3.5 微观世界的量子化(Word教参)-【学霸笔记·同步精讲】2026-2027学年高中物理必修第三册（教科版）

本高中物理讲义聚焦“微观世界的量子化”核心知识点，梳理光的本质认识史（从牛顿微粒说到麦克斯韦电磁波理论，再到光电效应揭示粒子性），构建波粒二象性认知，进而阐述能量量子化（普朗克能量子、原子能级及跃迁规律）的学习支架。 资料通过判断正误、思考题（如发射光谱分立亮线成因）引导科学思维，结合能级图探究氢原子光谱培养科学探究能力，例题解析与方法技巧助力知识掌握。体现科学思维的模型建构与科学推理，课中辅助教学，课后练习题帮助学生巩固查漏。

5.微观世界的量子化 物理观念：1.知道光本质的认识史，了解光的波粒二象性及其对立统一的关系。2.了解爱因斯坦的光子假设。 科学思维：了解原子能级及能级跃迁理论。 科学探究：通过氢原子的能级图探究氢原子光谱。 科学态度与责任：感知各种物体都有波粒二象性和能级跃迁，感受人类对物质世界认识的不断进步，深刻地改变了人类社会。 知识点一　波粒二象性 1.光的本质 （1）17世纪，牛顿主张　微粒说　，而惠更斯认为光是一种　波　。 （2）19世纪，麦克斯韦更进一步说明：光是一种　电磁波　。 （3）19世纪末，包括光电效应等现象，证明了光具有　粒子性　。 2.光子：爱因斯坦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。 3.波粒二象性：光既有　波动性　又具有　粒子性　。 知识点二　能量量子化 1.能级 （1）定义：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　量子化的能量值称为能级。 （2）特点 ①原子处于能量　最低　的状态，这是最稳定的状态。 ②原子在某些情况下，可能会变到　能量较高　的状态。 ③原子能量取值不是任意的，只能取　分立　的若干个数值。 2.跃迁 （1）定义：当氢原子的能量发生变化时，只能从某个能级“跳跃”到另一个能级，这个过程称为跃迁。 （2）特点 ①从较低的能级跃迁到较高的能级，必须　吸收　能量。 ②从较高的能级跃迁到较低的能级，必须　释放　能量。 ③跃迁过程中吸收或释放出的能量都等于两能级的　能量差　。 1.判断正误。 （1）普朗克认为振动着的带电微粒的能量是不连续的。（　√　） （2）牛顿认为光是一种电磁波。（　×　） （3）光只具有粒子性。（　×　） （4）爱因斯坦认为在空间传播的光是不连续的，并提出了光子的概念。（　√　） 2.思考题。 如图所示，为什么原子的发射光谱是一些分立的亮线？ 提示：原子的能级是分立的，原子自发地从高能级向低能级跃迁释放的光子能量也是分立的，因此原子的发射光谱是一些分立的亮线。 要点一　对波粒二象性的理解 1.光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同。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。 2.只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现。光的波动性和粒子性是统一的。 关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是（　C　） A.光的波粒二象性说明光具有波动性时不具有粒子性，具有粒子性时不具有波动性 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A、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，故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。 1.关于光的本性，下列说法中正确的是（　　） A.关于光的本性，牛顿提出“微粒说”，惠更斯提出“波动说”，爱因斯坦提出“光子说”，它们都说明了光的本性 B.光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子 C.光的干涉、衍射现象说明光具有粒子性 D.光电效应说明光具有粒子性 解析：D　光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒。某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象。某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象。要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系，D正确。 2.下列关于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.大量光子的行为往往显示出粒子性 解析：C　光具有波粒二象性，即具有波动性和粒子性，A错误；光子不是实物粒子，电子为实物粒子，故B错误；光的波长越长，其波动性越明显；波长越短，其粒子性越明显，C正确；大量光子的行为显示波动性，D错误。 要点二　对能量量子化的理解 1.能量子 （1）普朗克假设 振动着的带电微粒能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。即能量的辐射或者吸收只能是一份一份的。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 （2）能量子的大小 ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34 J·s。（一般取h＝6.63×10－34 J·s） （3）能量的量子化 在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。这种现象叫能量的量子化。 2.能级 （1）对能级定义的理解 原子处于最低的能级时，原子是最稳定的；原子处于高能级时，原子是不稳定的，会向低能级跃迁。 （2）特点 ①原子从低能级向高能级跃迁需要吸收能量，等于前后两个能级之差。 ②原子从高能级可以自发地向低能级跃迁，跃迁释放出光子的能量等于前后两个能级之差。 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　） 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。故A正确。 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.〔多选〕以下宏观概念中，哪些是“量子化”的（　　） A.物体的带电荷量 B.物体的质量 C.物体的动能 D.学生的个数 解析：AD　所谓“量子化”就是不连续的，是一份一份的，故选A、D。 2.〔多选〕下列有关于原子能级的说法中正确的是（　　） A.原子的能量是量子化的，只能是一系列不连续的值 B.原子通常处于能量最低的基态 C.原子从某个能级跃迁到另一能级时，辐射（或吸收）一定频率的光子 D.原子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率 解析：ABC　A、B、C三项其核心是原子定态概念的引入与能量跃迁学说的提出，也就是“量子化”的概念，原子的能量是不连续的，只能是一系列分立的值，原子通常处于能量较低的状态，当发生能级跃迁时，要吸收或放出一定频率的光子，原子辐射的能量与电子在某一可能轨道上绕核的运动无关，则A、B、C正确，D项错误。 要点回眸 1.有关光的本性，下列说法正确的是（　　） A.光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对立的 B.光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点 C.大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性 D.