第三、四节量子化现象物理学——人类文明进步的阶梯

1、第三、四节第三、四节 量子化现象量子化现象 物理学物理学人类文明进步的阶梯人类文明进步的阶梯1 1. .初步了解微观世界中的量子化现象，知道量子论的主要初步了解微观世界中的量子化现象，知道量子论的主要内容。内容。2 2. .知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，了解光的波知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，了解光的波粒二象性。粒二象性。3 3. .了解物理学与自然科学其他领域的关系，知道物理学的了解物理学与自然科学其他领域的关系，知道物理学的研究成果和研究方法对自然科学的影响和促进作用。研究成果和研究方法对自然科学的影响和促进作用。4.4.了解物理学对现代科学技术发展产生的巨大影响和作用。了

2、解物理学对现代科学技术发展产生的巨大影响和作用。十九世纪末二十世纪初，科学家在研究黑体辐射、光电十九世纪末二十世纪初，科学家在研究黑体辐射、光电效应、原子光谱和原子的稳定性等问题时发现，许多现效应、原子光谱和原子的稳定性等问题时发现，许多现象与经典物理学的观念产生了尖锐的矛盾，暴露了经典象与经典物理学的观念产生了尖锐的矛盾，暴露了经典物理学的局限性，从而引发了物理学的另一场革命物理学的局限性，从而引发了物理学的另一场革命量子论的建立，使人们对物质的认识由宏观世界进入微量子论的建立，使人们对物质的认识由宏观世界进入微观世界。观世界。一、黑体辐射：能量子假说的提出一、黑体辐射：能量子假说的提出什么

3、叫黑体辐射？什么叫黑体辐射？. .能把照射到它上面的色光全部吸收而无反射的物体能把照射到它上面的色光全部吸收而无反射的物体叫黑体；黑体辐射是指黑体发出的电磁辐射。叫黑体；黑体辐射是指黑体发出的电磁辐射。 如一块铁近似看成黑体，当给它加热，它吸收热能后，如一块铁近似看成黑体，当给它加热，它吸收热能后，铁快首先变成暗红，然后变黄变白，发出耀眼的光线，铁快首先变成暗红，然后变黄变白，发出耀眼的光线，这就叫黑体辐射。这就叫黑体辐射。2.2.经典物理学关于能量连续性的概念不能解析上述黑体经典物理学关于能量连续性的概念不能解析上述黑体辐射的现象，表明经典物理学关于能量连续性的概念不辐射的现象，表明经典物理

4、学关于能量连续性的概念不能适用微观世界的一些问题，预示着原有的理论存在缺能适用微观世界的一些问题，预示着原有的理论存在缺陷。陷。3.3.普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解析的困普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解析的困难，提出了难，提出了“能量子能量子”假说。假说。问题：问题：普朗克的普朗克的“能量子能量子”假说与宏观世界中我们对能假说与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同？量的认识有什么不同？过去人们认为一切自然过程都是连续的，比如能量过去人们认为一切自然过程都是连续的，比如能量的传递和释放过程中宏观壮态下的能量总是由一切微观的传递和释放过程中宏观壮态下的能量总是由一切微观状态下连

5、续排列组合而成，中间不间断。而普朗克认为状态下连续排列组合而成，中间不间断。而普朗克认为能量是不连续变化的，中间是间断的。因此，普朗克的能量是不连续变化的，中间是间断的。因此，普朗克的“能量子能量子”假说是对经典物理学理论的重大突破。假说是对经典物理学理论的重大突破。4.4.能量子假说：能量子假说： 所谓能量子就是能量的最小单元。微观领域里能量的所谓能量子就是能量的最小单元。微观领域里能量的变化总表现为电磁波的辐射与吸收，不同频率的电磁波其变化总表现为电磁波的辐射与吸收，不同频率的电磁波其能量子的值不同，表达式为：能量子的值不同，表达式为： E=hE=h 其中，其中，是电磁波的频率，是电磁波的

6、频率，h h是一个普遍适用的常量，是一个普遍适用的常量，称作称作普朗克常量。普朗克常量。由实验测得由实验测得h h 6.636.6310103434JsJs。5.5.能量的量子化能量的量子化 在微观领域里能量的不连续变化，即只能取分立值的在微观领域里能量的不连续变化，即只能取分立值的现象，叫做能量的量子化。现象，叫做能量的量子化。 普朗克的能量子假说不仅解决了黑体辐射的理论普朗克的能量子假说不仅解决了黑体辐射的理论困难，而且揭开了物理学上崭新的篇章。困难，而且揭开了物理学上崭新的篇章。二、光子说：对光电效应的解释二、光子说：对光电效应的解释1.1.光电效应：光电效应： 当光线当光线( (包括不

