2017-2018學(xué)年高中物理第6章相對(duì)論與量子論初步第2節(jié)量子世界教學(xué)案魯科版必修2

1、第 2 節(jié)量子世界黑體模型：一個(gè)能完全吸收熱輻射而不反射熱輻射的物體。2.物質(zhì)輻射（或吸收）的能量E只能是某一最小能量 單位的整數(shù)倍，即E=ne,e=hv o3光具有波粒二象性，在一定條件下，突出地表現(xiàn) 出粒子性，實(shí)質(zhì)為不連續(xù)性，而在另一條件下，又突 出地表現(xiàn)出波動(dòng)性。4.物質(zhì)波（概率波）：靜止的質(zhì)量不為零的物質(zhì)（如電I子），具有波的性質(zhì)。、,” ”，具有波的性質(zhì)。Cv課削口主學(xué)習(xí)荃桶才能樓肩一、“紫外災(zāi)難”1黑體黑體是一個(gè)理想模型，即一個(gè)能完全吸收熱輻射而不反射熱輻射的物體。J2紫外災(zāi)難人們發(fā)現(xiàn)黑體的單色輻出度與黑體的輻射波波長(zhǎng)和溫度有關(guān)，并得出了黑體的單色輻出度與輻射波波長(zhǎng) 入（卩m）、溫

2、度T（K）之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線， 該實(shí)驗(yàn)曲線與從經(jīng)典物理理論導(dǎo) 出的結(jié)果在紫外區(qū)相矛盾，故人們稱其為黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。二、不連續(xù)的能量1普朗克的量子假說認(rèn)為物質(zhì)輻射（或吸收）的能量E只能是某一最小能量單位的整數(shù)倍。E=ne,n=1,2,32輻射是由一份份的能量組成的，輻射中的一份能量就是一個(gè)量子，量子的能量大小取決于輻射的波長(zhǎng)，量子的能量e與波長(zhǎng)成反比與頻率v成正比，即e=hv=hfo公式中的h是普朗克常數(shù)，數(shù)值為6.626 176X10一34Js,這是普朗克引進(jìn)的一個(gè)物理普適常數(shù)，它是微觀現(xiàn)象量子特性的表征。三、物質(zhì)的波粒二象性1光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性，光的干涉、衍射、偏振

3、現(xiàn)象表明光具有 波動(dòng)性，光既有波動(dòng)性又有粒子性，把這種性質(zhì)叫做光的波粒二象性。2德布羅意進(jìn)一步提出物質(zhì)波理論：每個(gè)物質(zhì)粒子都伴隨著一種波，這種波稱為物質(zhì)2波，又叫概率波。戴維孫、革末及湯姆孫的電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了物質(zhì)波的存在。3._光與靜止質(zhì)量不為零的物質(zhì)都具有波粒二象性。粒子性或量子性的本質(zhì)在于不連續(xù) _性；波動(dòng)性的實(shí)質(zhì)在于對(duì)微觀物體狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)描述的不確定性，不能把物質(zhì)波理解為經(jīng)典的機(jī)械波和電磁波。1自主思考一一判一判(1)首先提出量子理論的科學(xué)家是愛因斯坦。(X)(2)黑體的單色輻出度與黑體的輻射波波長(zhǎng)和溫度有關(guān)。(V)(3)個(gè)量子就是組成物質(zhì)的最小微粒，如原子、分子。(X)(4)個(gè)別光子的

4、行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性。(5)光具有波粒二象性說明有的光是波，有的光是粒子。(X)輻射的能量是一份一份的，因此物體的動(dòng)能也是一份一份的。(X)2.合作探究一一議一議(1)你覺得夏天穿什么顏色的衣服最熱？為什么？*提示：夏天穿黑色衣服比穿淺色衣服感覺要熱得多，因?yàn)楹谏路諢彷椛涞哪芰慷?，反射熱輻射的能量少，因而感覺要熱得多。(2)按照量子理論，對(duì)應(yīng)于3.4X1019J能量的量子，其電磁輻射的頻率約是多少？192 an提示：根據(jù)公式e=hv得，v=663X10彳彳Hz5.13X1014Hz。AL(3)宏觀物體與微觀粒子行為的差異有哪些？二者遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分別是什么？提示：

