人教版高中物理新教材同步讲义 必修第三册 第13章　5　能量量子化（含解析）

5能量量子化[学习目标]1.了解热辐射和黑体的概念.2.初步了解微观世界的量子化特征，知道普朗克常量.3.了解原子的能级结构．一、热辐射1．概念：一切物体都在辐射电磁波，且这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射．2．特点：温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强．3．黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射．二、能量子1．概念：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，这个最小的能量值ε叫能量子．2．大小：ε＝hν，其中h＝6.63×10－34J·s.3．爱因斯坦光子说：光是由一个个不可分割的能量子组成，能量大小为hν，光的能量子称为光子．三、能级1．原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能级．2．原子从高能态向低能态跃迁时放出光子，光子的能量等于前后两个能级之差．判断下列说法的正误．(1)红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线．(×)(2)黑体一定是黑色的．(×)(3)热辐射只能产生于高温物体．(×)(4)当原子从能量较高的能态跃迁到能量较低的能态时，会放出任意能量的光子．(×)一、热辐射和黑体辐射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；有些可看成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．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．热辐射特点吸收、反射的特点一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、表面状况有关既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波的波长等因素有关黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关完全吸收各种入射电磁波，不反射例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答案ACD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，还与材料的种类、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．例2(多选)关于对黑体的认识，下列说法正确的是()A．黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关D．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体答案BD解析黑体能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射，这样的物体称为黑体，但不一定是黑色的，故A错误；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料种类及表面状况无关，故C错误，B正确；如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，就相当于吸收了所有电磁波，因此空腔成了一个黑体，故D正确．二、能量子1．普朗克的能量子概念(1)能量子：普朗克认为微观世界中带电粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍，当带电粒子辐射或吸收能量时，也只能以这个最小能量值为单位一份一份地吸收或辐射，这样的一份最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν，其中h叫作普朗克常量，实验测得h＝6.63×10－34J·s，ν为电磁波的频率．(2)能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化．量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的．2．爱因斯坦的光子说光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子．频率为ν的光子的能量为ε＝hν.例3(多选)(2021·江苏南通中学期中)对于带电微粒在辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是()A．以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收B．辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍C．吸收的能量可以是连续的D．辐射和吸收的能量是量子化的答案ABD解析根据普朗克能量子假说，带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，能量的辐射、吸收要一份份地进行，故选A、B、D.例4(多选)(2021·西安一中月考)某光源放出波长为500～600nm的各种光子，若已知该光A．2.0×1015 B．3.0×1015C．2.6×1015 D．1.5×1015答案BC解析每秒内该光源发光的能量E光源＝Pt＝1×10－3J，而波长为λ的光子的能量为E光子＝eq\f(hc,λ)，则每秒钟发射的光子数为n＝eq\f(E光源,E光子)＝eq\f(E光源λ,hc)，代入数值，得2.5×1015<n≤3.0×1015，故选B、C.三、能级1．能级原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级．2．能级之间的跃迁处于低能级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，处于高能级的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子．拓展延伸①能级越低，原子越稳定．②除受到高速运动的电子的撞击外，当吸收一定大小的光子的能量(等于跃迁前后的两能级之差)时，原子也能跃迁到高能级．3．原子的发射光谱(1)光谱特征如图所示是氦原子的光谱，原子的发射光谱只有一些分立的亮线．(2)光谱分立的原因原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差，因为原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的．例5(多选)下列说法正确的是()A．原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化B．原子从低能级向高能级跃迁时放出光子C．原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，且光子的能量等于前后两个能级之差D．由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线答案CD解析原子的能量是量子化的，原子从高能级向低能级跃迁时向外放出光子．光子的能量hν＝E初－E末，由于原子的能级是分立的，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线，故C、D正确．针对训练(多选)关于原子的能级跃迁，下列说法正确的是()A．原子从低能级跃迁到高能级要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差B．原子不能从低能级向高能级跃迁C．原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁，放出光子后从较高能级跃迁到较低能级D．原子跃迁时无论是吸收光子还是放出光子，光子的能量都等于始、末两个能级的能量差的绝对值答案CD考点一热辐射和黑体辐射1．黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是()A．温度 B．材料C．表面状况 D．以上都正确答案A解析黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，故选项A正确，B、C、D错误．2．关于热辐射的认识，下列说法正确的是()A．热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波B．温度越高，物体辐射的电磁波越强C．辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关D．常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色答案B解析一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，A错误，B正确；选项C是黑体辐射的特性，C错误；除光源外，常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，D错误．3．(多选)下列说法正确的是()A．物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波B．当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高C．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强D．早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高答案BC解析物体在某一温度下能辐射不同波长的电磁波，A错误；铁块呈现黑色，是由于它的辐射强度的极大值对应的波长段在红外部分，甚至波长更长，说明它的温度不太高，当铁块的温度较高时铁块呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强，故B、C正确；太阳早、晚时分呈现红色，而中午时分呈现白色，是大气吸收与反射了部分光的原因，不能说明中午时分太阳温度最高，D错误．考点二能量子4．普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，开创了物理学的新纪元．在下列宏观概念中，具有“量子化”特征的是()A．人的个数 B．物体所受的重力C．物体的动能 D．物体的长度答案A解析依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地变化的，属于“不连续的，一份一份”的概念的是A选项，故A正确，B、C、D错误．5．下列有关光子的说法不正确的是()A．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子B．光子是具有质量、能量和体积的实物微粒C．光子的能量跟它的频率有关D．紫光光子的能量比红光光子的能量大答案B解析光是在空间传播的电磁波，是不连续的，是一份一份的能量，每一份叫作一个光子，A正确；光子没有静止质量，也没有具体的体积，B错误；根据E＝hν可知光子的能量与光子的频率有关，紫光的频率大于红光的频率，所以紫光光子的能量比红光光子的能量大，C、D正确．6．(多选)(2021·重庆一中期中)下列说法正确的是()A．微观粒子的能量变化是跳跃式的B．能量子与电磁波的频率成正比C．红光的能量子比绿光的大D．电磁波波长越长，其能量子越大答案AB解析微观粒子的能量变化是跳跃式的，选项A正确；由ε＝hν可知，能量子与电磁波的频率成正比，选项B正确；红光的频率比绿光的小，由ε＝hν可知，红光的能量子比绿光的小，选项C错误；电磁波波长越长，其频率越小，能量子越小，选项D错误．7．(2021·湖北武昌实验中学期中)某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，c表示光速，h为普朗克常量，则激光器每秒发射的光子数为()A.eq\f(λP,hc)B.eq\f(hP,λc)C.eq\f(cPλ,h)D．λPhc答案A解析每个光子的能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ)，激光器每秒发射的总能量为P，则激光器每秒发射的光子数n＝eq\f(P,ε)＝eq\f(λP,hc).故选A.考点三能级8．一个氢原子从较高能级跃迁到较低能级．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，能量减少答案B解析由原子的能级跃迁规律知，氢原子从高能级跃迁到低能级时，辐射一定频率的光子，氢原子能量减少，光子的能量由这两个能级的能量差决定．故选B.9．(多选)(2021·银川一中期中)下列关于氦原子光谱和能级的说法正确的是()A．氦原子光谱中的亮线是由于氦原子从高能级向低能级跃迁时释放出光子形成的B．氦原子光谱不是连续的，是一些分立的亮线，说明了氦原子的能级是量子化的C．原子能量越高原子越稳定D．原子从高能态向低能态跃迁会放出光子，光子能量等于两个能级之差答案ABD10．(2021·海南中学期中)一盏电灯发光功率为100W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长λ＝6.0×10－7m，光速c＝3×108m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，在距电灯10m远处，以电灯为球心的球面上，1m2的面积每秒通过的光子数约为()A．2×1017个 B．2×1016个C．2×1015个 D．2×1023个答案A解析功率为100W的电灯每秒产生光能E＝100J，设电灯每秒发射的能量子数为n，E＝nhν＝nheq\f(c,λ)，在以电灯为球心的半径为10m的球面上，1m2的面积每秒通过的能量子数n′＝eq\f(Eλ,4πR2hc)≈2.4×1017个．故选A.11．(2021·天津市南开中学期中)人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒有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．3.8×10－19WC．7.0×10－10W D．1.2×10－18W答案A解析因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，所以察觉到绿光所接收到的最小功率P＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，又因为ε＝h