2017_2018學(xué)年高中物理第6章相對論與量子論初步第2節(jié)量子世界教學(xué)案魯科版.docx

第2節(jié) 量子世界1黑體模型：一個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En，h。3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)出波動性。4物質(zhì)波(概率波)：靜止的質(zhì)量不為零的物質(zhì)(如電子)，具有波的性質(zhì)。 一、 “紫外災(zāi)難”1黑體黑體是一個理想模型，即一個能完全吸收熱輻射而不反射熱輻射的物體。2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和溫度有關(guān)，并得出了黑體的單色輻出度與輻射波波長(m)、溫度T(K)之間關(guān)系的實驗曲線，該實驗曲線與從經(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。En，n1,2,32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量子，量子的能量大小取決于輻射的波長，量子的能量與波長成反比與頻率成正比，即hh。公式中的h是普朗克常數(shù)，數(shù)值為6.626 1761034 Js，這是普朗克引進(jìn)的一個物理普適常數(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、偏振現(xiàn)象表明光具有波動性，光既有波動性又有粒子性，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：每個物質(zhì)粒子都伴隨著一種波，這種波稱為物質(zhì)波，又叫概率波。戴維孫、革末及湯姆孫的電子衍射實驗證實了物質(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；波動性的實質(zhì)在于對微觀物體狀態(tài)及運動描述的不確定性，不能把物質(zhì)波理解為經(jīng)典的機(jī)械波和電磁波。1自主思考判一判(1)首先提出量子理論的科學(xué)家是愛因斯坦。()(2)黑體的單色輻出度與黑體的輻射波波長和溫度有關(guān)。()(3)一個量子就是組成物質(zhì)的最小微粒，如原子、分子。()(4)個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性。()(5)光具有波粒二象性說明有的光是波，有的光是粒子。()(6)輻射的能量是一份一份的，因此物體的動能也是一份一份的。()2合作探究議一議(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，因為黑色衣服吸收熱輻射的能量多，反射熱輻射的能量少，因而感覺要熱得多。(2)按照量子理論，對應(yīng)于3.41019 J能量的量子，其電磁輻射的頻率約是多少？提示：根據(jù)公式h得， Hz5.131014 Hz。(3)宏觀物體與微觀粒子行為的差異有哪些？二者遵循的運動規(guī)律分別是什么？提示：宏觀物體具有粒子性，遵循經(jīng)典力學(xué)規(guī)律；微觀粒子同時具有粒子性和波動性，即在微觀世界，粒子具有波粒二象性。它們的運動規(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動規(guī)律的基本“武器”是相對論和量子力學(xué)。黑體輻射的理解1黑體模型的理解黑體只是一種理想模型，但如果做一個閉合的空腔，在空腔表面開一個小孔，該空腔就可以模擬黑體，如圖621所示。這是因為從外面射來的輻射，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。圖6212黑體輻射實驗規(guī)律的解釋 (1)維恩公式解釋：1896年，德國物理學(xué)家維恩從熱力學(xué)理論出發(fā)，得到了一個公式，但它只是在短波部分與實驗相符，而在長波部分與實驗存在明顯的差異(如圖622所示)。(2)瑞利公式解釋：1900年，英國物理學(xué)家瑞利從經(jīng)典電磁理論出發(fā)推導(dǎo)出一個公式，其預(yù)測結(jié)果如圖622所示，在長波部分與實驗吻合，在短波部分偏差較大，尤其在紫外區(qū)域，當(dāng)波長趨于零時，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6221黑體輻射的“紫外災(zāi)難”是指()A紫色的自然災(zāi)害B實驗曲線與經(jīng)典物理理論的計算結(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”C黑體溫度達(dá)到一定值時，物體輻射的全部是紫外線D黑體溫度達(dá)到一定值時，物體輻射的全部是紫色解析：選B實驗曲線與經(jīng)典物理理論的計算結(jié)果不符合，隨著波長變短，即向紫外區(qū)延伸時，計算的結(jié)果與實驗曲線嚴(yán)重不符，該結(jié)果出現(xiàn)在紫外區(qū)，稱其為黑體輻射的“紫外災(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，會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：輻射的能量中包含各種波長的電磁波；物體溫度越高，單位時間內(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，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)，則能量保持不變。若不考慮物體表面性質(zhì)對輻射與吸收的影響，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溫度的四次方成正比，即P0T4，其中常量5.67108 W/(m2K4)。在下面的問題中，可以把太陽簡單地看做黑體，已知以下有關(guān)數(shù)據(jù)，太陽半徑R696 000 km，太陽表面的溫度T5 770 K，太陽熱輻射能量的絕大多數(shù)集中在波長為21071105 m的范圍內(nèi)。(1)求太陽熱輻射相應(yīng)的頻率范圍。(2)每小時從太陽表面輻射的總能量為多少？解析：(1)由得，1 Hz1.51015 Hz2 Hz31013 Hz所以輻射頻率范圍是310131.51015 Hz。(2)每小時從太陽表面輻射的總能量為EP04R2t4R2T4t43.145.67108(6.96108)25 77043 600 J1.381030 J。答案：(1)310131.51015 Hz(2)1.381030 J量子化的應(yīng)用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數(shù)倍，En，n1,2,3n叫做量子數(shù)。量子的能量h。式中h為普朗克常量(h6.631034 Js)，是微觀現(xiàn)象量子特征的表征，為頻率，c為真空的光速，為光波的波長。2量子化的“靈魂”不連續(xù)性：在宏觀領(lǐng)域中，量子化(或不連續(xù)性)相對宏觀量或宏觀尺度極其微小，完全可以忽略不計。所以宏觀物體(如鉛球沿斜面滾下時)的動能或勢能都是連續(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物質(zhì)世界的認(rèn)識。3意義：成功地解決了“紫外災(zāi)難”問題。典例已知每秒從太陽射到地球上垂直于太陽光的每平方米截面上的輻射能為1.4103 J，其中可見光部分約占45%。假設(shè)可見光的頻率均為5.51014 Hz，太陽光向各個方向的輻射是均勻的，日地間距離R1.51011 m，普朗克常量h6.61034 Js，估算太陽每秒輻射的可見光的光子數(shù)約為多少個(只要求保留兩位有效數(shù)字)。思路點撥解此題可按以下思路：解析因太陽光向各個方向的輻射是均勻的，可認(rèn)為太陽每秒輻射的可見光的光子數(shù)等于以太陽為球心、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)，已知每秒從太陽射到地球上垂直于太陽光的每平方米截面上的輻射能為1.4103 J，可見光所占的比例為45%，則太陽每秒輻射的可見光的能量E4R2，而每個光子的能量E0h，則太陽每秒輻射的可見光的光子數(shù)N4.91044個。