5、宏觀物體具有粒子性，遵循經(jīng)典力學(xué)規(guī)律；微觀粒子同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性，即在微觀世界，粒子具有波粒二象性。它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律無法用經(jīng)典力學(xué)來說明，能夠正確描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本“武器”是相對(duì)論和量子力學(xué)。/(V)3黑體輻射的理解屯通知識(shí)i黑體模型的理解黑體只是一種理想模型， 但如果做一個(gè)閉合的空腔， 在空腔表面開一個(gè)小孔， 該空腔就 可以模擬黑體，如圖6-2-1所示。這是因?yàn)閺耐饷嫔鋪淼妮椛洌?經(jīng)小孔射入空腔，要在腔壁 上經(jīng)過多次反射，才可能有機(jī)會(huì)射出小孔。 在多次反射過程中， 外面射來的輻射幾乎全部被腔壁吸收。2.黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋(1)維恩公式解釋：1896年，德國(guó)物理學(xué)家維恩從熱力學(xué)理

6、論出發(fā)，得到了一個(gè)公式，但它只是在短波部分與實(shí)驗(yàn)相符，而在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)存在明顯的差異(如圖6-2-2所示)。(2)瑞利公式解釋：1900年，英國(guó)物理學(xué)家瑞利從經(jīng)典電磁理論出發(fā)推導(dǎo)出一個(gè)公式，其預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6-2-2所示，在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)吻合， 在短波部分偏差較大， 尤其在紫外區(qū) 域，當(dāng)波長(zhǎng)趨于零時(shí)，輻射本領(lǐng)將趨于無窮大，顯然這是荒謬的，這種情況被人們稱為“紫外災(zāi)難”。圖6-2-26通題組i黑體輻射的“紫外災(zāi)難”是指()A.紫色的自然災(zāi)害B.實(shí)驗(yàn)曲線與經(jīng)典物理理論的計(jì)算結(jié)果不符合，該結(jié)果出現(xiàn)在紫外區(qū)，故稱為黑體輻射的“紫外災(zāi)難”諜堂譏練設(shè)計(jì)舉一能通4C.黑體溫度達(dá)到一定值時(shí)，物體輻射的全部是紫

7、外線D.黑體溫度達(dá)到一定值時(shí)，物體輻射的全部是紫色解析：選B實(shí)驗(yàn)曲線與經(jīng)典物理理論的計(jì)算結(jié)果不符合，隨著波長(zhǎng)變短，即向紫外區(qū)延伸時(shí)， 計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線嚴(yán)重不符, 災(zāi)難”。2閱讀如下資料并回答問題。自然界中的物體由于具有一定的溫度,該結(jié)果出現(xiàn)在紫外區(qū)，稱其為黑體輻射的“紫外會(huì)不斷向外輻射電磁波，這種輻射因與溫度有關(guān),故稱為熱輻射。熱輻射具有如下特點(diǎn)： 輻射的能量中包含各種波長(zhǎng)的電磁波； 物體溫度 越高，單位時(shí)間內(nèi)物體表面單位面積上輻射的能量越大；在輻射的總能量中， 各種波長(zhǎng)所占的百分比不同。處于一定溫度的物體在向外輻射電磁能量的同時(shí)，也要吸收由其他物體輻射的電磁能量，如果它處在平衡狀態(tài)，則能

8、量保持不變。若不考慮物體表面性質(zhì)對(duì)輻射與吸收的影響，我們定義一種理想的物體，它能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，這樣的物體稱為黑體，單位時(shí)間內(nèi)從黑體表面單位面積上輻射的電磁波的總能量與黑體絕對(duì)溫度的四次方成正 比，即Po=bT4,其中常量(T=5.67X10一8W/(m2K4)。rkm在下面的問題中，可以把太陽(yáng)簡(jiǎn)單地看做黑體，已知以下有關(guān)數(shù)據(jù)，太陽(yáng)半徑R=696 000太陽(yáng)表面的溫度T=5 770 K,太陽(yáng)熱輻射能量的絕大多數(shù)集中在波長(zhǎng)為2X10-71X10的范圍內(nèi)。(1)求太陽(yáng)熱輻射相應(yīng)的頻率范圍。(2)每小時(shí)從太陽(yáng)表面輻射的總能量為多少？8C3X10!5,V1=Hz=1.5X10 H

