第五章 第三节第四节.docx

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第五章第三节第四节

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0.1220μm的紫外线的光子能量为________J.

答案　1.63×10－18

解析　波长是0.1220μm的紫外线的光子能量E＝hν＝h

＝6.63×10－34×

J≈1.63×10－18J.

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＝

.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＝h

，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

＝6.6×10－7m，则在垂直于太阳光的S＝1m2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

0＝h

，

在1m2面积上，1s内得到的阳光总能量为E＝Pt，接收到的光子个数

N＝

＝

＝

＝

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＝h

.

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．hνB.

Nhν

C．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1

A．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　ABD

8．（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0.10W，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1.0s内发光的总能量为：

E＝Pt＝0.10×1.0J＝0.10J

一个光子的能量为：

E1＝h

＝6.63×10－34×

J＝4.42×10－19J

在1.0s时间内激光笔发出的光子数：

N＝

＝

个≈2.26×1017个．