由于光既有波动性，又有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性 解析：D　19世纪初，人们成功地在实验中观察到了光的干涉、衍射现象，这属于波的特性，微粒说无法解释；但到了19世纪末又发现了光的新现象——光电效应，这种现象波动说不能解释，证实光具有粒子性。因此，光既具有波动性，又具有粒子性，但不同于宏观的机械波和机械粒子，波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，只能认为光具有波粒二象性，故选项A、B、C错误，D正确。 2.〔多选〕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正比 D.这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的 解析：BC　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正确；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〕对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点下列说法正确的有（　　） A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收的 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：ABD　根据普朗克的量子理论，能量是不连续的，其辐射和吸收的能量只能是某一最小能量单位的整倍数，故A、B、D正确，C错误。 4.（2026·四川南充12月段考）波长从10纳米到121纳米范围内的紫外光可用于芯片制备。上述范围内最长波长与最短波长的光子能量之比约为（　　） A.1∶2 B.1∶12 C.12∶1 D.2∶1 解析：B　根据光子能量公式ε＝h代入数据可得波长从10纳米到121纳米范围内最长波长与最短波长的光子能量之比约1∶12，故选B。 1.最早提出量子假说的物理学家是（　　） A.爱因斯坦 B.牛顿 C.开普勒 D.普朗克 解析：D　普朗克是量子力学的奠基者，被称为量子力学之父。故D正确。 2.下列说法中正确的是（　　） A.光子说否定了光的电磁说 B.光电效应现象反映了光的粒子性 C.光电效应证明了光的粒子性，从而否定了光的波动性 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：B　光既具有粒子性，又具有波动性，但这两种特性并不矛盾。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。光电效应反映了光的粒子性，但并没有否定光的波动性。少量光子产生的效果往往粒子性比较明显，大量光子往往表现出波动性，所以只有B项正确。 3.红、橙、黄、绿四种光的波长逐渐减小，那么这四种光每份能量最小的是（　　） A.红光　　B.橙光 C.黄光　　D.绿光 解析：A　由光速、波长与频率的关系：c＝νλ知四种光的波长逐渐减小，则其频率应逐渐增大，根据普朗克能量子公式知每个能量子的能量和频率成正比，所以四种光中频率最小的红光能量最小，故A正确。 4.一个氢原子从低能级跃迁到高能级，该氢原子（　　） A.吸收光子，吸收光子的能量等于两能级之差 B.吸收光子，能量减少 C.放出光子，能量增加 D.放出光子，放出光子的能量等于两能级之差 解析：A　氢原子能级越高对应的能量越大，当氢原子从较低能级向较高能级跃迁时，吸收光子，能量增加，吸收光子的能量等于两能级之差，A正确，B、C、D错误。 5.〔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 解析：ABD　原子处于能量越低的状态越稳定，C错误。 6.〔多选〕对光的认识，下列说法中正确的是（　　） A.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 B.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的 C.光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不具有波动性了 D.光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显 解析：ABD　个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光的传播表现为波动性；光的波动性与粒子性都是光的本质属性，因为波动性表现为粒子分布概率，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，因此大量粒子的行为呈现出波动规律，则A、B、D正确，C错误。 7.〔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，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线 解析：CD　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C、D正确。 8.光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400～700 nm。400 nm、700 nm电磁辐射的能量子的值各是多少？（h＝6.63×10－34 J·s） 答案：4.97×10－19 J　2.84×10－19 J 解析：根据公式ν＝和ε＝hν可知： 400 nm对应的能量子ε1＝h＝6.63×10－34× J≈4.97×10－19 J。 700 nm对应的能量子ε2＝h ＝6.63×10－34× J≈2.84×10－19 J。 9.如图所示，某原子三个能级的能量分别为E1、E2和E3，a、b、c为原子跃迁时所发出的三种波长的光，下列判断正确的是（　　） A.E1＞E2＞E3 B.E3－E2＞E2－E1 C.b光的波长最长 D.c光的频率最高 解析：D　电子由高能级向低能级跃迁时辐射光子，所以E1＜E2＜E3，A错误；由能级图及hν＝Em－En知，E3－E1＞E2－E1＞E3－E2，即νc＞νb＞νa，又λ＝，所以λc＜λb＜λa，故B、C错误，D正确。 10.（2026·四川自贡12月月考）人眼对绿光最为敏感，如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。现有一个光源以0.1 W的功率均匀地向各个方向发射波长为530 nm的绿光，假设瞳孔在暗处的直径为4 mm，且不计空气对光的吸收。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光在真空中速度c＝3×108 m/s。求： （1）一个光子的能量； （2）光源每秒发射光子数； （3）眼睛最远在多大距离处能够看到这个光源。 答案：（1）3.75×10－19 J　 （2）2.67×1017个 （3）2.11×105 m 解析：（1）一个光子的能量为ε＝hν＝h＝6.63×10－34× J≈3.75×10－19 J。 （2）设光源每秒发出的光子的个数为n＝＝≈2.67×1017个。 （3）光子以球面波的形式传播，故以光源为球心的球面上的光子数相同，人眼瞳孔面积S＝ 由题意，如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉到，也就是说在瞳孔所处的球面上要保证每秒不少于6个绿光的光子射入瞳孔，设人眼距光源的距离为r，那么以光源为球心、以光源到人眼距离为半径的球面的表面积为S'＝4πr2 所以S≥6 联立以上各式解得r≤2.11×105 m 则眼睛能够看到这个光源的最远距离约为2.11×105 m。 11.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 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 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $