1、优质文档优质文档第十七章 波粒二象性物理名言：科学的历史不仅是一连串的事实、规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念普朗克（1858-1947） 。德国物理学家，量子论的奠基人之一。最好的光学显微镜也看不到大小仅为 10-10 m 的原子，那是因为可见光的波长太大了。要想看到更小的东西，需要选择波长更短的波来帮忙！1932 年一台神奇的显微镜出现了，它就是电子显微镜。在这种显微镜下，我们真切的看到了物质的微观结构，在电子显微镜中，电子代替了光子！电子为什么能代替光呢？新课标要求1、内容标准 （1）了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒
2、子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。 （2）通过实验了解光电效应。知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。 （3）了解康普顿效应。 （4）根据实验说明光的波粒二象性。知道光是一种概率波。 （5）知道实物粒子具有波动性。知道电子云。初步了解不确定性关系。 （6）通过典型事例了解人类直接经验的局限性。体会人类对世界的探究是不断深入的。 例 1：通过电子衍射实验，初步了解微观粒子的波粒二象性，体会人类对于物质世界认识的不断深入。2、活动建议：阅读有关微观世界的科普读物，写出读书体会。17.1 能量量子化：物理学的新纪元三维教学目标1、知识与技能（1）了解什么是热辐射及热辐射的特
3、性，了解黑体与黑体辐射。 （2）了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。（3）了解能量子的概念。2、过程与方法（1）了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。（2）体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。3、情感、态度与价值观：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。教学重点：能量子的概念教学难点：黑体辐射的实验规律教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备教学过程：第一节 能量量子化：物理学的新纪元（一）引入新课介绍能量量子化发现的背景：（多媒
4、体投影，见课件。 ）19 世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell 方程。另外还找到了力、电、光、声-等都遵循的规律-能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。1900 年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言：“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。 ”优质文档优质文档也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做
5、，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。然而，事隔不到一年（1900 年底） ，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（1905 年）从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村” 。点出课题：我们这节课就来体验物理学新纪元的到来能量量子化的发现。（二）进行新课1、黑体与黑体辐射在了解什么是黑体与黑体辐射之前，请同学
6、们先阅读教材，了解一下什么是热辐射。阅读教材关于热辐射的描述。通过课件展示，加深学生对热辐射的理解。并通过课件展示，使学生进一步了解热辐射的特点，为黑体概念的提出准备知识。（1）热辐射现象固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。例如：铁块 温度升高 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色，从能量转化的角度来认识，是热能转化为电磁能的过程。（2）黑体除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。概念：能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，
7、称为绝对黑体，简称黑体。 （课件展示黑体模型）不透明的材料制成带小孔的的空腔，可近似看作黑体。如图所示。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。2、黑体辐射的实验规律阅读教材“黑体辐射的实验规律” ，接合课件展示，讲解黑体辐射的实验规律。如图所示。黑体热辐射的强度与波长的关系：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。提出 1：怎样解释黑体辐射的实验规律呢？在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。结果导致理论与实验规律不符，甚至得
8、出了非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难” 。 （瑞利-金斯线，见课件）黑体模型0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te实验结果优质文档优质文档3、能量子：超越牛顿的发现利用已有的理论解释黑体辐射的规律，导致了荒谬的结果。必然会促使人们去发现新的理论。这就是能量子概念。1900 年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量 （称为能量子）的整数倍，即：， 1，
9、2，3，. n，n 为正整数，称为量子数。对于频率为 的谐振子最小能量为：这个最小能量值，就叫做能量子。课件展示：普朗克的能量子假说和黑体辐射公式（1）黑体辐射公式1900.10.19 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式：普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信 h 的引入确实反映了新理论的本质。1918 年普朗克荣获了诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和（ ）黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真
10、理与谬误之争就此平息了吗？（没有）物理难题：1888 年，霍瓦(Hallwachs)发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近 10 年以后，1897 年，汤姆孙发现了电子 ，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？明天，我们就继续学习“科学的转折：光的粒子性” 。课后练习1、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_。除了这种辐射以外，物体表面还会_和_外界射来的电磁波，若某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而