7、可见光包括不可见光) )照射到金属表面时，有电子从照射到金属表面时，有电子从金属表面发射出来的现象。发射出来的电子就是光电子。金属表面发射出来的现象。发射出来的电子就是光电子。 实验表明，光电效应现象能否发生不是取决于光的强实验表明，光电效应现象能否发生不是取决于光的强度而是取决于照射光的频率。极限频率的存在是与经典物度而是取决于照射光的频率。极限频率的存在是与经典物理学的理论矛盾最尖锐的地方。理学的理论矛盾最尖锐的地方。2.2.光子光子爱因斯坦爱因斯坦 光也是一种电磁波。光的最小能量单元就是光子，实光也是一种电磁波。光的最小能量单元就是光子，实际就是一种能量子。其能量为：际就是一种能量子。其

8、能量为：E=hE=h。3.3.光子说对光电效应的解释：光子说对光电效应的解释： 一个一个电子电子只能吸收一个光子；只能吸收一个光子； 电子电子吸收光子的能量向外吸收光子的能量向外“运动运动”时，要克服金属时，要克服金属的束缚作用而消耗能量的束缚作用而消耗能量( (叫做金属的逸出功叫做金属的逸出功) )。 吸收的光子能量要足够克服金属的束缚作用，吸收的光子能量要足够克服金属的束缚作用，电子电子才能够发射出来。才能够发射出来。光电效应演示实验光电效应演示实验三、光的波粒二象性：光的本质揭示三、光的波粒二象性：光的本质揭示1.1.光可以发生光可以发生干涉现象干涉现象、衍射现象衍射现象与与偏振现象偏振

9、现象，因此经，因此经典理论有典理论有“波动说波动说”，即光具有波动性。，即光具有波动性。2.“2.“光电效应光电效应”说明光子还具有说明光子还具有“粒子性粒子性”，因此，在，因此，在宏观上大量表现光子宏观上大量表现光子“波动性波动性”，在微观上少量光子表，在微观上少量光子表现为现为“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、原子光谱：原子能量的不连续四、原子光谱：原子能量的不连续1.1.经典理论与实验的矛盾经典理论与实验的矛盾经典理论：能量是连续变化的，原子发光的光谱是连续谱经典理论：能量是连续变化的，原子发光的光谱是连续谱实验结论：原子发光的光谱是不连续的线状

10、谱实验结论：原子发光的光谱是不连续的线状谱原子光谱原子光谱2.2.原子光谱的解释：原子光谱的解释： 原子只能处于一系列不连续的能量状态中，当原子从一原子只能处于一系列不连续的能量状态中，当原子从一种能量状态变化到另一种能量状态时，辐射（或吸收）一定种能量状态变化到另一种能量状态时，辐射（或吸收）一定频率的光子，辐射（或吸收）的光子的能量是不连续的。频率的光子，辐射（或吸收）的光子的能量是不连续的。结论：结论： 量子化现象是微观世界的普遍现象，这与经典理论量子化现象是微观世界的普遍现象，这与经典理论产生尖锐矛盾。这暴露了经典物理学的局限性（宏观、产生尖锐矛盾。这暴露了经典物理学的局限性（宏观、低

11、速）。从而引发了物理学的革命低速）。从而引发了物理学的革命量子论的建立，量子论的建立，使人类对物质的认识由宏观领域进入微观领域。使人类对物质的认识由宏观领域进入微观领域。 物理学是一门自然科学。是研究物质存在的基本形式、物理学是一门自然科学。是研究物质存在的基本形式、本质和运动规律，及物体之间的相互作用和转化的规律本质和运动规律，及物体之间的相互作用和转化的规律的科学。它崇尚理性、重视逻辑推理。可以说物理学是的科学。它崇尚理性、重视逻辑推理。可以说物理学是关于关于“万物之理万物之理”的科学。的科学。 物理学能让你变得更睿智物理学能让你变得更睿智! ! 物理学能让你变得更哲学物理学能让你变得更哲

12、学! ! 物理学能让你迈进科学的殿堂物理学能让你迈进科学的殿堂! ! 五、物理学五、物理学人类文明进步的阶梯人类文明进步的阶梯1.1.物理学与自然科学物理学与自然科学人类文明进步的基石人类文明进步的基石2.2.物理学与现代技术物理学与现代技术人类文明进步的推动力人类文明进步的推动力 物理学的基础性、技术性、思想性使之成为推动人类物理学的基础性、技术性、思想性使之成为推动人类文明进步的重要力量。文明进步的重要力量。(1)(1)基础性基础性 物理学是基础自然科学。物理学的研究成果和研究物理学是基础自然科学。物理学的研究成果和研究方法直接应用于化学、生物、地理、气象等自然科学，方法直接应用于化学、生

