教科版高中物理選擇性必修三6.1量子論初步學案

6.1量子論初步學習目標1.初步了解普朗克“量子假說”的背景，體會經(jīng)典力學的局限性。知道普朗克“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說之爭，知道光具有波粒二象性學習重點初步建立量子化的概念。學習過程一、光的量子化（1）17世紀牛頓的微粒說：光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻介質(zhì)中以一定的速度傳播.能解釋光的反射等現(xiàn)象，不能解釋光的互不干擾、同時發(fā)生的反射和折射、在介質(zhì)中v<c等問題.（2）17世紀惠更斯的波動說：光是在空間傳播的某種波.能解釋光的互不干擾、同時發(fā)生的反射和折射，但不能解釋影子的形成、傳播不需要介質(zhì)等問題.（3）19世紀60年代麥克斯韋的電磁說：光是一種電磁波，具電磁本性.使波動理論發(fā)展到了相當完美的地步.根據(jù)有：電磁波速等于光速；傳播不需要介質(zhì)；不能完美地解釋光電效應（4）20世紀初愛因斯坦的光子說：光是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫一個光子，E=hν.注意，這完全不同于牛頓的“微?！?愛因斯坦吸收了普朗克的量子思想，很好地解釋了光電效應，又保留了電磁波的特征.（5）20世紀前期德布羅意的波粒二象性：光是一種波，同時也是一種粒子，即光具有波粒二象性.兩種觀點的爭論焦點是：光波傳播是否需要介質(zhì)？（1）尋找這種介質(zhì)“以太”的徹底失敗（本來無一物，何來自尋煩）.（2）電磁波本身就是物質(zhì)，自身攜帶能量，無須借助介質(zhì)傳播.（3）但還有另一個主要問題還未解決，光波是否就是電磁波？麥克斯韋的電磁場理論證明了電磁場的速度等于光速，并由此看到了兩者間的聯(lián)系.赫茲又從實驗得到了證實，光的行為與電磁波的行為一致.從而在理論和實驗上證明了光確實是一種電磁波.它揭露出光現(xiàn)象的電磁本質(zhì)，把光、電、磁統(tǒng)一起來，加深了我們對物質(zhì)世界的聯(lián)系的認識.光的電磁說是對光的波動說的揚棄，保留了波的特質(zhì)，拋棄了它機械振動、傳播連續(xù)的成分.3.愛因斯坦拋棄了牛頓微粒說中機械運動的成分，吸收了（對方——波動說）電磁輻射量子化的研究成果，把電磁輻射量子化轉(zhuǎn)變、發(fā)展成為光行為的量子化，即光子說，重新恢復了光的粒子性的權(quán)威.但是，光子的物質(zhì)性、不連續(xù)性并非牛頓微粒說意義下的實物粒子，光子沒有靜止質(zhì)量，就個別光子而言，它與宏觀質(zhì)點的運動不同，沒有一定的軌道，因而無法對個別光子的行為作出“科學的”預測，它的行為不服從牛頓經(jīng)典力學.光子說使光的粒子性有了新的內(nèi)容.4.在對光本性的認識過程中，惠更斯的波動說和牛頓的微粒說是相互排斥、相互對立的.后來發(fā)展成為光的電磁說和光子說.人們發(fā)現(xiàn)，這兩種相互對立的學說彼此都含有對方的成分，無法劃清界線，更無法絕對獨立，誰都不能說自己就是客觀真理.光學說發(fā)展到此，已無法逃避辯證的綜合.中國有句古話，叫做兩極相通.人們終于明白，光的波動性的粒子性，不過是光這一客觀事物矛盾對立的兩個方面，它們共存于光這個統(tǒng)一體中，是矛盾的對立統(tǒng)一，彼此以對方存在為前提，這就是光的波粒二象性.它排除了非此即彼的形而上學觀念（這正是形式邏輯的重大特征?。⒘艘啻艘啾说霓q證觀念，即在一定條件下承認非此即彼，在另一條件下又承認亦此亦彼.對光來說，一定條件下（大量光子、傳播過程、低頻率光）波動性上升為矛盾主要方面，則波動性顯著；而在另一條件下（個別光子、光與物質(zhì)作用、同頻率光子）粒子性上升為矛盾主要方面，則粒子性顯著.所謂彼一時也，此一時也，在微觀世界里也存在著.在宏觀物體來說不可思議的波粒二象性，在微觀世界里卻是真實的圖景.矛盾??！然而是事實.只有辯證思維才可以把握.一切都依時間、地點、條件為轉(zhuǎn)移，所以要對具體問題作具體分析，才能準確把握對象的情況，作出正確的認識.E=hν=hc/λ，光子有動量p=hν/c=h/λ，E、p是粒子特征，ν、λ是波的特征.