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第十七章波粒二象性〔情景切入〕1990年，德国物理学家普朗克提出了一个大胆的假设：粒子的能量只能是某一最小能量值的整数倍。这一假说不仅解决了热辐射问题，同时也改变了人们对微观世界的认识。光在爱因斯坦的眼里成了“粒子”，电子、质子等在德布罗意看来具有了波动性……光到底是什么？实物粒子真的具有波动性吗？让我们一起进入这种神奇的微观世界，去揭开微观世界的奥秘吧。〔知识导航〕本章内容涉及微观世界中的量子化现象。首先从黑体和黑体辐射出发，提出了能量的量子化观点，进而通过实验研究光电效应现象，用爱因斯坦的光子说对光电效应的实验规律做出合理解释，明确了光具有波粒二象性，进而将波粒二象性推广到运动的实物粒子，提出了德布罗意波的概念，经分析和研究得出光波和德布罗意波都是概率波以及不确定性关系的结论。本章内容可分为三个单元：(第一～二节)主要介绍了能量量子化和光的粒子性；第二单元(第三节)介绍了粒子的波动性；第三单元(第四～五节)介绍了概率波和不确定性关系。本章的重点是：普朗克的能量量子化假设、光电效应、光电效应方程、德布罗意波。本章的难点是：光电效应的实验规律和波粒二象性。〔学法指导〕1．重视本章实验的理解。本章知识理论性很强，涉及的新概念较多，也比较抽象，但它们作为物理量都有其实验事实基础，所以在学习时要结合实验来理解它们，就不会觉得那么抽象。2．注意体会人类认识微观粒子本性的历史进程。人类认识微观粒子本性的进程是波浪形的，在曲折中前进，旧的理论总是被新发现、新的实验事实否定，为解释新实验事实又提出新的理论。光电效应和康普顿效应证明了光是一种粒子，但光的干涉和衍射又证明了光是一种波，因此光是一种波——电磁波，同时光也是一种粒子——光子。也就是说光具有波粒二象性。光在空间各点出现的概率是受波动规律支配的，因此光是一种概率波。3．学习本章知识会用到以前学过的知识，如光的干涉、衍射，弹性碰撞、动量定理和动能定理等，因此可以有针对性地复习过去的这些知识，对顺利学习本章内容会有帮助。第一节能量量子化第二节光的粒子性素养目标定位※认识黑体和黑体辐射的概念※理解能量子的概念，掌握计算能量子的方法※知道光电效应的实验规律※※掌握爱因斯坦的光电效应方程※了解康普顿效应及光子的动量素养思维脉络1课前预习反馈2课内互动探究3核心素养提升4课内课堂达标5课后课时作业课前预习反馈1．热辐射(1)定义：我们周围的一切物体都在辐射__________，这种辐射与物体的________有关，所以叫热辐射。(2)特征：热辐射强度按波长的分布情况随物体的________而有所不同。2．黑体(1)定义：如果某种物体在任何温度下能够完全吸收入射的_______________________而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。(2)黑体辐射的特征：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的________有关。知识点1黑体与黑体辐射电磁波温度温度各种波长的电磁波温度3．黑体辐射的实验规律黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的________有关，如图所示。(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。温度增加较短1．定义普朗克认为，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叫做能量子。2．能量子大小ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为__________常量，h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。3．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。知识点2能量子整数倍一份一份普朗克量子化分立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。如图所示。2．光电子光电效应中发射出来的是________。知识点3光电效应电子电子3．光电效应的实验规律(1)存在着饱和光电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，________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____________越多。(2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的最大初动能与入射光的________有关，而与入射光的________无关，当入射光的频率低于____________时不能发生光电效应。(3)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是________发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过______s。饱和光电子数频率强弱截止频率瞬时10－91．光子光不仅在发射和吸收时能量是____________的，而且光本身就是由一个个不可分割的________组成的，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量。这些能量子后来被称为光子。2．爱因斯坦光电效应方程在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是______，这些能量的一部分用来克服金属的__________W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即hν＝________或Ek＝_________知识点4爱因斯坦的光电效应方程一份一份能量子hν逸出功Ek＋W0hν－W01．光的散射光在介质中与____________相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。2．康普顿效应美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有_____________的成分，这个现象称为康普顿效应。知识点5康普顿效应物质微粒波长大于λ01．表达式p＝______2．说明在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给________，光子的动量________，因此有些光子散射后波长变______。知识点6光子的动量hλ电子变小长『判一判』(1)只有高温的物体才会热辐射。()(2)热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同。()(3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。