魯科物理必修2 第6章第2節(jié)《量子世界》

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第2節(jié)量子世界 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 第2節(jié) 課前自主學(xué)案 課標(biāo)定位 課標(biāo)定位 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 初步了解普朗克 量子假說 的背景 體會(huì)經(jīng)典力學(xué)的局限性 知道 量子假說 的主要內(nèi)容 2 初步了解愛因斯坦 光量子說 的含義 了解光的微粒說與波動(dòng)說之爭 知道光具有波粒二象性 重點(diǎn)難點(diǎn) 普朗克量子說的主要內(nèi)容及物質(zhì)的波粒二象性 課前自主學(xué)案 一 紫外災(zāi)難 1 熱輻射 因物體中的 受到激發(fā)而發(fā)射出 的現(xiàn)象 說明 物體在任何溫度下都會(huì)發(fā)射出各種波長的 2 黑體 一個(gè)能 熱輻射而 熱輻射出的物體 它是物理學(xué)家為了研究熱輻射的規(guī)律而設(shè)想的一個(gè) 分子 原子 電磁波 電磁波 完全吸收 不反射 理想模型 3 紫外災(zāi)難 1 實(shí)驗(yàn)曲線 人們發(fā)現(xiàn) 黑體的單色輻出度與黑體的輻射波 和 有關(guān) 并得出了黑體的單色輻出度與輻射波 之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線 2 紫外災(zāi)難 在推導(dǎo)符合實(shí)驗(yàn)曲線的公式時(shí) 發(fā)現(xiàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)曲線 這個(gè)與實(shí)驗(yàn)不符的結(jié)果出現(xiàn)在紫外區(qū) 波長 溫度 波長 m 溫度T K 不符 二 不連續(xù)的能量1 量子假說的內(nèi)容 1 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 n n 1 2 3 2 輻射是由一份份的能量組成的 一份能量叫做一個(gè)量子 量子的能量大小取決于輻射的波長 量子的能量 與頻率 成正比 即 h hc h為普朗克常數(shù) 2 量子化 本質(zhì)是不連續(xù)性 在微觀世界里 量子化或不連續(xù)性是明顯的 微觀物質(zhì)系統(tǒng)的存在是量子化的 物體之間傳遞的相互作用量是量子化的 物體的狀態(tài)及其變化也是量子化的 三 物質(zhì)的波粒二象性1 物理學(xué)史 1 光的微粒說的創(chuàng)始人是 可以解釋 等 2 光的波動(dòng)說的代表人物是 3 光量子假設(shè)的提出者是 直到 的發(fā)現(xiàn)才驗(yàn)證了光量子假說的正確性 2 光的本質(zhì) 光具有 它在一定條件下 突出地表現(xiàn)出 實(shí)質(zhì)是不連續(xù)性 而在另一些條件下 又突出地表現(xiàn)出 牛頓 光的反射 光的顏色 惠更斯 愛因斯坦 康普頓效應(yīng) 波粒二象性 微粒性 波動(dòng)性 3 物質(zhì)波 物理學(xué)家德布羅意進(jìn)一步提出了 理論 根據(jù)這一理論 每個(gè)物質(zhì)粒子都伴隨著 這種波被稱為物質(zhì)波 又稱為 戴維孫 革末及湯姆孫的 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了物質(zhì)波的存在 4 結(jié)論 光與靜止質(zhì)量不為零的物質(zhì)都具有 物質(zhì)波 一種波 概率波 電子衍射 波粒二象性 核心要點(diǎn)突破 一 黑體輻射及能量不連續(xù)性的理解1 黑體與黑體輻射的理解 1 黑體輻射 一般的物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外 還與材料的種類及表面狀況有關(guān) 而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 因此黑體輻射對(duì)研究熱輻射的規(guī)律有重要作用 2 黑體輻射的實(shí)驗(yàn)定律 對(duì)如圖6 2 1所示的空腔加熱 空腔的溫度升高 小孔就成了不同溫度下的黑體 從小孔向外的輻射就是黑體輻射 它所輻射的電磁波強(qiáng)度按波長的分布情況如圖6 2 2所示 圖6 2 2畫出了四種溫度下黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長的關(guān)系 可以看出 隨著溫度升高 一方面 各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加 另一方面 輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng) 圖6 2 1 圖6 2 2 3 紫外災(zāi)難 物體中存在著不停地運(yùn)動(dòng)的帶電粒子 每個(gè)帶電粒子的振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng) 從而產(chǎn)生電磁輻射 依據(jù)熱力學(xué)和電磁學(xué)的知識(shí) 德國物理學(xué)家維恩和英國物理學(xué)家瑞利分別提出了輻射強(qiáng)度按波長分布的理論公式 瑞利公式后經(jīng)金斯修正 稱為瑞利 金斯公式 維恩公式在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)非常接近 在長波區(qū)則與實(shí)驗(yàn)偏差很大 瑞利 金斯公式在長波區(qū)與實(shí)驗(yàn)基本一致 在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符 且當(dāng)波長趨于零時(shí) 輻射竟變成無窮大 這顯然是荒謬的 由于波長很小的輻射在紫外線波段 故上述荒謬結(jié)果被稱為 紫外災(zāi)難 2 對(duì)量子化假設(shè)的理解能量子假說 物質(zhì)發(fā)射 或吸收 能量時(shí) 能量不是連續(xù)的 而是一份一份地進(jìn)行的 每一份就是一個(gè)最小的能量單位 這個(gè)不可再分的最小的能量單位稱為 能量子 它的數(shù)值等于輻射的頻率 乘以一個(gè)常量h 即E h h稱作普朗克常量 實(shí)驗(yàn)測(cè)得h 6 63 10 34J s 這種在微觀領(lǐng)域中能量的不連續(xù)變化 即只能取分立值的現(xiàn)象 