13、物、地理、气象等自然科学，大大加速了自然科学的发展和分化独立，甚至形成了新大大加速了自然科学的发展和分化独立，甚至形成了新的独立学科或分支学科。如天体物理学、空间物理学、的独立学科或分支学科。如天体物理学、空间物理学、地球物理学，流体力学、生物物理，物理化学、量子化地球物理学，流体力学、生物物理，物理化学、量子化学等等。使人们更全面地探索、认识自然界的规律。学等等。使人们更全面地探索、认识自然界的规律。(2)(2)技术性技术性 物理学几乎是一切工程科学的基础。物理学的成就直接物理学几乎是一切工程科学的基础。物理学的成就直接发展了各种各样的工程技术，形成了今天门类齐全、多样的发展了各种各样的工程

14、技术，形成了今天门类齐全、多样的工业体系。今天的许多高新技术也仍然是以物理学的研究成工业体系。今天的许多高新技术也仍然是以物理学的研究成果为基础的。这些工程技术的发展应用，极大地提高了社会果为基础的。这些工程技术的发展应用，极大地提高了社会生产力水平，改变了人类的生活、生产方式，创造了辉煌的生产力水平，改变了人类的生活、生产方式，创造了辉煌的物质文明。比如，机械、建筑科学就是经典力学原理的实际物质文明。比如，机械、建筑科学就是经典力学原理的实际运用，今天的电力、电子工业就是电磁学发展的结果，光学运用，今天的电力、电子工业就是电磁学发展的结果，光学特别是激光技术使得光纤通信、互联网、激光医学等莲

15、勃发特别是激光技术使得光纤通信、互联网、激光医学等莲勃发展。在万有引力定律基础上发展起来的航天技术使得人类的展。在万有引力定律基础上发展起来的航天技术使得人类的足迹不断地向宇宙深处延伸。足迹不断地向宇宙深处延伸。(3)(3)思想性思想性 物理学在自身的发展进步过程中积累的思想方法是人类物理学在自身的发展进步过程中积累的思想方法是人类思想领域的瑰宝。这些思想方法和物理学的研究成就一道在思想领域的瑰宝。这些思想方法和物理学的研究成就一道在改善人们的生产、生活条件的同时，也改变着人们的思维方改善人们的生产、生活条件的同时，也改变着人们的思维方式。指引着人们破除迷信、消除愚昧、尊重客观事实、尊重式。指

16、引着人们破除迷信、消除愚昧、尊重客观事实、尊重科学，不断追求真、善、美，推动人类文明的车轮滚滚向前。科学，不断追求真、善、美，推动人类文明的车轮滚滚向前。人类社会历史上的几次工业革命都是以物理学的重大成果为人类社会历史上的几次工业革命都是以物理学的重大成果为基础的。牛顿力学、热学的发展导致了第一次工业革命，使基础的。牛顿力学、热学的发展导致了第一次工业革命，使人类进入蒸汽机时代，解放了人的体力。电磁技术的突破性人类进入蒸汽机时代，解放了人的体力。电磁技术的突破性成就迎来了第二次工业革命，人类进入了电气化时代。量子成就迎来了第二次工业革命，人类进入了电气化时代。量子理论、相对论使得核物理学取得重

17、大突破，引发了第三次工理论、相对论使得核物理学取得重大突破，引发了第三次工业革命，人类进入了原子能时代。业革命，人类进入了原子能时代。1.1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的在演示光电效应的实验中，原来不带电的块锌板与块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板、验电器的指针就张灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板、验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时开一个角度，如图所示，这时( )( )A A锌板带正电锌板带正电 指针带负电指针带负电B B锌板带正电锌板带正电 指针带正电指针带正电C C锌板带负电锌板带负电 指针带正电指针带正电D D锌板带负电锌板带负电 指针带负电指针带负电【解析【解析】

18、弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，锌板表面弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，锌板表面会逸出光电子。锌板失去电子后带正电。验电器与锌板会逸出光电子。锌板失去电子后带正电。验电器与锌板相连所以验电器的指针也同样带正电，故应选相连所以验电器的指针也同样带正电，故应选B B2.2.关于光的本性，下列说法中正确的是（）关于光的本性，下列说法中正确的是（）A A关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动 说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性。说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性。B B光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子。波，也可以看成微观概念上的粒子。C C光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性。光具有粒子性。D D光的波粒二象