第三、四節(jié)量子化現(xiàn)象物理學(xué)——人類文明進(jìn)步的階梯

1、第三、四節(jié)第三、四節(jié) 量子化現(xiàn)象量子化現(xiàn)象 物理學(xué)物理學(xué)人類文明進(jìn)步的階梯人類文明進(jìn)步的階梯1 1. .初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道量子論的主要初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道量子論的主要內(nèi)容。內(nèi)容。2 2. .知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)，了解光的波知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)，了解光的波粒二象性。粒二象性。3 3. .了解物理學(xué)與自然科學(xué)其他領(lǐng)域的關(guān)系，知道物理學(xué)的了解物理學(xué)與自然科學(xué)其他領(lǐng)域的關(guān)系，知道物理學(xué)的研究成果和研究方法對(duì)自然科學(xué)的影響和促進(jìn)作用。研究成果和研究方法對(duì)自然科學(xué)的影響和促進(jìn)作用。4.4.了解物理學(xué)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生的巨大影響和作用。了

2、解物理學(xué)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生的巨大影響和作用。十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，科學(xué)家在研究黑體輻射、光電十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，科學(xué)家在研究黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜和原子的穩(wěn)定性等問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多現(xiàn)效應(yīng)、原子光譜和原子的穩(wěn)定性等問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多現(xiàn)象與經(jīng)典物理學(xué)的觀念產(chǎn)生了尖銳的矛盾，暴露了經(jīng)典象與經(jīng)典物理學(xué)的觀念產(chǎn)生了尖銳的矛盾，暴露了經(jīng)典物理學(xué)的局限性，從而引發(fā)了物理學(xué)的另一場(chǎng)革命物理學(xué)的局限性，從而引發(fā)了物理學(xué)的另一場(chǎng)革命量子論的建立，使人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)由宏觀世界進(jìn)入微量子論的建立，使人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)由宏觀世界進(jìn)入微觀世界。觀世界。一、黑體輻射：能量子假說的提出一、黑體輻射：能量子假說的提出什么

3、叫黑體輻射？什么叫黑體輻射？. .能把照射到它上面的色光全部吸收而無反射的物體能把照射到它上面的色光全部吸收而無反射的物體叫黑體；黑體輻射是指黑體發(fā)出的電磁輻射。叫黑體；黑體輻射是指黑體發(fā)出的電磁輻射。 如一塊鐵近似看成黑體，當(dāng)給它加熱，它吸收熱能后，如一塊鐵近似看成黑體，當(dāng)給它加熱，它吸收熱能后，鐵快首先變成暗紅，然后變黃變白，發(fā)出耀眼的光線，鐵快首先變成暗紅，然后變黃變白，發(fā)出耀眼的光線，這就叫黑體輻射。這就叫黑體輻射。2.2.經(jīng)典物理學(xué)關(guān)于能量連續(xù)性的概念不能解析上述黑體經(jīng)典物理學(xué)關(guān)于能量連續(xù)性的概念不能解析上述黑體輻射的現(xiàn)象，表明經(jīng)典物理學(xué)關(guān)于能量連續(xù)性的概念不輻射的現(xiàn)象，表明經(jīng)典物理

4、學(xué)關(guān)于能量連續(xù)性的概念不能適用微觀世界的一些問題，預(yù)示著原有的理論存在缺能適用微觀世界的一些問題，預(yù)示著原有的理論存在缺陷。陷。3.3.普朗克為了克服經(jīng)典物理學(xué)對(duì)黑體輻射現(xiàn)象解析的困普朗克為了克服經(jīng)典物理學(xué)對(duì)黑體輻射現(xiàn)象解析的困難，提出了難，提出了“能量子能量子”假說。假說。問題：?jiǎn)栴}：普朗克的普朗克的“能量子能量子”假說與宏觀世界中我們對(duì)能假說與宏觀世界中我們對(duì)能量的認(rèn)識(shí)有什么不同？量的認(rèn)識(shí)有什么不同？過去人們認(rèn)為一切自然過程都是連續(xù)的，比如能量過去人們認(rèn)為一切自然過程都是連續(xù)的，比如能量的傳遞和釋放過程中宏觀壯態(tài)下的能量總是由一切微觀的傳遞和釋放過程中宏觀壯態(tài)下的能量總是由一切微觀狀態(tài)下連