9、z2X10解析：(1)由V=入V2= Hf-5Hz=3X1013Hz1X10所以輻射頻率范圍是3X1013每小時(shí)從太陽(yáng)表面輻射的總能量為151.5X10 Hz。E=Po 4 nR2t=4n b氏Tt=4X3.14X5.67X10-8X(6.96X108)2X5 7704X3 600 J30=1.38X10 J。答案：(1)3X10131.5X1015Hz (2)1.3 8X1030J5通知識(shí)1量子化假設(shè)：普朗克提出物質(zhì)輻射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量單位的整6數(shù)倍，E=n& ,n=1,2,3n叫做量子數(shù)。量子的能量e=hv=亍。式中h為普朗克常量入（h=6.63x10-34Js

10、），是微觀現(xiàn)象量子特征的表征，v為頻率，c為真空的光速，入為光波的波長(zhǎng)。2量子化的“靈魂”一一不連續(xù)性：在宏觀領(lǐng)域中，量子化（或不連續(xù)性）相對(duì)宏觀量或宏觀尺度極其微小，完全可以忽略不計(jì)。所以宏觀物體（如鉛球沿斜面滾下時(shí)）的動(dòng)能或勢(shì) 能都是連續(xù)變化的 ?？墒窃谖⒂^世界中，能量是量子化的。顯然量子理論與經(jīng)典力學(xué)的連 續(xù)觀念是不同的，這極大地深化了人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。3意義：成功地解決了 “紫外災(zāi)難”問題。通方怎典例已知每秒從太陽(yáng)射到地球上垂直于太陽(yáng)光的每平方米截面上的輻射能為1.4x103J，其中可見光部分約占45%假設(shè)可見光的頻率均為5.5x1014Hz，太陽(yáng)光向各 個(gè)方向的輻射是均勻的，日地

11、間距離R=1.5x1011m,普朗克常量h=6.6x10一34Js，估 算太陽(yáng)每秒輻射的可見光的光子數(shù)約為多少個(gè)（只要求保留兩位有效數(shù)字）。思路點(diǎn)撥解此題可按以下思路:解析因太陽(yáng)光向各個(gè)方向的輻射是均勻的，可認(rèn)為太陽(yáng)每秒輻射的可見光的光子數(shù)等于以太陽(yáng)為球心、日地間距離為半徑的球面上每秒獲得的可見光的光子數(shù)，已知每秒從太陽(yáng)射到地球上垂直于太陽(yáng)光的每平方米截面上的輻射能為（T=1.4x103J,可見光所占的比例為n=45%貝y太陽(yáng)每秒輻射的可見光的能量E=4nRn,而每個(gè)光子的能量ED=hv,則太陽(yáng)每秒輻射的可見光的光子數(shù)E4nR（T n44AN=4.9x10個(gè)。EDhv44答案4.9x10個(gè)量子

12、化假設(shè)的應(yīng)用技巧（1）量子化假設(shè)與傳統(tǒng)的經(jīng)典物理的連續(xù)性概念是不同的，微觀物質(zhì)系統(tǒng)的存在是量子 化的，物體間傳遞的相互作用是量子化的，物體的狀態(tài)及其變化也是量子化的。（2）量子化假設(shè)說明最小能量e=hv由光的頻率決定。要計(jì)算宏觀物體輻射的建立以太陽(yáng)為 中心、以日地 距離為半徑的 球形模型分析每秒內(nèi)太 陽(yáng)輻射的能量根據(jù)光子的能 量計(jì)算光子個(gè) 數(shù)7總能量與光子個(gè)數(shù)的關(guān)系已總=N hv。8（3）由公式c直V=知，假設(shè)已知光在真空中的波長(zhǎng)和速度，便可求出光的頻率。再由 入真s=hv便可知一份光量子的能量。寸通題組1.（多選）關(guān)于量子假說，下列說法正確的是（9為了解決黑體輻射的理論困難，愛因斯坦提出了量

13、子假說A.B.量子假說第一次提出了不連續(xù)的概念C.能量的量子化就是能D.量子假說認(rèn)為光在空間中的傳播是不連續(xù)的解析：選BC普朗克提出了量子假說，他認(rèn)為，物質(zhì)輻射（或吸收）的能量都是不連續(xù)的，是一份一份進(jìn)行的。量子假說不但解決了黑體輻射的理論困難,而且重要的是提出了“量子”概念，揭開了物理學(xué)上嶄新的一頁(yè),B、C正確。f 若有N個(gè)頻率為v的光子 亠* J打在硅光電池的極板上，這些光子的總能量為（h為普朗克常數(shù)）（）2.硅光電池是利用光電效應(yīng)將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能的。C. Nhv1B-Nhv2JD.2Nhv解析：選C根據(jù)普朗克量子假說，每個(gè)光子能量為E=Ne=Nhv，故C正確。=hv,所以N個(gè)光子

