【2019-2020】高中物理第五章经典力学与物理学革命第三节量子化现象第四节物理学__人类文明进步的阶梯学案

教学资料范本【2019-2020】高中物理第五章经典力学与物理学革命第三节量子化现象第四节物理学__人类文明进步的阶梯学案粤教版必修2编辑：__________________时间：__________________第三节量子化现象第四节物理学——人类文明进步的阶梯知识目标核心素养1.初步了解微观世界中的量子化现象．知道量子论的主要内容．2．了解光电效应、原子能量的不连续性及光的波粒二象性.1.知道量子论的建立对人类认识世界和科学发展的重要影响．2．了解物理学对人类文明进步的影响.一、量子化现象1．黑体辐射：如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，这一物体就称为黑体．黑体辐射是指黑体发出的电磁辐射．2．光电效应：当用一些波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出，这种现象称为光电效应．从金属表面逸出的电子称为光电子．光电效应的产生取决于光的频率而与光的强度无关．3．光的波粒二象性：大量的实验事实表明，光既具有波动性又具有粒子性，也就是光具有波粒二象性．4．原子光谱：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，当原子从一种能量状态变化到另一种能量状态时，辐射(或吸收)一定频率的光子，辐射(或吸收)光子的能量是不连续的．二、物理学与现代技术物理学的发展推动了科学技术的高速发展，几乎所有重大的新技术领域，如原子能技术、激光技术、电子和信息技术等的创立，都是在物理学中经过了长期的酝酿，在理论上和实验上取得突破，继而转化为技术成果的．1．判断下列说法的正误．(1)量子理论中能量也是连续变化的．(×)(2)一个量子就是组成物质的最小微粒，如原子、分子．(×)(3)辐射的能量是一份一份的，因此物体的动能也是一份一份的．(×)(4)光具有波粒二象性说明有的光是波，有的光是粒子．(×)2．波长是0.122 0 μm的紫外线的光子能量为________J.答案 1.63×10－18解析波长是0.122 0 μm的紫外线的光子能量E＝hν＝hc λ＝6.63×10－34×3×1080.122 0×10－6J≈1.63×10－18 J.一、对量子理论的初步认识1．量子化假设：普朗克提出物质发射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍，E＝nε，n＝1,2,3…n叫做量子数．能量子的能量ε＝hν＝hcλ.式中h为普朗克常量(h＝6.63×10－34J·s)是微观现象量子特征的表征，ν为频率，c为真空中的光速，λ为光波的波长．2．量子化：量子化的“灵魂”是不连续．在宏观领域中，这种量子化(或不连续性)相对于宏观量或宏观尺度极微小，完全可以忽略不计，但在微观世界里，量子化(或不连续)是明显的，微观物质系统的存在，物质之间传递的相互作用、物体的状态及变化等都是量子化的．例1根据量子理论，光子的能量E0＝hν＝hcλ，其中c为真空中的光速、ν为光的频率、λ为光的波长，普朗克常量取h＝6.6×10－34J·s.已知太阳光垂直照射时，每平方米面积上的辐射功率为P＝1.35kW.假设太阳辐射的平均波长为λ＝6.6×10－7m，则在垂直于太阳光的S＝1 m2面积上，每秒钟内可以接收到多少光子？答案 4.5×1021个解析依题意，太阳光平均一个光子的能量为E0＝h cλ，在1 m2面积上，1 s内得到的阳光总能量为E＝Pt，接收到的光子个数N＝EE0＝Pthcλ＝Ptλhc＝1.35×103×1×6.6×10－76.6×10－34×3×108个＝4.5×1021个．针对训练(多选)关于量子假说，下列说法正确的是()A．为了解决黑体辐射的理论困难，爱因斯坦提出了量子假说B．量子假说第一次得出了不连续的概念C．能量的量子化就是能的不连续化D．量子假说认为电磁波在空间中的传播是不连续的答案BC解析普朗克提出了量子假说，认为物质发射和吸收能量时，能量不是连续的，是一份一份进行的．它不但解决了黑体辐射的理论困难，更重要的是提出了“量子”概念，揭开了物理学崭新的一页，选项B、C正确．二、对光电效应的理解1．光子说：爱因斯坦认为，光在传播过程中，是不连续的，它由数值分立的能量子组成，这些能量子叫光量子，也称“光子”，光就是以光速c运动着的光子流，每个光子的能量E＝hν＝hcλ.2．用光子说解释光电效应的规律：当光子照射到金属表面上时，它的能量可以被金属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，不需要积累能量的过程．这就是光电效应的发生用时极短的原因．只有能量足够大，即频率ν足够大的光子照射在金属上，才能使电子获得足够大的动能，克服金属原子核对它的束缚从金属表面飞离出来成为光电子，这就说明发生光电效应入射光的频率必须足够大，而不是光足够强．例2硅光电池是利用光电效应原理制成的，下列表述正确的是()A．硅光电池是把光能转变为电能的一种装置B．硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出C．逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关D．任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应答案 A解析硅光电池把光能转化为电能，A正确；光子的能量取决于光的频率，只有当光子的能量足够大，被硅光电池中的电子吸收后，电子才能从金属中逸出，所以只有当光的频率足够大时才会发生光电效应，B、D错误；逸出的光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大，C错误．1．光电效应能不能产生取决于入射光的频率，只要频率足够大，就可以产生光电效应，与光的照射时间无关．2．单位时间内产生光电子的多少取决于入射光的强度，入射光的强度越强，产生的光电子越多．3．逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大．4．“光电子的最大初动能”与“光电子的动能”的区别光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，就可能向各个方向运动，运动过程中要克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分能量转化为光电子的初动能．所以金属表面的电子，只需克服原子核的引力做功就能逸出，光电子具有的初动能最大，此时的动能叫做光电子的最大初动能．三、对波粒二象性的理解1．