5、續(xù)排列組合而成，中間不間斷。而普朗克認(rèn)為狀態(tài)下連續(xù)排列組合而成，中間不間斷。而普朗克認(rèn)為能量是不連續(xù)變化的，中間是間斷的。因此，普朗克的能量是不連續(xù)變化的，中間是間斷的。因此，普朗克的“能量子能量子”假說是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)理論的重大突破。假說是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)理論的重大突破。4.4.能量子假說：能量子假說： 所謂能量子就是能量的最小單元。微觀領(lǐng)域里能量的所謂能量子就是能量的最小單元。微觀領(lǐng)域里能量的變化總表現(xiàn)為電磁波的輻射與吸收，不同頻率的電磁波其變化總表現(xiàn)為電磁波的輻射與吸收，不同頻率的電磁波其能量子的值不同，表達(dá)式為：能量子的值不同，表達(dá)式為： E=hE=h 其中，其中，是電磁波的頻率，是電磁波的

6、頻率，h h是一個(gè)普遍適用的常量，是一個(gè)普遍適用的常量，稱作稱作普朗克常量。普朗克常量。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得由實(shí)驗(yàn)測(cè)得h h 6.636.6310103434JsJs。5.5.能量的量子化能量的量子化 在微觀領(lǐng)域里能量的不連續(xù)變化，即只能取分立值的在微觀領(lǐng)域里能量的不連續(xù)變化，即只能取分立值的現(xiàn)象，叫做能量的量子化?，F(xiàn)象，叫做能量的量子化。 普朗克的能量子假說不僅解決了黑體輻射的理論普朗克的能量子假說不僅解決了黑體輻射的理論困難，而且揭開了物理學(xué)上嶄新的篇章。困難，而且揭開了物理學(xué)上嶄新的篇章。二、光子說：對(duì)光電效應(yīng)的解釋二、光子說：對(duì)光電效應(yīng)的解釋1.1.光電效應(yīng)：光電效應(yīng)： 當(dāng)光線當(dāng)光線( (包括不

7、可見光包括不可見光) )照射到金屬表面時(shí)，有電子從照射到金屬表面時(shí)，有電子從金屬表面發(fā)射出來的現(xiàn)象。發(fā)射出來的電子就是光電子。金屬表面發(fā)射出來的現(xiàn)象。發(fā)射出來的電子就是光電子。 實(shí)驗(yàn)表明，光電效應(yīng)現(xiàn)象能否發(fā)生不是取決于光的強(qiáng)實(shí)驗(yàn)表明，光電效應(yīng)現(xiàn)象能否發(fā)生不是取決于光的強(qiáng)度而是取決于照射光的頻率。極限頻率的存在是與經(jīng)典物度而是取決于照射光的頻率。極限頻率的存在是與經(jīng)典物理學(xué)的理論矛盾最尖銳的地方。理學(xué)的理論矛盾最尖銳的地方。2.2.光子光子愛因斯坦愛因斯坦 光也是一種電磁波。光的最小能量單元就是光子，實(shí)光也是一種電磁波。光的最小能量單元就是光子，實(shí)際就是一種能量子。其能量為：際就是一種能量子。其