叫做能量的量子化 圖6 1 1 二 對(duì)波粒二象性的理解1 大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性 個(gè)別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性 2 光子和電子 質(zhì)子等實(shí)物粒子一樣 具有能量 和其他物質(zhì)相互作用時(shí) 粒子性起主導(dǎo)作用 在光的傳播過程中 光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小 概率 由波動(dòng)性起主導(dǎo)作用 因此稱光波為概率波 3 光子的能量與其對(duì)應(yīng)的頻率成正比 而頻率是波動(dòng)性特征的物理量 因此 h 揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的密切聯(lián)系 4 對(duì)不同頻率的光子 頻率低 波長長的光 波動(dòng)性特征顯著 而頻率高 波長短的光 粒子性特征顯著 5 實(shí)物粒子與波 1 1924年 法國青年物理學(xué)家德布羅意在光具有波粒二象性的啟發(fā)下 提出了一個(gè)大膽的觀點(diǎn) 一切實(shí)物粒子 如電子 原子 分子等 都具有波粒二象性 德布羅意把實(shí)物粒子所對(duì)應(yīng)的波叫物質(zhì)波 又稱為德布羅意波 波長表達(dá)式為 其中 是波長 p mv稱為動(dòng)量 h為普朗克常數(shù) 2 物質(zhì)的波粒二象性在實(shí)踐中的應(yīng)用電子顯微鏡的水平分辨率為0 2nm 垂直分辨率為0 1nm 達(dá)到了原子尺度 如利用鐵原子排成原子圍欄 特別提醒 1 微觀粒子具有明顯的波動(dòng)性 宏觀物質(zhì)也具有波動(dòng)性 但極不明顯 2 光具有波粒二象性是微觀世界具有的特殊規(guī)律 不可把光當(dāng)成宏觀概念中的波和粒子 光在傳播過程中往往顯示波動(dòng)性 在與物質(zhì)作用時(shí)顯示粒子性 課堂互動(dòng)講練 答案 3 14 10 19J5 73 1016個(gè) 方法總結(jié) 普朗克認(rèn)為 帶電微粒輻射或者吸收能量時(shí)只能是一份一份的 h 其中 是電磁波的頻率 h稱為普朗克常量 h 6 63 10 34J s 在宏觀世界里 一個(gè)物理量的取值通常是連續(xù)的 但在微觀世界里 物理量的取值是不連續(xù)的 只能取一些分立的值 變式訓(xùn)練1一盞電燈發(fā)光功率為100W 假設(shè)它發(fā)出的光向四周均勻輻射 光的平均波長 6 0 10 7m 在距電燈10m遠(yuǎn)處 以電燈為球心的球面上 1m2的面積每秒通過的光子 能量子 數(shù)約為 A 2 1017B 2 1016C 2 1015D 2 1023 對(duì)波粒二象性的理解 下列對(duì)于光的波粒二象性的說法中 正確的是 A 一束傳播的光 有的光是波 有的光是粒子B 光子與電子是同樣一種粒子 光波與機(jī)械波是同樣一種波C 光的波動(dòng)性是由于光子間的相互作用而形成的D 光是一種波 同時(shí)也是一種粒子 光子說并未否定電磁說 在光子能量E h 中 頻率 仍表示的是波的特性 思路點(diǎn)撥 在宏觀現(xiàn)象中 波與粒子是對(duì)立的概念 而在微觀世界中 波與粒子可以統(tǒng)一 光既不是宏觀觀念的波 也不是微觀觀念的粒子 光具有波粒二象性是指光在傳播過程中 同物質(zhì)作用時(shí)表現(xiàn)出波和粒子的特性 把光理解為宏觀世界的波和粒子是主要錯(cuò)誤 受宏觀概念中波與粒子對(duì)立的思維定勢(shì)影響是錯(cuò)誤的根源 精講精析 光是一種波 同時(shí)也是一種粒子 光具有波粒二象性 當(dāng)光和物質(zhì)作用時(shí) 是 一份一份 的 表現(xiàn)出粒子性 單個(gè)光子通過雙縫后的落點(diǎn)無法預(yù)測(cè) 但大量光子通過雙縫后在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性可以用波動(dòng)規(guī)律描述 表現(xiàn)出波動(dòng)性 粒子性和波動(dòng)性是光子本身的一種屬性 光子說并未否定電磁說 答案 D 方法總結(jié) 光具有波粒二象性 在一定條件下 突出地表現(xiàn)出微粒性 實(shí)質(zhì)為不連續(xù)性 而在另一些條件下 又突出地表現(xiàn)出波動(dòng)性 變式訓(xùn)練2對(duì)光的認(rèn)識(shí) 以下說法不正確的是 A 個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性 大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性B 光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性 不是光子之間的相互作用引起的C 光表現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí) 就不具有粒子性了 光表現(xiàn)出粒子性時(shí) 就不具有波動(dòng)性了D 光的波粒二象性應(yīng)理解為 在某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯 在另外某種場(chǎng)合下 光的粒子性表現(xiàn)明顯 解析 選C 個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性 大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性 光與物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性 光的傳播規(guī)律表現(xiàn)出波動(dòng)性 光的波動(dòng)性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性 光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有粒子屬性 因?yàn)椴▌?dòng)性表現(xiàn)為粒子分布概率 光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動(dòng)性 因?yàn)榇罅苛Ｗ拥膫€(gè)別行為呈現(xiàn)出波動(dòng)規(guī)律 答案為C 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全