光电效应说明光具有粒子性，光的干涉、衍射等实验事实，说明光具有波动性，大量实验事实表明，光既具有波动性又具有粒子性．2．光具有波粒二象性，但在不同情况下表现不同．宏观上，大量光子传播往往表现为波动性；微观上，个别光子在与其他物质发生作用时，往往表现为粒子性．3．光的粒子性不同于宏观观念中的粒子，粒子性的含义是“不连续”的，“一份一份”的．光的波动性也不同于宏观观念中的波，波动规律决定光子在某点出现的概率，是一种概率波．例3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答案 C解析光具有波粒二象性，即光具有波动性和粒子性，A错误；光子不是实物粒子，电子是实物粒子，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出波动性，D错误．1．(量子化的理解)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，下列说法不正确的是()A．辐射是由一份份的能量组成的，一份能量就是一个能量子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答案 C解析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数倍，故A、B、D均正确，C错，所以选C.2．(光电效应的理解)某单色光照射金属时不会产生光电效应，下列措施中可能使该金属产生光电效应的是()A．延长光照时间B．增大光的强度C．换用波长较短的光照射D．换用频率较低的光照射答案 C解析要产生光电效应，入射光的频率必须大于该金属的极限频率，波长越短的光频率越高，当高于极限频率时就能产生光电效应，故C正确．3．(对光的波粒二象性的理解)(多选)在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上，假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子( )A．一定落在中央亮纹处B．一定落在亮纹处C．可能落在暗纹处D．落在中央亮纹处的可能性最大答案CD解析根据光波是概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处．当然也可落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，不过，落在暗纹处的概率很小，故C、D选项正确.一、选择题考点一对能量量子化的理解1．首先提出量子理论的科学家是()A．普朗克 B．迈克尔孙C．爱因斯坦 D．德布罗意答案 A解析为了解释黑体辐射，普朗克首先提出了能量的量子化，故A正确．2．太阳能发电是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能的．假设有N个频率为ν的光子打在硅光电池极板上并完全被转化为电能，则产生的电能为()A．hν B.12 NhνC．NhνD．2Nhν答案 C解析由普朗克量子理论可知，频率为ν的单个光子能量ε＝hν，则N个这样的光子的总能量为Nhν，故C正确．考点二对光电效应的理解3．(多选)光电效应的实验结论是：对于某种金属()A．无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应B．无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应C．超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小D．超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大答案AD解析根据光电效应规律可知，选项A正确；光的频率ν越高，光电子的初动能就越大，选项D正确．4.(多选)如图1所示为光电管电路的示意图，关于光电管电路，下列说法正确的是()图1A．能够把光信号转变为电信号B．电路中的电流是由光电子的运动形成的C．光照射到光电管的A极产生光电子并飞向K极D．光照射到光电管的K极产生光电子并飞向A极答案ABD解析在光电管中，当光照射到阴极K时，将发射出光电子，被A极的正向电压吸引而奔向A极，形成光电流，使电路导通．照射光的强度越大，产生的光电流越大，这样就把光信号转变为电信号，实现了光电转换，故A、B、D正确，C错误．5．关于爱因斯坦的光子说，下列说法正确的是()A．光只是在传播时才是一份一份的B．光既然是一个一个的光子，所以它不可能具有波动性C．空间传播的光是一个一个的光子流，光子的能量与频率有关D．空间传播的光是一个一个的光子流，光子的能量与光的传播速度有关答案 C解析由爱因斯坦的观点可知，光在发射、吸收、传播的各个过程中，都是由一个个能量子组成的，A错误；光的波粒二象性说明微观粒子具有波动性，B错误；光子能量与光的频率有关，而与传播速度无关，C正确，D错误．考点三对光的本性的认识6．为了验证光具有波动性，某同学采用下列做法，其中可行的是()A．让一束光照射到一个轻小物体上，观察轻小物体是否会振动B．让一束光通过一狭缝，观察是否发生衍射现象C．让一束光通过一圆孔，观察是否发生小孔成像D．以上做法均不可行答案 B解析光波是一种概率波，不能理解为质点参与的振动，故A错．光的衍射说明光具有波动性，故B正确．光通过小孔成像，说明了光的直线传播，故C错．7．(多选)对光的认识，以下说法正确的是()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答案ABD8．(多选)波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有()A．光电效应现象揭示了光的粒子性B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释D．光的波粒二象性说明有的光是波，有的光是粒子答案AB解析光电效应揭示了光的粒子性，所以A正确；热中子在晶体上产生衍射图样，即运动的实物粒子具有波的特性，说明中子具有波动性，所以B正确；黑体辐射的实验规律说明电磁辐射具有量子化，即黑体辐射是不连续的、一份一份的，所以黑体辐射可用光的粒子性解释，即C错误；所有的光都具有波粒二象性，D错误．二、非选择题9．(能量子)某激光笔的发光功率为0.10 W，发出波长为0.45μm的红色激光，试计算该激光笔1.0s的时间内所发出的光子个数．(结果保留三位有效数字)答案 2.26×1017个解析激光笔在1.0 s内发光的总能量为：E＝Pt＝0.10×1.0 J＝0.10 J一个光子的能量为：E 1＝hcλ＝6.63×10－34×3×1080.45×10－6J＝4.42×10－19 J在1.0 s时间内激光笔发出的光子数：N＝EE1＝0.104.42×10－19个≈2.26×1017个．11 / 11。