问题，建立微观世界的物理图景，体会量子理论对经典物理学的突破与发展。 1. 本章思维导图 2. 各节知识清单 3. 题型剖析及针对训练 4. 课堂巩固 5. 课堂总结 学习内容 一、本章思维导图 第四章 原子结构和波粒二象性 本章思维导图 第四章 原子结构和波粒二象性 本章思维导图 第四章 原子结构和波粒二象性 二、各节知识清单 第三章 热力学定律 第1节 普朗克黑体辐射理论 一、黑体与黑体辐射 1.黑体：某种物体能够 入射的各种波长的电磁波而不发生 ，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 2.黑体辐射 (1)定义：黑体虽然不 电磁波，却可以向外 电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射。 (2)黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的______ 有关。 完全吸收 反射 反射 辐射 温度 第1节 普朗克黑体辐射理论 二、黑体辐射的实验规律 如图所示为黑体辐射电磁波的强度按波长分布的情况，从图中可以看出。 1.随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有 。 2.随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长_______ 的方向移动。 3.温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。 增加 较短 第1节 普朗克黑体辐射理论 三、能量子 1.定义：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的 ，这个不可再分的 叫作能量子。 2.表达式：ε= 。其中ν是带电微粒的 ，即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h被称为 ，h=6.626 070 15×10-34 J·s。 3.能量的量子化：微观粒子的能量是 的，或者说微观粒子的能量是 的。 整数倍 最小能量值ε hν 振动频率 普朗克常量 量子化 分立 第2节 光电效应 一、光电效应的实验规律 1.光电效应现象 (1)光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的 从表面逸出的现象。 (2)光电子：光电效应中发射出来的 。 2.光电效应的实验规律 (1)存在 或极限频率νc：当入射光的频率 截止频率νc时不发生光电效应。 实验表明，不同金属的截止频率 。截止频率与金属 有关。 电子 电子 截止频率 低于 不同 自身的性质 第2节 光电效应 (2)存在 ：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。频率不变时，入射光越强，饱和电流 。 (3)存在 ：使光电流减小到 的反向电压Uc，满足me=eUc。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的 。 (4)光电效应具有 ：当频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会 产生光电流。 饱和电流 越大 遏止电压 0 初速度 瞬时性 立即 一、光电效应的实验规律 第2节 光电效应 一、光电效应的实验规律 3.光电效应经典解释中的疑难 (1)逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的 值，用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小 (填“相同”或“不相同”)。 (2)光电效应经典解释 ①不应存在 频率。 ②遏止电压Uc应该与光的强弱 关。 ③电子获得逸出表面所需的能量需要的时间应 实验中产生光电流的时间。 最小 不相同 截止 有 远远大于 第2节 光电效应 二、爱因斯坦的光电效应理论 1.光子：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 ，其中h为普朗克常量。这些能量子后来称为 。 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：hν= 或Ek= 。 (2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是 ，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的 。其中Ek为光电子的 初动能。 hν 光子 Ek+W0 hν-W0 hν 初动能 最大 第2节 光电效应 二、爱因斯坦的光电效应理论 3.光电效应方程对光电效应实验现象的解释 (1)只有当hν W0时，才有光电子逸出，νc= 就是光电效应的截止频率。 (2)光电子的最大初动能Ek与 有关，而与光的 无关。这就解释了遏止电压和光强无关。 (3)电子 吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。 (4)对于同种颜色(频率ν相同)的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的 较多，因而饱和电流较 (选填“大”或“小”)。 > 入射光的频率ν 强弱 一次性 光电子 大 第2节 光电效应 三、康普顿效应和光子的动量 1.康普顿效应：在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长 λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。 2.康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有 。进一步揭示了光的 ，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。 大于 动量 粒子性 第2节 光电效应 三、康普顿效应和光子的动量 3.光子的动量 (1)表达式：p= 。 (2)说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而光子的动量可能变小。因此，有些光子散射后波长 。 变大 第3节 原子的核式结构模型 一、电子的发现 1.阴极射线：阴极发出的一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。 2.密立根实验：电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷的值为e= (保留两位有效数字)。 3.电荷的量子化：任何带电体的电荷只能是 的整数倍。 4.电子的质量me= (保留两位有效数字)，质子质量与电子质量的比值为= 。 1.6×10-19 C 9.1×10-31 kg e 1 836 第3节 原子的核式结构模型 二、原子的核式结构模型 1.汤姆孙原子模型：汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“ 模型”，如图。 枣糕 第3节 原子的核式结构模型 二、原子的核式结构模型 2.α粒子散射实验： (1)α粒子散射实验装置由α粒子源、 、显微镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于 中。 (2)实验现象 ① α粒子穿过金箔后，基本上仍沿 的方向前进； ② α粒子发生了 偏转；极少数偏转的角度甚至 ，它们几乎被“ ”。 (3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了 模型。 金箔 真空 绝大多数 原来 少数 大角度 大于90° 撞了回来 核式结构 第3节 原子的核式结构模型 二、原子的核式结构模型 3.核式结构模型：原子中带 电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。 正 第3节 原子的核式结构模型 三、原子核的电荷与尺度 1.原子核的电荷数：各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。 2.原子核的组成：原子核是由 和 组成的，原子核的电荷数就是核中的 。 3.原子核的大小：用核半径描述核的大小。一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为 m，而整个原子半径的数量级是 m，两者相差十万倍之多。 质子 中子 质子数 10-15 10-10 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 一、光谱 1.光谱的定义：用棱镜或光栅把物质发出的光按 (频率)展开，获得波长(频率)和 分布的记录。 2.分类 (1)发射光谱 ①线状谱：光谱是一条条的 。 ②连续谱：光谱是 的光带。 (2)吸收光谱 ①定义：连续谱中，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。 ②产生条件：炽热物体发出的白光通过温度较低的气体后，再色散形成的。 波长 强度 亮线 连在一起 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 一、光谱 3.特征谱线：气体中中性原子的发光光谱都是 ，说明原子只发出几种 的光，不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的______ 不一样，光谱中的亮线称为原子的 。 4.光谱分析的应用：利用原子的特征谱线，可以鉴别物质和确定物质的组成成分，这种方法称为 ，它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10-13 kg时就可以被检测到。 线状谱 特定频率 发光 频率 特征谱线 光谱分析 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 二、氢原子光谱的实验规律 1.原子内部电子的运动是原子发光的原因。因此 是探索原子结构的一条重要途径。 2.氢原子光谱的实验规律满足 巴耳末公式：=R∞-n=3，4，5，…) 式中R∞为 ，R∞=1.10×107 m-1，n取整数。 3.巴耳末公式的意义：以简洁的形式反映了氢原子的 光谱的特征。 4.其他谱线：除了巴耳末系，氢光谱在 和 光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。 光谱 里德伯常量 线状 红外 紫外 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 三、经典理论的困难　玻尔原子理论的基本假设 1.经典理论的困难 (1)核式结构模型的成就：正确地指出了 的存在，很好地解释了 。 (2)经典理论的困难：经典物理学既无法解释原子的 ，又无法解释原子光谱的 线状谱。 原子核 α粒子散射实验 稳定性 分立 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 三、经典理论的困难　玻尔原子理论的基本假设 2.玻尔原子理论的基本假设 (1)轨道量子化 ①电子绕原子核做圆周运动的轨道的半径不是任意的，也就是说电子的轨道是 (填“连续变化”或“量子化”)的。 ②电子在这些轨道上绕核的运动是 的，不产生 。 量子化 稳定 电磁辐射 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 三、经典理论的困难　玻尔原子理论的基本假设 (2)定态 ①当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。电子只能在特定轨道上运动，原子的能量只能取一系列 的值。这些 的能量值叫作能级。 ②原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为 。能量最低的状态叫作 ，其他的状态叫作 。 特定 量子化 定态 基态 激发态 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 三、经典理论的困难　玻尔原子理论的基本假设 (3)频率条件 当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为Em，m<n)时，会 能量为hν的光子(h是普朗克常量)，该光子的能量hν= ，该式称为频率条件，又称辐射条件。反之，当电子 光子时，会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道， 光子的能量同样由频率条件决定。 放出 En-Em 吸收 吸收 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 四、玻尔理论对氢光谱的解释 1.