14、的總能量3.試計(jì)算:（1）波長(zhǎng)為0.6im的可見光，其光子的能量為_ ?波長(zhǎng)為0.01 nm的X光（即倫琴射線），其光子的能量為 解析：（1）該可見光的波長(zhǎng)為入=0.6所以，該光子的能量為6m= 0.6 X 10 mc343X108E=hT=6.63X10X0.6X106 J=3.3X10 J。這種X光的波長(zhǎng)為11入=0.01 nm=1X10 m故這種X光的能量為8c一343X10E= h=6.63X10Xf J入1X10=1.99X1014J。一19答案：(1)3.3X10 J (2)1.99X10-14J10通知識(shí)1.光具有波粒二象性，但它不同于宏觀觀念的波，也不同于微觀觀念的粒子。2光（

15、或物質(zhì)）的粒子性與波動(dòng)性是同時(shí)存在的，只是在條件不同時(shí)，二者表現(xiàn)出的優(yōu) 勢(shì)不同。3.光具有波粒二象性是在不同條件下表現(xiàn)的特性，大量光子表現(xiàn)為波動(dòng)性，個(gè)別光子 表現(xiàn)為粒子性。4由于宏觀物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)量（p=mV較大，根據(jù)德布羅意波長(zhǎng)與動(dòng)量的關(guān)系入=-，其波P長(zhǎng)非常小，很難觀察到它們的干涉、衍射等波的現(xiàn)象，但它們?nèi)匀痪哂胁▌?dòng)性。0通題組1.下列關(guān)于光的波粒二象性的說法中，正確的是（）A.有的光是波，有的光是粒子B.光子與電子是同樣一種粒子C.光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其波動(dòng)性越顯著；波長(zhǎng)越短，其粒子性越顯著D.大量光子的行為往往顯示出粒子性解析：選C一切光都具有波粒二象性，光的有些行為（如干涉、衍射）表現(xiàn)出波動(dòng)性

16、，有些行為（如光電效應(yīng)）表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子，A錯(cuò)誤；雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實(shí)物粒子，有靜質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒有靜質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場(chǎng)形式存在的物質(zhì)，所 以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，B錯(cuò)誤；光的波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性。光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象越明顯，即波動(dòng)性越顯著；光的波長(zhǎng)越短，其光子能量越大，個(gè)別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應(yīng)，所以其粒子性就很顯著，C正確，D錯(cuò)誤。2.物質(zhì)波的波長(zhǎng)公式為 入=-，其中p是物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量，大

17、小為mv h是普朗克常p量。試估算運(yùn)動(dòng)員跑步時(shí)的德布羅意波長(zhǎng)，說明為什么我們觀察不到運(yùn)動(dòng)員的波動(dòng)性？解析：設(shè)運(yùn)動(dòng)員跑步時(shí)的速度v=10 m/s,質(zhì)量 仆60 kg，則動(dòng)量p=mv=600 kgm/s,-34相應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為入=-=6.63二 m=1.1x10-36mp600由于這個(gè)波長(zhǎng)太小了， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于日常物體的尺寸， 所以我們無法觀察到運(yùn)動(dòng)員的德布羅 意波的干涉和衍射等現(xiàn)象，也就是觀察不到運(yùn)動(dòng)員的波動(dòng)性?？键c(diǎn)三波粒二象性的理解11諜石層級(jí)訓(xùn)練，步卅提幵能力、基礎(chǔ)題熟1普朗克量子假說使得愛因斯坦深受啟發(fā)，愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時(shí)猜測(cè)光具有粒 子性，從而提出光子說，從科學(xué)研究的方法來說，這屬