11、不发生_，这种物体就叫_。2、实验测出了辐射的电磁波的强度按波长的分布情况。随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有_，另一方面，辐射强度的极大值向波长_的方向移动。3、微观世界里的能量是一份一份的，其中不可分的最小值叫_，它的值为_。4、对一束太阳光进行分析，下列说法正确的是 ( )A太阳光是由各种单色光组成的复合光 B在组成太阳光的各单色光中，其能量最强的光为红光C在组成太阳光的各单色光中，其能量最强的光为紫光 D组成太阳光的各单色光的能量都相同5、一束红光从空气射入折射率为 1.5 的玻璃，则这束红光的能量将 ( )A增大 B减小 C不变 D无法确定6、对黑体辐射电磁波的波长分布有
12、影响的是 ( )A温度 B材料 C表面状况 D质量7、已知某单色光的波长为 ，在真空中的传播速度为 c，普朗克常量为 h，则该电磁波辐射的能量子的值为( )A B C Dhchcchh8、单色光从真空射入某介质时， ( )秒焦 341062.12)(/3kTecM优质文档优质文档A波长变长，速度变小，光量子能量变小 B波长变长，速度变大，光量子能量不变C波长变短，速度变小，光量子能量不变 D波长变短，速度变小，光量子能量变大9、关于光的传播，下列说法正确的是 ( )A各种色光在真空中传播速度相同，在同一介质中传播速度不同B各种色光在真空中频率不同，同一色光在不同介质中频率相同C同一色光在不同介
13、质中折射率不同，不同色光在同一介质中折射率相同D各种色光在同一介质中波长不同，同一色光在真空中的波长比在任何介质中的波长长10、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牛顿提出的能量微粒说 D以上说法均不正确11、某激光器能发射波长为 的激光，发射功率为 P，真空中光速为 c，普朗克常量为 h，则该激光器每秒发射的光量子数为 ( )A B C DhcPchPhcPh12、普朗克常量 h 是自然界中的一个基本常数，它的值为 ( )A6.0210 -23mol B6.6210 -34mols C6.6310 -34Js D1.610 -19Js13
14、、由能量量子化假说可知，能量是一份一份的，而不是连续的，举一些我们周围不连续的实例。14、由能量量子化假说可知，能量是一份一份的，而不是连续的，但我们平时见到的宏观物体的温度升高或降低，为什么是连续的，而不是一段一段的？1、电磁波，温度，热辐射，吸收，反射，反射，黑体 2、增加，较短 3、能量子，h 4、AC 5、C 6、A 7、A 8、C 9、ABD 10、B 11、A 12、C 13、人的个数，自然数，汽车等 14、由于宏观物质是由大量微粒组成的，每一个粒子的能量是一份一份的，这符合能量量子化假说；而大量粒子则显示出了能量的连续性，故我们平时看到的物体温度升高和降低不是一段一段的，而是连续
15、的。优质文档优质文档17.2 科学的转折：光的粒子性三维教学目标1、知识与技能（1）通过实验了解光电效应的实验规律。（2）知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。（3）了解康普顿效应，了解光子的动量2、过程与方法：经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。3、情感、态度与价值观：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。教学重点：光电效应的实验规律教学难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备教学过程：第一节 科学的转折：
16、光的粒子性（一）引入新课回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？（多媒体投影，见课件。 ）光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19 世纪 60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。（二）进行新课1、光电效应实验演示 1：（课件辅助讲述）用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连） ，使验电 器张角增大到约为 30 度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去
17、靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。上述实验说明了什么？（表明锌板在射线照射下失去电子而带正电）概念：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子。2、光电效应的实验规律（1）光电效应实验如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。光电子在电场作用下形成光电流。优质文档优质文档概念：遏止电压，将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 Uc 时，光电流恰为 0。 Uc 称遏止电压。根据动能定理，有：（2）光电效应实验规律 光电流与光强的关系：饱和光电流
18、强度与入射光强度成正比。 截止频率 c -极限频率，对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率 c ，当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。 光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间10 -9s。3、光电效应解释中的疑难经典理论无法解释光电效应的实验结果。经典理论认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。光电效应实验表明：饱和电流不仅与光
19、强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。4、爱因斯坦的光量子假设（1）内容光不仅在发射和吸收时以能量为 h 的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为 E =h 的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。（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了光子的能量，一部分消耗
20、在电子逸出功 W0，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出：W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功。W k为光电子的最大初动能。（3）爱因斯坦对光电效应的解释光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率： hWc0爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。21cevmcU0hk优质文档优质文档5、光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了