8、能量為：E=hE=h。3.3.光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋：光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋： 一個(gè)一個(gè)電子電子只能吸收一個(gè)光子；只能吸收一個(gè)光子； 電子電子吸收光子的能量向外吸收光子的能量向外“運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)”時(shí)，要克服金屬時(shí)，要克服金屬的束縛作用而消耗能量的束縛作用而消耗能量( (叫做金屬的逸出功叫做金屬的逸出功) )。 吸收的光子能量要足夠克服金屬的束縛作用，吸收的光子能量要足夠克服金屬的束縛作用，電子電子才能夠發(fā)射出來。才能夠發(fā)射出來。光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)三、光的波粒二象性：光的本質(zhì)揭示三、光的波粒二象性：光的本質(zhì)揭示1.1.光可以發(fā)生光可以發(fā)生干涉現(xiàn)象干涉現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象與與偏振現(xiàn)象偏振

9、現(xiàn)象，因此經(jīng)，因此經(jīng)典理論有典理論有“波動(dòng)說波動(dòng)說”，即光具有波動(dòng)性。，即光具有波動(dòng)性。2.“2.“光電效應(yīng)光電效應(yīng)”說明光子還具有說明光子還具有“粒子性粒子性”，因此，在，因此，在宏觀上大量表現(xiàn)光子宏觀上大量表現(xiàn)光子“波動(dòng)性波動(dòng)性”，在微觀上少量光子表，在微觀上少量光子表現(xiàn)為現(xiàn)為“粒子性粒子性” ” 。即光子具有。即光子具有“波粒二象性波粒二象性”。四、原子光譜：原子能量的不連續(xù)四、原子光譜：原子能量的不連續(xù)1.1.經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)的矛盾經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)的矛盾經(jīng)典理論：能量是連續(xù)變化的，原子發(fā)光的光譜是連續(xù)譜經(jīng)典理論：能量是連續(xù)變化的，原子發(fā)光的光譜是連續(xù)譜實(shí)驗(yàn)結(jié)論：原子發(fā)光的光譜是不連續(xù)的線狀

10、譜實(shí)驗(yàn)結(jié)論：原子發(fā)光的光譜是不連續(xù)的線狀譜原子光譜原子光譜2.2.原子光譜的解釋：原子光譜的解釋： 原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，當(dāng)原子從一原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，當(dāng)原子從一種能量狀態(tài)變化到另一種能量狀態(tài)時(shí)，輻射（或吸收）一定種能量狀態(tài)變化到另一種能量狀態(tài)時(shí)，輻射（或吸收）一定頻率的光子，輻射（或吸收）的光子的能量是不連續(xù)的。頻率的光子，輻射（或吸收）的光子的能量是不連續(xù)的。結(jié)論：結(jié)論： 量子化現(xiàn)象是微觀世界的普遍現(xiàn)象，這與經(jīng)典理論量子化現(xiàn)象是微觀世界的普遍現(xiàn)象，這與經(jīng)典理論產(chǎn)生尖銳矛盾。這暴露了經(jīng)典物理學(xué)的局限性（宏觀、產(chǎn)生尖銳矛盾。這暴露了經(jīng)典物理學(xué)的局限性（宏觀、低

11、速）。從而引發(fā)了物理學(xué)的革命低速）。從而引發(fā)了物理學(xué)的革命量子論的建立，量子論的建立，使人類對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域。使人類對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域。 物理學(xué)是一門自然科學(xué)。是研究物質(zhì)存在的基本形式、物理學(xué)是一門自然科學(xué)。是研究物質(zhì)存在的基本形式、本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及物體之間的相互作用和轉(zhuǎn)化的規(guī)律本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及物體之間的相互作用和轉(zhuǎn)化的規(guī)律的科學(xué)。它崇尚理性、重視邏輯推理?？梢哉f物理學(xué)是的科學(xué)。它崇尚理性、重視邏輯推理?？梢哉f物理學(xué)是關(guān)于關(guān)于“萬物之理萬物之理”的科學(xué)。的科學(xué)。 物理學(xué)能讓你變得更睿智物理學(xué)能讓你變得更睿智! ! 物理學(xué)能讓你變得更哲學(xué)物理學(xué)能讓你變得更哲