答案4.91044個量子化假設(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h由光的頻率決定。要計算宏觀物體輻射的總能量與光子個數(shù)的關(guān)系E總Nh。(3)由公式知，假設(shè)已知光在真空中的波長和速度，便可求出光的頻率。再由h便可知一份光量子的能量。1(多選)關(guān)于量子假說，下列說法正確的是()A為了解決黑體輻射的理論困難，愛因斯坦提出了量子假說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量的不連續(xù)化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，B、C正確。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。若有N個頻率為的光子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))()AhB.NhCNh D2Nh解析：選C根據(jù)普朗克量子假說，每個光子能量為h，所以N個光子的總能量ENNh，故C正確。3試計算：(1)波長為0.6 m的可見光，其光子的能量為_；(2)波長為0.01 nm的X光(即倫琴射線)，其光子的能量為_。解析：(1)該可見光的波長為0.6 m0.6106 m所以，該光子的能量為Eh6.631034 J3.31019 J。(2)這種X光的波長為0.01 nm11011 m故這種X光的能量為Eh6.631034 J1.991014 J。答案：(1)3.31019 J(2)1.991014 J波粒二象性的理解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(或物質(zhì))的粒子性與波動性是同時存在的，只是在條件不同時，二者表現(xiàn)出的優(yōu)勢不同。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)為波動性，個別光子表現(xiàn)為粒子性。4由于宏觀物體運動動量(pmv)較大，根據(jù)德布羅意波長與動量的關(guān)系，其波長非常小，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▌有浴?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光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，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)出波動性，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，但電子是實物粒子，有靜質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，B錯誤；光的波粒二象性的理論和實驗表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性。光的波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，即波動性越顯著；光的波長越短，其光子能量越大，個別或少數(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錯誤。2物質(zhì)波的波長公式為，其中p是物體運動的動量，大小為mv，h是普朗克常量。試估算運動員跑步時的德布羅意波長，說明為什么我們觀察不到運動員的波動性？解析：設(shè)運動員跑步時的速度v10 m/s，質(zhì)量m60 kg，則動量pmv600 kgm/s，相應(yīng)的德布羅意波長為 m1.11036 m由于這個波長太小了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于日常物體的尺寸，所以我們無法觀察到運動員的德布羅意波的干涉和衍射等現(xiàn)象，也就是觀察不到運動員的波動性。答案：見解析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)時猜測光具有粒子性，從而提出光子說，從科學(xué)研究的方法來說，這屬于()A等效替代B控制變量C科學(xué)假說 D數(shù)學(xué)歸納解析：選C根據(jù)實驗現(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“量子化”的()A木棒的長度 B物體的質(zhì)量C物體的動量 D同學(xué)們的人數(shù)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、長度、動量可取任意數(shù)值，不是“量子化”的，故D正確。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)波是概率波C康普頓效應(yīng)證明光具有波動性D電子的衍射現(xiàn)象證實了物質(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A正確；物質(zhì)波又稱為概率波，選項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性，選項C錯誤；電子的衍射現(xiàn)象證明了實物粒子也具有波動性，即物質(zhì)波，選項D正確。4下列說法中正確的是()A物質(zhì)波屬于機(jī)械波B只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C德布羅意認(rèn)為，任何一個運動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都有一種波和它對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波D宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運動時不具有波動性解析：選C物質(zhì)波是一切運動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性，只是波長太短，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()A光的波粒二象性學(xué)說是牛頓的微粒說和惠更斯的波動說組成的B光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋的電磁場理論C光子學(xué)說并沒有否定電磁說，在光子能量h中，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，它是反映光子運動規(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?，F(xiàn)在人們對光的普遍認(rèn)識為受波動規(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某種實物粒子的物質(zhì)波是沒有一定規(guī)律的C一個光子的運動是受波動規(guī)律支配的D牛頓定律對高速運動的宏觀物體不適用解析：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錯誤；某種實物粒子的物質(zhì)波波長為是有一定規(guī)律的，B錯誤；一個光子的波動性本質(zhì)是幾率波，其運動是不受波動規(guī)律支配的，C錯誤；牛頓定律是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，它適用于低速物體，對高速運動的宏觀物體不適用，D正確。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，研究宏觀世界時一般測不到能量子效應(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。8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。如果用900 MHz收發(fā)信號，則一個光子攜帶的能量約為(h6.631034 Js)()A21025 JB41028 JC61025 J D61028 J解析：選C光子的能量為：h6.631034900106 J61025 J，故C正確，A、B、D錯誤。9(多選)對于帶電微粒輻射和吸收能量時的特點，下列說法