1　能量量子化全国优秀课堂实录

第一节

能量量子化

课程目标

1.知道黑体和黑体辐射，了解黑体辐射的实验规律。

2．了解普朗克能量子的内容，领会这一科学突破过程中科学家的思想。

课堂导学

1．黑体与黑体辐射

(1)热辐射：我们周围的一切物体都在辐射

。这种辐射与物体的

有关，所以叫作热辐射。

(2)黑体：某种物体能够

吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是

，简称

。

2．黑体辐射的实验规律

(1)一般材料的物体，辐射电磁波的情况，除与

有关外，还与材料的

及

有关。(2)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，如图所示。

黑体辐射的实验规律

①随着温度的升高，各种波长的辐射强度都

。

②随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长

的方向移动。

思考

黑体是黑色的吗？热辐射一定产生于高温物体吗？

提示：黑体并不是指物体的颜色，它是指能完全吸收电磁波的物体。热辐射不一定需要高温，任何温度的物体都能发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。

3．能量子

(1)定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的

，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位

地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。

(2)能量子大小：ε＝

，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34

J·s(一般取h＝6.63×10－34

J·s)。

4．能量的量子化

在微观世界中能量是

的，或者说微观粒子的能量是

的。

练习

1.一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与___________有关. 2.对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是（

）

A.温度

B.材料

C.表面状况

D.以上都正确

3.已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为（

）

A.hc

B.hc

C.h

D.以上均不正确

4.能正确解释黑体辐射实验规律的是（

）

A.能量的连续经典理论

B.普朗克提出的能量量子化理论

C.以上两种政论体系任何一种都能解释

D.牛顿提出的能量微粒说

5.普朗克常量是自然界的一个基本常数，它的数值是（

）

A.6.02×10-23 mol

B.6.625×10-3 mol·s C.6.626×10-34 J·s

D.1.38×10-16 mol·s

课程目标

1.了解光电效应及其实验规律。

2．理解爱因斯坦的光子说及光电效应的解释。

3．知道爱因斯坦光电效应方程及其意

4．了解康普顿效应及其意义。

课堂导学

1．光电效应

(1)光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的

从表面逸出的现象。

(2)光电子：光电效应中发射出来的

。

(3)光电效应的实验规律：

①存在着

光电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

②存在着遏止电压和

频率：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。

③光电效应具有

：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过

s。

(4)逸出功：使电子脱离某种金属所做功的

。不同金属的逸出功

。

思考

金属中的电子怎样才能摆脱原子核的吸引而逃逸出原子？

2．爱因斯坦的光电效应方程

(1)光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子被称为

。

(2)爱因斯坦的光电效应方程：

①表达式：

或

。

②物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的

，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。

思考

同一频率的光照射不同的金属发生光电效应时，光电子的初动能是否相同？

。

3．康普顿效应

(1)在光的散射中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长

λ0的成分。这个现象称为康普顿效应。

(2)康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的

性的一面。

4．光子的动量

光子的动量p＝h，其中h为普朗克常量，λ为

。

练习

1.入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（

）

A.从光照到金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加

B.逸出的光电子的最大初动能将减小

C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减小

D.有可能不发生光电效应

2.光电效应中，从同一金属逸出的电子动能的最大值（

）

A.只跟入射光的频率有关

B.只跟入射光的强度有关

C.跟入射光的频率和强度都有关

D.除跟入射光的频率和强度有关外，还和光照时间有关

3.光电效应的四条规律中，波动说不能解释的有（

）

A.入射光的频率必须大于被照金属的极限频率时才能产生光电效应

B.光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大

C.入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s D.当入射光频率大于极限频率时，光电流强度与入射光强度成正比

4.下列对于光子的认识，正确的是（

）

A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的“微粒”

B.光子说中的光子就是光电效应中的光电子

C.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子

D.光子的能量跟光的频率成正比

5.利用光子说对光电效应的解释，下列说法正确的是（

）

A.金属表面的一个电子只能吸收一个光子

B.电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子

C.金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出

D.无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累了能量后，总能逸出成为光电子

6.X射线散射后波长会改变，是由于X射线光子和物质中电子________________的结果. 7.已知金属铯的极限波长为0.66 μm，用波长为0.05 μm的光照射铯金属表面，发射光电子的最大初动能为多少？铯金属的逸出功为多少？

8.关于光电效应的规律，下面说法正确的是（

）

A.当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大

B.当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的强度越大，产生的光电子数越多

C.同一频率的光照射不同金属，如果都能产生光电效应，则逸出功大的金属产生的光电子的最大初动能也越大

D.对某金属，入射光波长必须小于等于某一极限波长，才能产生光电效应

9如图17-2-6所示为光电管电路的示意图，在光电管电路中（

）

图17-2-6 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

10.对光电效应的解释正确的是（

）

A.金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属

B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应

C.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大

D.由于不同金属的逸出功是不同的，因此使不同金属产生光电效应的入射光最低频率也不同

第三节

粒子的波动性

课程目标

1.

知道光的本性认识史。

2．知道光的波粒二象性，理解其对立统一的关系。

3．会用光的波粒二象性分析有关现象。

4．理解德布罗意波，会解释相关现象。

课堂导学

1．光的波粒二象性

(1) (2)光子的能量和动量：能量表达式ε＝

，动量表达式p＝

。

(3)意义：能量ε和动量p是描述物质的

性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的

性的典型物理量。因此ε＝

和p＝

揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。

2．粒子的波动性及实验验证

(1)粒子的波动性：

①德布罗意波：任何一种实物粒子都和一个波相对应，这种波被称为德布罗意波，也叫

。

②物质波的波长和频率：波长公式λ＝hp，频率公式

ν＝h。

(2)物质波的实验验证：

①实验探究思路：

、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生

或衍射现象。

②实验验证：1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了

衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了

的波动性。

③说明：

(a)人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝hh和λ＝p关系同样正确。

(b)宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多，宏观物体运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长

，根本无法观察到它的波动性。

练习题

1.下列哪组现象能说明光具有波粒二象性（

）

A.光的色散和光的干涉

B.光的干涉和光的衍射

C.光的反射和光电效应

D.泊松亮斑和光电效应

2.对光的认识，下列说法正确的是（

）

A.个别光子的行为表现出粒子性，大量光子的行为表现出波动性

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，光表现出粒子时，就不再具有波动性

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得明显，在另外的某种场合下，光的粒子性表现得明显

3.下列说法正确的是（

）

A.光的波粒二象性学说就是牛顿的微粒说加上惠更斯的波动说组成的

B.光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁理论

C.光子说并没有否定电磁说，在光子的能量E=hν中，ν（频率）就是波的特征量

D.光波不同于宏观观念中的那种连续的波，它是表明大量光子运动规律的一种概率波

4.对于光的波粒二象性的说法中，正确的是（

）

A.一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子

B.光子与电子是同一种粒子，光波与机械波是同样一种波

C.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的

D.光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子的能量E=hν中，频率ν仍表示的是波的特性

5.用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应，现将该单色光的光强减弱，则（

）

A.光子的最大初动能不变

B.光电子的最大初动能减少

C.单位时间内产生的光电子数减少

D.可能不发生光电效应

6.试估算质量为1 000 kg的汽车以10 m/s运动时的德布罗意波. 7.在历史上，最早证明了德布罗意波存在的实验是（

）

A.弱光衍射实验

B.电子束在晶体上的衍射实验

C.弱光干涉实验

D.以上都不正确

8.关于光的波粒二象性，正确的说法是（

）

A.光的频率愈高，光子的能量愈大，粒子性愈显著

B.光的波长愈长，光子的能量愈小，波动性愈明显

C.频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性

D.个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性

第四．五节

概率波

和不确定关系

课堂目标

1.了解经典粒子和经典波的特点。

2．了解概率波的内容。

3．了解不确定性关系的内容。

课堂导学

1．经典的粒子和经典的波

(1)经典粒子：

①含义：粒子有一定

，具有一定的

，有的还带有

。

②运动的基本特征：遵从

，任意时刻有确定的位置和

，在时空中有确定的

。

(2)经典的波：

①含义：在空间是

的。

②特征：具有

和

，即具有时空的

。

2．概率波

(1)光波是一种概率波：光的波动性不是光子之间的

的结果，光子本身的波动性是它

的性质。光子在空间出现的概率可以通过

的规律来确定，所以，从光子的概念上看，光波是一种

。

(2)物质波也是概率波：对于电子和其他微观粒子，单个粒子的位置是

的，但是在某点附近出现的

可以由波动的规律确定。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，所以物质波也是

。

3．不确定性关系

(1)定义：在经典物理学中，一个质点的位置和动量是可以同时测定的，在微观物理学中，要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的，我们把这种关系叫

关系。

(2)表达式：ΔxΔp≥h4，其中用Δx表示粒子位置的不确定量，用Δp表示在x方向上动量的不确定量，h是普朗克常量。

(3)由不确定性关系可知，微观粒子的位置和动量不能同时被确定，也就决定了不能用“

”来描述粒子的运动。

4．物理模型与物理现象

在经典物理学中，对于宏观对象，我们分别建立

模型和

模型；在微观世界里，也需要建立物理模型，像粒子的

模型。

思考：在微观物理学中，我们不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量，那么粒子出现的位置是否就是无规律可循的？

提示：粒子出现的位置还是有规律可循的，那就是统计规律。比如干涉、衍射的亮斑位置就是粒子出现概率大的位置。

练习题

1.关于光波的本质，下列说法正确的是（

）

A.光是横波

B.光是纵波

C.光是概率波

D.以上均正确

2.在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处可能是（

）

A.亮纹

B.暗纹

C.既有可能是暗纹也有可能是亮纹

D.以上各种情况均有可能

3.下列各种波是概率波的是（

）

A.声波

B.电磁波

C.光波

D.物质波

4.在做双缝干涉实验时，在观察屏上的某处是亮纹，则对光子到达观察屏时的位置，下列说法正确的是（

）

A.到达亮纹处的几率比到达暗纹处的几率大

B.到达暗纹处的几率比到达亮纹处的几率大

C.该光子可能到达光屏的任何位置

D.以上说法均有可能

5.关于经典物理学中的粒子，下列说法正确的是（

）

A.有一定的大小，但没有一定的质量

B.有一定的质量，但没有一定的大小

C.既有一定的大小，又有一定的质量

D.有的粒子还有一定量的电荷

6.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.一定落在中央亮纹上

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

7.由不确定性关系可以得出的结论是（

）

A.如果动量的不确定范围越小，则与它对应位置坐标的不确定范围就越大

B.如果位置坐标的不确定范围越小，则动量的不确定范围就越大

C.动量和位置坐标的不确定范围之间的关系不是反比例函数

D.动量和位置坐标的不确定范围之间有唯一的确定关系

8.关于光的波粒二象性，下列说法正确的是（

）

A.光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体

B.光是波，与橡皮绳上的波相似

C.光的波动性是大量光子运动规律的表现，在干涉条纹中，那些光强度大的地方，光子到达的概率大

D.在宏观世界中波动性和粒子性是对立的，在微观世界是可以统一的