()(4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。()(5)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。()思考辨析×√√√×(6)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。()(7)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。()(8)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。()(9)光子发生散射后，其波长变大。()×√×√『选一选』(多选)(2018·北京市临川育人中学高二下学期期中)如图所示，电路中所有元件完好，当光照射到光电管上时，灵敏电流计中没有电流通过，可能的原因是()A．入射光强度较弱B．入射光波长太长C．光照射时间太短D．电源正负极接反BD解析：光电管能否产生光电效应与入射光的强度、光照时间没有关系，当入射光波长小于金属的极限波长时，即入射光频率大于金属的极限频率时，金属才能产生光电效应，A、C错误；若入射光波长大于金属的极限波长时，金属不能产生光电效应，灵敏电流计中没有电流通过，B正确；电源正负极接反时，光电管加上反向电压，光电子做减速运动，可能到达不了阳极，电路中不能形成电流，D正确。『想一想』很多地方用红外热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知道他的体温是多少，你知道其中的道理吗？答案：根据热辐射规律可知，人的体温的高低，直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度。通过监测被测者辐射的红外线的情况就知道这个人的体温。课内互动探究探究一对黑体及黑体辐射的理解有经验的炼钢工人，通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的大体温度，这是根据什么道理？提示：黑体辐射与温度有关。11．对黑体的理解绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。2．一般物体与黑体的比较热辐射特点吸收、反射特点一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关既吸收，又反射，其能力与材料的种类及入射光波长等因素有关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完全吸收各种入射电磁波，不反射3．黑体辐射的实验规律(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。(2)随着温度的升高①各种波长的辐射强度都有增加；②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。特别提醒：(1)热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。(2)黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在。(3)黑体看上去不是一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，例如：炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被看作黑体来处理。关于对黑体的认识，下列说法正确的是()A．黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关D．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体C典例1解题指导：黑体完全吸收电磁波而不反射，同时其本身也辐射电磁波；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与其他因素无关。解析：黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，A错误；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，B错误，C正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而不是空腔，D错误。〔对点训练1〕(2019·湖北省宜昌市葛洲坝中学高二下学期期中)普朗克在研究黑体辐射的基础上，提出了量子理论，下列关于描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是()D解析：黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量，温度越高，辐射越强越大，故AC错误。黑体辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在500℃以至更高的温度时，则顺次发射可见光以至紫外辐射。即温度越高，辐射的电磁波的波长越短，故B错误，D正确。探究二能量量子化由能量量子化假说可知，能量是一份一份的，而不是连续的，在宏观概念中，举一些我们周围不连续的实例。提示：人的个数，自然数，汽车等。21．能量子物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的，只能是hν的整数倍，hν称为一个能量量子，其中ν是谐振子的振动频率，h是一个常数，称为普朗克常量。2．普朗克常量h＝6.63×10－34J·s3．意义可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象。4．量子化现象在微观世界中物理量分立取值的现象称为量子化现象。5．量子化假设的意义普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征。氦氖激光器发射波长为6328的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？若该激光器的发光功率为18mW，则每秒钟发射多少个光子？解题指导：求解本题的关键有两点：一是能根据已知条件求得每一个光子的能量，另外必须明确激光器发射的能量由这些光子能量的总和组成。答案：3.14×10－19J5.73×1016个典例2解析：根据爱因斯坦光子学说，光子能量E＝hν，而λν＝c，所以：E＝hcλ＝6.63×10－34×3×1086328×10－10J＝3.14×10－19J。因为发光功率已知，所以1s内发射的光子数为：n＝P×tE＝18×10－3×13.14×10－19个＝5.73×1016个。〔对点训练2〕人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，普朗克常量为6.63