氢原子能级图(如图所示) 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 四、玻尔理论对氢光谱的解释 2.氢原子的能级公式和半径公式 (1)氢原子在不同能级上的能量值为En=E1=-13.6 eV，n=1，2，3，…)； (2)相应的电子轨道半径为rn=n2r1(r1=0.53×10-10 m，n=1，2，3，…)。 3.解释巴耳末公式 巴耳末公式中的正整数n和2正好代表电子跃迁之前和跃迁之后所处的 的量子数n和2。 定态轨道 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 四、玻尔理论对氢光谱的解释 4.解释气体导电发光 通常情况下，原子处于基态，非常稳定。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到 ，处于激发态的原子是 的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出 ，最终回到基态。 5.解释氢原子光谱的不连续性 原子从较高的能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于_____________ ，由于原子的能级是 的，所以放出的光子的能量也是 的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 激发态 不稳定 光子 前后两个能级 之差 分立 分立 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 四、玻尔理论对氢光谱的解释 6.解释不同原子具有不同的特征谱线 不同的原子具有不同的结构， 各不相同，因此辐射(或吸收)的 也不相同。 能级 光子频率 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 一、粒子的波动性 1.德布罗意假设：每一个 的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫 波。 2.粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间的关系：ν= ，λ= 。 运动 物质 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 2.计算物质波波长的方法 (1)首先根据物体的速度计算其动量。如果知道物体动能，也可以直接用p=计算其动量； (2)再根据λ=计算德布罗意波长。 (3)注意区分光子和微观粒子的能量和动量的不同表达式，如光子 的能量ε=hν，动量p=，微观粒子的动能Ek=mv2，动量还可用p=mv 计算。 一、粒子的波动性 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 二、物质波的实验验证 1.实验探究思路： 、 是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。 2.实验验证：1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的 。 3.说明 除了电子以外，人们陆续证实了中子、质子以及原子、分子的 ， 对于这些粒子，德布罗意给出的ν= 和λ= 关系同样正确。 4.电子、质子、原子等粒子和光一样，也具有 性。 干涉 衍射 波动性 波动性 波粒二象 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 三、量子力学 1.量子力学的建立 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 2.量子力学的应用 借助量子力学，人们深入认识了 (填“宏观”或“微观”)世界的组成、结构和属性。 (1)推动了核物理和粒子物理的发展。人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个 (填“宏观”或“微观”)层次的物质结构，又促进了____ 学和宇宙学的研究。 (2)推动了原子、分子物理和光学的发展 人们认识了原子的结构，以及原子、分子和电磁场相互作用的方式，发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术。 微观 微观 天 文 三、量子力学 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 三、量子力学 (3)推动了固体物理的发展 人们了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有 、绝缘体和半导体之分。 导体 三、题型剖析及针对训练 第四章 原子结构和波粒二象性 题型一：黑体辐射　能量子 1.黑体辐射的实验规律 (1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。 (2)随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 2.能量子问题的求解方法 (1)明确能量子公式ε＝hν，注意频率、波长、波速的关系，即ν＝。 (2)应用ε＝hν＝计算不同波长的光的能量子的能量。 (3)应用λ＝计算光的波长。 (4)应用E总＝nε＝nhν＝nh计算光子数。 题型一：黑体辐射　能量子 题型一：黑体辐射　能量子 题型一：黑体辐射　能量子 题型一：黑体辐射　能量子 题型一：黑体辐射　能量子 题型一：黑体辐射　能量子 题型二：光电效应规律的理解和应用 1.“四点”提醒 (1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。 (2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。 (3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。 (4)光电子不是光子，而是电子。 2.“两条”关系 (1)光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大。 (2)光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大→遏止电压大。 3.“三个”关系式 (1)爱因斯坦光电效应方程:Ek＝hν－W0。 (2)最大初动能与遏止电压的关系:me＝eUc。 (3)逸出功与极限频率的关系:W0＝hνc。 题型二：光电效应规律的理解和应用 题型二：光电效应规律的理解和应用 题型二：光电效应规律的理解和应用 题型二：光电效应规律的理解和应用 题型二：光电效应规律的理解和应用 题型二：光电效应规律的理解和应用 题型三：光电效应的四类图像 图像名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率:图线与ν轴交点的横坐标νc ②逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E ③普朗克常量:图线的斜率k＝h 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率νc:图线与横轴的交点的横坐标 ②遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大 ③普朗克常量h:等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke(注:此时两极之间接反向电压) 题型三：光电效应的四类图像 图像名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc:图线与横轴的交点的横坐标 ②饱和光电流Im:光电流的最大值 ③最大初动能:Ek＝eUc 颜色不同时，光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和光电流Im1、Im2 ③最大初动能:Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 题型三：光电效应的四类图像 题型三：光电效应的四类图像 题型三：光电效应的四类图像 题型三：光电效应的四类图像 题型三：光电效应的四类图像 题型三：光电效应的四类图像 题型四：光的波粒二象性　物质波 1.对光的波粒二象性的理解 从数量 上看 个别光子的作用效果往往表现为粒子性，大量光子的作用效果往往表现为波动性 从频率 上看 频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象，频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强 从传播 与作用上看 光在传播过程中往往表现出波动性，在与物质发生作用时往往表现出粒子性 题型四：光的波粒二象性　物质波 波动性 与粒子 性的统一 由光子的能量ε＝hν、光子的动量表达式p＝可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ 1.对光的波粒二象性的理解 题型四：光的波粒二象性　物质波 题型四：光的波粒二象性　物质波 题型四：光的波粒二象性　物质波 题型四：光的波粒二象性　物质波 题型四：光的波粒二象性　物质波 题型四：光的波粒二象性　物质波 题型五：玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 1.两类能级跃迁 (1)自发跃迁:高能级(n) 低能级(m)→放出能量，辐射光子，hν＝En－Em。 (2)受激跃迁:低能级(m) 高能级(n)→吸收能量。 ①光照(吸收光子):光子的能量必须恰好等于能级差，hν＝En－Em。 ②碰撞、加热等:只要入射粒子的能量大于或等于能级差即可，E外≥En－Em。 ③大于电离能的光子被吸收，原子将电离。 题型五：玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 2.电离 电离态:n＝∞，E＝0 基态→电离态:E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV。 激发态→电离态:E吸>0－En＝|En|。 若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。 3.原子辐射光谱线数量的确定方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)条。 (2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为N＝。 题型五：玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 题型五：玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 题型五：玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 题型五：玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 题型五：玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 题型五：玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 四、课堂巩固 第四章 原子结构和波粒二象性 四、课堂巩固 四、课堂巩固 四、课堂巩固 四、课堂巩固 四、课堂巩固 四、课堂巩固 四、课堂巩固 四、课堂巩固 四、课堂巩固 四、课堂巩固 五、课堂总结 第四章 原子结构和波粒二象性 五、课堂总结 你是否了解汤姆孙的 “枣糕模型” 与卢瑟福的 α 粒子散射实验，能说出该实验现象对原子结构模型建立的关键作用？ 你是否理解卢瑟福原子核式结构模型的核心内容，以及它在解释原子稳定性上的困境？ 你是否掌握玻尔原子理论的三个基本假设（定态假设、跃迁假设、轨道量子化假设），并能用其解释氢原子光谱的成因？ 你是否能根据氢原子能级公式，分析氢原子的能级结构、跃迁条件，并计算光子的吸收与发射？ 你是否了解光电效应的实验规律，以及经典电磁理论无法解释光电效应的矛盾点？ 五、课堂总结 你是否理解爱因斯坦的光电效应方程，并能应用该方程分析光电子的最大初动能、遏止电压与入射光频率的关系？ 你是否掌握光子说的核心观点，理解光的波粒二象性，能区分光的波动性与粒子性的典型实验证据？ 你是否了解德布罗意物质波的假说内容，理解实物粒子的波粒二象性，并知道物质波波长的计算方法？ 你是否了解不确定性关系的物理意义，能说出它对经典粒子轨道概念的冲击？ 你是否能梳理从经典物理到量子物理的发展脉络，理解原子结构模型与波粒二象性的建立过程对物理学发展的影响？ $