12、學(xué)! ! 物理學(xué)能讓你邁進(jìn)科學(xué)的殿堂物理學(xué)能讓你邁進(jìn)科學(xué)的殿堂! ! 五、物理學(xué)五、物理學(xué)人類文明進(jìn)步的階梯人類文明進(jìn)步的階梯1.1.物理學(xué)與自然科學(xué)物理學(xué)與自然科學(xué)人類文明進(jìn)步的基石人類文明進(jìn)步的基石2.2.物理學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)物理學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)人類文明進(jìn)步的推動(dòng)力人類文明進(jìn)步的推動(dòng)力 物理學(xué)的基礎(chǔ)性、技術(shù)性、思想性使之成為推動(dòng)人類物理學(xué)的基礎(chǔ)性、技術(shù)性、思想性使之成為推動(dòng)人類文明進(jìn)步的重要力量。文明進(jìn)步的重要力量。(1)(1)基礎(chǔ)性基礎(chǔ)性 物理學(xué)是基礎(chǔ)自然科學(xué)。物理學(xué)的研究成果和研究物理學(xué)是基礎(chǔ)自然科學(xué)。物理學(xué)的研究成果和研究方法直接應(yīng)用于化學(xué)、生物、地理、氣象等自然科學(xué)，方法直接應(yīng)用于化學(xué)、生

13、物、地理、氣象等自然科學(xué)，大大加速了自然科學(xué)的發(fā)展和分化獨(dú)立，甚至形成了新大大加速了自然科學(xué)的發(fā)展和分化獨(dú)立，甚至形成了新的獨(dú)立學(xué)科或分支學(xué)科。如天體物理學(xué)、空間物理學(xué)、的獨(dú)立學(xué)科或分支學(xué)科。如天體物理學(xué)、空間物理學(xué)、地球物理學(xué)，流體力學(xué)、生物物理，物理化學(xué)、量子化地球物理學(xué)，流體力學(xué)、生物物理，物理化學(xué)、量子化學(xué)等等。使人們更全面地探索、認(rèn)識(shí)自然界的規(guī)律。學(xué)等等。使人們更全面地探索、認(rèn)識(shí)自然界的規(guī)律。(2)(2)技術(shù)性技術(shù)性 物理學(xué)幾乎是一切工程科學(xué)的基礎(chǔ)。物理學(xué)的成就直接物理學(xué)幾乎是一切工程科學(xué)的基礎(chǔ)。物理學(xué)的成就直接發(fā)展了各種各樣的工程技術(shù)，形成了今天門類齊全、多樣的發(fā)展了各種各樣的工程

14、技術(shù)，形成了今天門類齊全、多樣的工業(yè)體系。今天的許多高新技術(shù)也仍然是以物理學(xué)的研究成工業(yè)體系。今天的許多高新技術(shù)也仍然是以物理學(xué)的研究成果為基礎(chǔ)的。這些工程技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，極大地提高了社會(huì)果為基礎(chǔ)的。這些工程技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)力水平，改變了人類的生活、生產(chǎn)方式，創(chuàng)造了輝煌的生產(chǎn)力水平，改變了人類的生活、生產(chǎn)方式，創(chuàng)造了輝煌的物質(zhì)文明。比如，機(jī)械、建筑科學(xué)就是經(jīng)典力學(xué)原理的實(shí)際物質(zhì)文明。比如，機(jī)械、建筑科學(xué)就是經(jīng)典力學(xué)原理的實(shí)際運(yùn)用，今天的電力、電子工業(yè)就是電磁學(xué)發(fā)展的結(jié)果，光學(xué)運(yùn)用，今天的電力、電子工業(yè)就是電磁學(xué)發(fā)展的結(jié)果，光學(xué)特別是激光技術(shù)使得光纖通信、互聯(lián)網(wǎng)、激光醫(yī)學(xué)等蓮