21、“光电效应”实验，结果在 1915 年证实了爱因斯坦光电效应方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。6、展示演示文稿资料：爱因斯坦和密立根由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获 1921 年诺贝尔物理学奖。密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得 1923 年诺贝尔物理学奖。点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。光电效应在近代技术中的应用（1）光控继电器可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪
22、等。（2）光电倍增管可对微弱光线进行放大，可使光电流放大 105108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。7、康普顿效应（1）光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，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1923 年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。（3）康普顿散射的实验装置与规律：优质文档优质文档按经典电磁理论：如果入射 X 光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！散射中出现 的现0象，称为康普顿散射。康普顿散射
23、曲线的特点： 除原波长 外出现了移向长波方向的新的散射波长0 新波长 随散射角的增大而增大。波长的偏移为 0波长的偏移只与散射角 有关，而与散射物质种类及入射的 X 射线的波长 无关，0= 0.0241=2.4110-3nm（实验值）称为电子的 Compton 波长只有当入射波)cos1(0c长 与 可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用 X 射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。c（4）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。无法解释波长改变和散射
24、角的关系。（5）光子理论对康普顿效应的解释若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。（6）康普顿散射实验的意义有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； 首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。（7）光子的能量和动量说明：动量能量是描述粒子的，频率和波长则是用来描述波的
25、2mcEh优质文档优质文档展示演示文稿资料：康普顿康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射” ；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于 1927 年获诺贝尔物理奖。展示演示文稿资料：吴有训对研究康普顿效应的贡献 1923 年，吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作.19251926 年，吴有训用银的 X 射线( =5.62nm) 为入射线，以 15 种轻重不同的元素为散射物质，在同一散0射角( )测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。120点评：应用物理学家的
26、历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。课后练习1、光照射到金属表面上，能使金属中的_从表面逸出，这种现象称之为_，逸出的电子也叫_，使电子脱离金属表面所做的功的最小值叫_，这种现象说明光具有_性。2、经典的电磁理论只能解释光是一种，它有_、_等波特有的现象，但它不能解释光电效应。爱因斯坦对光电效应的解释是：光本身就是由一个一个不可分割的_组成的，每一个光的能量子被称为一个_，这就是爱因斯坦的_说。3、爱因斯坦认为，在光电效应中，金属中的电子吸收一个频率为 的光子获得的能量是_，这些能量中的一部分用来克服金属的_
27、，剩下的表现为逸出的光电子的_，用公式表示为_，这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。4、光在介质中与物质微粒相互作用，因而_发生改变，这种现象叫光的_。美国物理学家_在研究石墨对 X 射线的散射时，发现在散射的 X 射线中，除了与入射波长相同的成份外，还有波长_入射波长的成份，这个现象称为康普顿效应。5、根据爱因斯坦狭义相对论中的质能方程 Emc 2和光子能量 h，每个光子的质量是_，按照动量的定义，每个光子的动量为_或_。所以光子具有能量、质量、动量，表现出光具有_性。6、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器指针张开一个角度，如图所示，这时
28、( )A锌板带正电，指针带负电B锌板带正电，指针带正电C锌板带负电，指针带正电D锌板带负电，指针带负电7、对于任何一种金属，必须满足下列哪种条件，才能发生光电效应 ( )A入射光的强度大于某一极限强度 B入射光的波长大于某一极限波长C入射光照射时间大于某一极限时间 D入射光的频率大于某一极限频率8、某种频率的光射到金属表面上时，金属表面有电子逸出，若光的频率不变而强度减弱，那么下述结论中正确的是 ( )A光的强度减弱到某一数值时，就没有电子逸出 B逸出的电子数减少hchmcP2优质文档优质文档C逸出的电子数和最大初动能都减小 D逸出的电子最大初动能不变9、用两束频率相同，强度不同的紫外线去照射
29、两种不同金属，都能产生光电效应，则( )A因入射光频率相同，产生光电子的最大初动能必相同B用强度大的紫外线照射时，所产生的光电子的初速度一定大C从极限波长较长的金属中飞出的光电子的初速度一定大D由强度大的紫外线所照射的金属，单位时间内产生的光电子数目一定多10、用某一频率的绿光照射某金属时恰好能产生光电效应，则改用强度相同的蓝光和紫光分别照射该金属，下列说法正确的是 ( )A用蓝光照射时，光电子的最大初动能比用紫光照射时小B用蓝光和紫光照射时，在相同时间内逸出的电子数相同C用蓝光照射时，在同样时间内逸出的电子数目较多D用紫光照射时，在同样时间内逸出的电子数目较多11、关于光电效应的说法中，正确
30、的有 ( )A要使光电效应发生，入射光子的能量必须大于原子的电离能B极限频率的存在，可以表明电子对光子的吸收是一对一的C增大入射光子的能量，光电子的最大初动能必随着增大D电子对光子的吸收不存在能量的积累过程12、已知铯的极限频率为 4.551014Hz，钠的极限频率为 6.001014Hz，银的极限频率为 1.151015Hz，铂的极限频率为 1.531015Hz，当用波长为 0.375m 的光照射它们时，可发生光电效应的是 ( )A铯 B钠 C银 D铂13、某种金属的逸出功是 1.25eV，为了使它发生光电效应，照射光的频率至少应为多少？或用可见光照射它，能否发生光电效应？ 14、某金属在一
31、束黄光照射下，刚好有电子逸出（即用频率小于黄光的光照射就没有电子逸出） 。在下述情况下，电子的最大初动能及逸出的电子数目会发生什么变化？（1）增大光强而不改变光的频率；（2）用一束强度更大的红光代替黄光；（3）用强度相同的紫光代替黄光。1、电子，光电效应，光电子，逸出功，粒子 2、干涉，衍射，能量子，光子，光子 3、h ，逸出功，初动能，h WE k 4、传播方向，散射，康普顿,大于 5、 ，mc， ，粒子 6、B 7、D 8、BD 2ch9、CD 10、AB 11、AC 12、AB 13、310 14Hz，可以 14、 （1）最大初动能不变，光电子数目增加（2）无光电子逸出（3）最大初动能增大，光电子数目不变
