人教版高中物理必修三 （能量量子化） 课件

13.5能量量子化第十二章电磁感应与电磁波初步

教学目标1.了解热辐射。2.知道能量子和普朗克常量。3.了解能级及原子光谱。引入19世纪末，经典物理学在各个领域都取得了很大的成功力学热学电磁学当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中，认为物理学已经发展到头了。引入威廉·汤姆孙开尔文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。但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。引入后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。量子论相对论热辐射在炉火旁边有什么感觉？冬天会感觉到很暖和，因为炉火在辐射能量热辐射现象：一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，故称为热辐射。投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？投在炉中的铁块随温度升高依次呈现不同颜色：这是热辐射的一个特性这表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。热辐射热辐射热辐射的两条定性规律：1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，不同波长，辐射强度不同。在室温下，辐射的主要成分是波长较长的电磁波在高温情况下，辐射的主要成分是波长较短的电磁波2.温度升高，辐射强度增大，同时辐射电磁波的频率和波长也在变化。热辐射1.热辐射:我们周围的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫热辐射。2.辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。当温度升高时,热辐射中波长较短的成分越来越强。3.除了热辐射外,物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。黑体黑体：如果一个物体在任何温度下，都能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。一个黑体在各种温度下，同样也会不断辐射出电磁波，这就是黑体辐射。在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔中会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔就可以看成一个绝对黑体。德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。1.黑体实际上是不存在的,只是一种理想情况。2.黑体不一定是黑的,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,如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也有时被看作黑体来处理。3.黑体同其他物体一样也在辐射电磁波,黑体的辐射规律最为简单,黑体辐射强度只与温度有关。4.一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点热辐射不一定需要高温,任何温度都能发生热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。在一定温度下,不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。黑体黑体辐射一个黑体在各种温度下，同样也会不断辐射出电磁波，这就是黑体辐射。那么，在研究热辐射的规律时，人们为什么特别注意对黑体辐射进行研究？实验表明：对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种具有普通意义的客观规律。黑体辐射温度升高，各种波长的辐射强度都有增加；温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。黑体为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克做了多种尝试，进行了激烈的思想斗争。普朗克普朗克微观世界的某些规律，在我们宏观世弄看来可能非常奇怪。能量子能量子假说带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的。在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的，这种现象叫能量的量子化。能量子1.普朗克的量子化假设(1)能量子振动着的带电微粒的能量只能是最小能量值ε的整数倍。例如,可能是ε或2ε、3ε……,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一份一份地辐射或吸收,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)能量子公式:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。h≈6.626×10-34J·s(一般取h=6.63×10-34J·s)。(3)能量量子化:在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫能量量子化。能量子2.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为:物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化;在研究微观粒子时必须考虑量子化。能量子例2光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400-700nm,求400nm、700nm的电磁辐射的能量子的值是多少?

能级玻尔认为,电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动,如氢原子中电子运动轨道的最小半径是0.53×10-10m,其他的轨道半径只能是2.12×10-10m、4.77×10-10m等,轨道半径不可能是介于这些值之间的中间值,经典物理学的观点是怎样的?能级1.能级:微观世界的能量取分立值的观念也适用于原子系统,原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作能级。2.原子处于能量最低的状态是最稳定的。3.原子获得能量有可能跃迁到较高的能量状态,这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁。4.原子从高能级向低能级跃迁放出的光子的能量等于前后两个能级之差,原子从低能级跃迁到高能级吸收光子的能量也等于前后两个能级之差。5.由于原子的能级是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,原子的发射光谱只有一些分立的亮线。能级例3一个氢原子从高能级跃迁到低能级,该氢原子(

)A.放出光子,能量增加

B.放出光子,能量减少C.吸收光子,能量增加

D.吸收光子,能量减少解析:氢原子能级越高对应的能量越大,当氢原子从较高能级向较低能级跃迁时放出光子,能量减少,B正确,A、C、D错误。答案:B本课结束第5节能量量子化

核心素养物理观念科学思维科学探究1.了解黑体辐射和能量子的概念。2.了解黑体辐射的实验规律。3.知道能量子。4.了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念。5.会计算原子跃迁时吸收或辐射光子的能量。1.了解黑体辐射、一般辐射的特点。2.理解能量量子化、轨道量子化，初步了解量子理论。1.探究黑体辐射的实验规律。2.探究量子理论形成的原因。知识点一热辐射晒太阳使身体变暖，是通过什么方式改变人体内能的？冬天在火炉旁烤手是通过什么方式改变人体内能的？[观图助学]1.热辐射 (1)定义：周围的一切物体都在辐射________，这种辐射与____________有关，所以叫热辐射。 (2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的________不同而有所不同。2.黑体 (1)定义：某种物体能够____________入射的各种波长的电磁波而不发生_______，这种物体就叫作黑体。 (2)黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的_______有关。电磁波物体的温度温度完全吸收反射温度[思考判断](1)热辐射只能产生于高温物体。(

)(2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。(

)(3)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。(

)(4)黑体是一种客观存在的物质。(

)×√√×1.定义：普朗克认为，振动着的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叫作________。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)。整数倍知识点二能量子一份一份能量子普朗克3.能量的量子化：普朗克的假设认为微观粒子的能量是________的，或者说微观粒子的能量是________________的。爱因斯坦把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的，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。这些能量子后来被叫作________。量子化不连续(分立)能量子光子[思考判断](1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(

)(2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。(

)√√1.能级：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是________的。这些________的能量值叫作能级。2.能级跃迁：通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最________的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会________地向能量较低的能级________，放出光子。原子从高能态向低能态________时放出的光子的能量，等于前后两个能级________。量子化知识点三能级量子化稳定自发跃迁跃迁之差[思考判断](1)处于基态的原子是不稳定的，会自发地向其他能级跃迁，放出光子。(

)(2)不同的原子具有相同的能级，原子跃迁时辐射的光子频率是相同的。(

)××[观察探究]

如图所示，一个闭合的空腔，在空腔表面开一个小孔，小孔就可以模拟一个黑体，观察从外面射来的电磁波的传播情况，思考：什么是黑体？

答案经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从空腔射出。这个闭合的空腔类似于黑体，黑体实际上是不存在的，只是一种理想模型。核心要点对热辐射、黑体和黑体辐射的理解[探究归纳]1.黑体不一定是黑的，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，如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体来处理。2.黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关。[试题案例][例1]近年来军事行动中，士兵都配戴“红外夜视仪”，在夜间也能清楚地看清目标，主要是因为(

) A.“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体 B.一切物体均在不停地辐射红外线 C.一切高温物体均在不停地辐射红外线 D.红外线属于可见光解析一切物体都在不停地向外辐射红外线，不同物体辐射出来的红外线不同，采用“红外夜视仪”可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置，不受白天和夜晚的影响，即可确认出目标从而采取有效的行动。故只有B正确。答案B[针对训练1](多选)下列叙述正确的是(

)A.一切物体都在辐射电磁波B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波解析根据热辐射定义知A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B错误，C正确；根据黑体定义知D正确。答案ACD[观察探究]某激光器能发射波长为λ的激光，那么激光能量子的能量可以取任意值吗？是连续的还是一份一份的？设普朗克常量为h，那么每个激光能量子的能量是多少？如果激光发射功率为P，那么每秒钟发射多少个能量子？核心要点对能量子的理解[探究归纳]1.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。2.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。3.光子的能量与入射光的强度

光子的能量即一个光子的能量，其值为ε＝hν(ν为光子的频率)，可见光子的能量由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到单位面积上的总能量，等于光子能量hν与入射光子数n的乘积，即光强等于nhν。4.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。[试题案例][例2](多选)关于对能量子的认识，下列说法正确的是(

) A.振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍 C.能量子与电磁波的频率成正比 D.这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的解析由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A错误，B正确；最小能量值ε＝hν，C正确；能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，并不是与现实世界相矛盾，故D错误。答案BC[例3]人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10－34J·s，光速为3.0×108m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是(

) A.2.3×10－18W B.3.8×10－19W C.7.0×10－10W D.1.2×10－18W答案A方法总结解决此类题目的关键是熟练掌握ε＝hν和c＝λν及E＝Pt＝nε等关系式。[针对训练2]硅光电池是将光辐射的能量转化为电能。若有N个波长为λ0的光子打在硅光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量，c为真空中的光速)(

)答案B[针对训练3]