它們共同揭示了光的波粒二象性，在這兩個公式中，光的波粒二象性被很好地統(tǒng)一起來.彼此含有對方的成分，無法分開.6.總之，要理解多種頻率的電磁波（或者說各種頻率的光子），就必須綜合運用波動觀點和粒子觀點，這是由于二者是光不可分割的的屬性，即波粒二象性.至此，我們終于認識到微觀世界具有的特殊規(guī)律.二、初識量子世界1、不連續(xù)的能量德國物理學家普朗克用了六年的時間，在用經(jīng)典理論無論如何都解釋不了實驗結(jié)果的情況下，他不得已提出了新的假說.這就是非常著名的量子假說，成功地解決了“紫外災難”.，公式中h是普朗克常量，h,是微觀現(xiàn)象量子特性的表征.物質(zhì)輻射（或吸收）的能量只能是?的整數(shù)倍即：E=n?(n=1,2,3,)量子化與連續(xù)性的相對性我們可以這樣去理解，在宏觀世界里能量體現(xiàn)的是連續(xù)的，在微觀世界里量子化或不連續(xù)性是顯著的.量子化假說的提出，使人類對世界的認識由宏觀轉(zhuǎn)向了微觀世界，極大地開拓了我們的眼界.既然我們已經(jīng)掌握了探究微觀世界的有力武器——量子，下面我們就來更深入地研究微觀世界的物質(zhì)體現(xiàn)的特性，看看和我們再熟悉不過的宏觀世界有哪些不同的地方.2、物質(zhì)的波粒二象性人類歷史上對光的本質(zhì)有兩種不同的認識，其實不管是牛頓的微粒說還是惠更斯的波動說都是為了解釋某一特定的現(xiàn)象才引入的.所以它們都有各自的弊端.一些問題的難以解決又將人們帶入了對光的本質(zhì)的重新認識.關(guān)鍵時刻又是愛因斯坦帶來了新鮮的血液.他將普朗克的量子化理論用在了解釋光的本質(zhì)上.法國物理學家德布羅意進一步提出了物質(zhì)波的理論（獲1929年諾貝爾物理學獎），根據(jù)這一理論，每個物質(zhì)粒子都伴隨著一種波，即物質(zhì)波，又稱為概率波.這個理論揭示了物質(zhì)的統(tǒng)一性.總之，物質(zhì)具有波粒二象性，我們要注意粒子性的本質(zhì)在于不連續(xù)；波動性的實質(zhì)在于對微觀物體狀態(tài)及運動描述的不確定性，不能把物質(zhì)波理解為經(jīng)典的機械波和電磁波.3、物質(zhì)波粒二象性的實踐應用光學顯微鏡和電子顯微鏡的設(shè)計與制造原理，就是充分利用物質(zhì)的波動性.當今技術(shù)可以制造出觀察原子的掃描隧道顯微鏡.典例分析例1.在下列各組所說的兩個現(xiàn)象中，都表現(xiàn)出光具有粒子性的是（）A.光的折射現(xiàn)象、偏振現(xiàn)象B.光的反射現(xiàn)象、干涉現(xiàn)象C.光的衍射現(xiàn)象、色散現(xiàn)象D.光電效應現(xiàn)象、康普頓效應例2.為了驗證光具有波動性，某同學采用下列做法，其中可行的是（）A．讓一束光照射到一個輕小物體上，觀察輕小物體是否會振動B．讓一束光通過一狹縫，觀察是否發(fā)生衍射現(xiàn)象C．讓一束光通過一圓孔，觀察是否發(fā)生小孔成像D．以上做法均不可行課堂訓練1.(多選)關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是（）A.大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B.光在傳播時是波，而與物質(zhì)相互作用時就轉(zhuǎn)變成粒子C.高頻光是粒子，低頻光是波D.波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著2．(多選)對于帶電微粒輻射和吸收能量時的特點下列說法正確的有()A．以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸收的B．輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸收的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸收的能量是量子化的【參考答案】典例分析例1.解析：干涉、衍射、偏振都是光的波動性的表現(xiàn)，只有光電效應現(xiàn)象和康普頓效應都是光的粒子性的表現(xiàn)，D正確.答案：D例2．解析：光波是一種概率波，不能理解為質(zhì)點參與的振動，故A不可行；經(jīng)過狹縫的光在屏