18、于A.等效替代C.科學(xué)假說解析：選D同學(xué)們的人數(shù)只能是整數(shù)，是不連續(xù)的，是“量子化”的；其他如質(zhì)量、1 2D正確。德布羅意認(rèn)為，任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)都有 種波和它對(duì)應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波D.宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)， 看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)不具有波動(dòng)性 解析：選C物質(zhì)波是一切運(yùn)動(dòng)著的物體所具有的波，與機(jī)械波性質(zhì)不同；宏觀物體也 具有波動(dòng)性，只是波長(zhǎng)太短，干涉、衍射現(xiàn)象極不明顯，看不出來，故C正確。5.下列說法中正確的是（）答案：見解析B.控制變量.數(shù)學(xué)歸納解析：選C根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出理論支持,物理學(xué)上把這種研究方法稱為“科學(xué)假說”。2.以下宏觀概念，哪些是

19、“量子化”的A.木棒的長(zhǎng)度物體的質(zhì)量C.物體的動(dòng)量同學(xué)們的人數(shù)長(zhǎng)度、動(dòng)量可取任意數(shù)值，不是“量子化”的，故3.（多選）下列說法中正確的是A.光與靜止質(zhì)量不為零的物質(zhì)都具有波粒二象性B.物質(zhì)波是概率C.康普頓效應(yīng)證明光具有波動(dòng)性電子的衍射現(xiàn)象證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的解析：選ABD任何物質(zhì)都具有波粒二象性，選項(xiàng)A正確；物質(zhì)波又稱為概率波，選項(xiàng)D.B正確；康普頓效應(yīng)證明光具有粒子性，而不是證明光具有波動(dòng)性，選項(xiàng) 射現(xiàn)象證明了實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，即物質(zhì)波，選項(xiàng)D正確。I八1下列說法中正確的是（）J/ v物質(zhì)波屬于機(jī)械波只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動(dòng)性C錯(cuò)誤；電子的衍4.A.B.C.

20、12A.光的波粒二象性學(xué)說是牛頓的微粒說和惠更斯的波動(dòng)說組成的B.光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論C.光子學(xué)說并沒有否定電磁說，在光子能量S=hv中，V表示波的特性，表示粒 子的特性D.光波不同于宏觀概念中的那種連續(xù)的波，它是反映光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種幾率波解析：選D解答本題必須掌握一定的物理學(xué)史，了解波粒二象性學(xué)說的由來及與其他 學(xué)說的區(qū)別與聯(lián)系。現(xiàn)在人們對(duì)光的普遍認(rèn)識(shí)為受波動(dòng)規(guī)律支配的幾率波。6.下列關(guān)于物質(zhì)波的說法中，正確的是（）A.物質(zhì)波是由近及遠(yuǎn)地進(jìn)行傳播的B.某種實(shí)物粒子的物質(zhì)波是沒有一定規(guī)律的C.一個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)是受波動(dòng)規(guī)律支配的D.牛頓定律對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體不適用解析：

21、選D物質(zhì)波是幾率波，不是由近及遠(yuǎn)地進(jìn)行傳播的，而是在空間出現(xiàn)的幾率表現(xiàn)為波的性質(zhì)，A錯(cuò)誤；某種實(shí)物粒子的物質(zhì)波波長(zhǎng)為入=-是有一定規(guī)律的，B錯(cuò)誤；一P個(gè)光子的波動(dòng)性本質(zhì)是幾率波，其運(yùn)動(dòng)是不受波動(dòng)規(guī)律支配的，C錯(cuò)誤；牛頓定律是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，它適用于低速物體，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體不適用，D正確。二、易錯(cuò)題窗明7. （多選）下列說法正確的是（）A.黑體看上去是黑的，因此稱為黑體B.德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了能量的量子化假說，解決了黑體輻射的理論困難，揭開 了物理學(xué)嶄新的一頁(yè)C.所謂量子或量子化，本質(zhì)是不連續(xù)的，普朗克常數(shù)是微觀現(xiàn)象量子特性的表征D.能量子的值非常小，研究宏觀世界時(shí)一般測(cè)不到能量子效應(yīng)，因此在微觀世界里， 量子化是顯著的解析：選BCD一個(gè)能完全吸收熱輻射而不反射熱輻射的物體，稱之為黑體，黑體是一 種理想化物理模型。&目前，許多手機(jī)都具有雙頻功能，若某款手機(jī)分別使用900 MHz或者1 800 MHz收發(fā)信號(hào)。如果用900 MHz收發(fā)信號(hào)，則一個(gè)光子攜帶的能量約為（h=6.63X1