15、勃發(fā)特別是激光技術(shù)使得光纖通信、互聯(lián)網(wǎng)、激光醫(yī)學(xué)等蓮勃發(fā)展。在萬有引力定律基礎(chǔ)上發(fā)展起來的航天技術(shù)使得人類的展。在萬有引力定律基礎(chǔ)上發(fā)展起來的航天技術(shù)使得人類的足跡不斷地向宇宙深處延伸。足跡不斷地向宇宙深處延伸。(3)(3)思想性思想性 物理學(xué)在自身的發(fā)展進(jìn)步過程中積累的思想方法是人類物理學(xué)在自身的發(fā)展進(jìn)步過程中積累的思想方法是人類思想領(lǐng)域的瑰寶。這些思想方法和物理學(xué)的研究成就一道在思想領(lǐng)域的瑰寶。這些思想方法和物理學(xué)的研究成就一道在改善人們的生產(chǎn)、生活條件的同時(shí)，也改變著人們的思維方改善人們的生產(chǎn)、生活條件的同時(shí)，也改變著人們的思維方式。指引著人們破除迷信、消除愚昧、尊重客觀事實(shí)、尊重式。指

16、引著人們破除迷信、消除愚昧、尊重客觀事實(shí)、尊重科學(xué)，不斷追求真、善、美，推動(dòng)人類文明的車輪滾滾向前?？茖W(xué)，不斷追求真、善、美，推動(dòng)人類文明的車輪滾滾向前。人類社會(huì)歷史上的幾次工業(yè)革命都是以物理學(xué)的重大成果為人類社會(huì)歷史上的幾次工業(yè)革命都是以物理學(xué)的重大成果為基礎(chǔ)的。牛頓力學(xué)、熱學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命，使基礎(chǔ)的。牛頓力學(xué)、熱學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命，使人類進(jìn)入蒸汽機(jī)時(shí)代，解放了人的體力。電磁技術(shù)的突破性人類進(jìn)入蒸汽機(jī)時(shí)代，解放了人的體力。電磁技術(shù)的突破性成就迎來了第二次工業(yè)革命，人類進(jìn)入了電氣化時(shí)代。量子成就迎來了第二次工業(yè)革命，人類進(jìn)入了電氣化時(shí)代。量子理論、相對(duì)論使得核物理學(xué)取得重

17、大突破，引發(fā)了第三次工理論、相對(duì)論使得核物理學(xué)取得重大突破，引發(fā)了第三次工業(yè)革命，人類進(jìn)入了原子能時(shí)代。業(yè)革命，人類進(jìn)入了原子能時(shí)代。1.1.在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的塊鋅板與塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板、驗(yàn)電器的指針就張靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板、驗(yàn)電器的指針就張開一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí)開一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí)( )( )A A鋅板帶正電鋅板帶正電 指針帶負(fù)電指針帶負(fù)電B B鋅板帶正電鋅板帶正電 指針帶正電指針帶正電C C鋅板帶負(fù)電鋅板帶負(fù)電 指針帶正電指針帶正電D D鋅板帶負(fù)電鋅板帶負(fù)電 指針帶負(fù)電指針帶負(fù)電【解析【解析】

18、弧光燈發(fā)出的紫外線照射到鋅板上，鋅板表面弧光燈發(fā)出的紫外線照射到鋅板上，鋅板表面會(huì)逸出光電子。鋅板失去電子后帶正電。驗(yàn)電器與鋅板會(huì)逸出光電子。鋅板失去電子后帶正電。驗(yàn)電器與鋅板相連所以驗(yàn)電器的指針也同樣帶正電，故應(yīng)選相連所以驗(yàn)電器的指針也同樣帶正電，故應(yīng)選B B2.2.關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是（）關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是（）A A關(guān)于光的本性，牛頓提出微粒說，惠更斯提出波動(dòng)關(guān)于光的本性，牛頓提出微粒說，惠更斯提出波動(dòng) 說，愛因斯坦提出光子說，它們都說明了光的本性。說，愛因斯坦提出光子說，它們都說明了光的本性。B B光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子。波，也可以看成微觀概念上的粒子。C C光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)說明光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性。光具有粒子性。D D光的波粒二象