第5节　能量量子化

第5节能量量子化核心素养导学物理观念(1)了解黑体辐射的概念。(2)了解能量子的概念及其提出过程。(3)了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。科学态度与责任(1)通过对黑体辐射研究的历史脉络，感悟以实验为基础的科学探究方法。(2)领会能量子这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想。(3)体会量子理论的建立使人们对于物质世界的认识的丰富和深化。一、热辐射1．热辐射的概念：物体具有的与_____有关的辐射电磁波的方式。2．热辐射规律：物体在室温时，热辐射的主要成分是波长_____的电磁波，当温度升高时，热辐射中波长较____的成分越来越强。3．黑体：能够完全吸收入射的各种波长的_______而不发生____的物体。4．黑体辐射规律：黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波，而且辐射电磁波的强度按_____的分布只与它的_____有关。温度较长短电磁波反射波长温度二、能量子1．定义：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的_____倍。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。2．能量子的大小：ε＝___，其中ν是电磁波的_____，h是一个常量，称为普朗克常量，h＝6.62607015×10－34J·s。3．普朗克认为微观粒子的能量是_______的，是不连续(分立)的。4．爱因斯坦的光子说：光是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为____，这些能量子被叫作______。整数hν频率量子化hν光子三、能级1．定义：原子的能量是_______的，这些_______的能量值叫作能级。2．原子的稳定性：原子处于能量最低的状态时最稳定，原子处于能量较高的状态时不稳定，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出_____。3．能级跃迁规律：原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，_____前后两个能级之差。4．原子的发射光谱的特征：原子的能级是分立的，放出的光子的能量也是分立的，因此，原子的发射光谱只有一些_____的亮线。量子化量子化光子等于分立1.如图所示，铁块随着温度的升高，其颜色分别呈现暗红、赤红、橘红等颜色。试对以下结论作出判断。(1)铁块在常温下不向外辐射电磁波。

()(2)铁块辐射电磁波的波长与物体的温度有关。

()(3)铁块温度越高辐射电磁波的波长越短。

()×√√2．我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100nm(1nm＝10－9m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。“大连光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。则“大连光源”发出的极紫外激光脉冲光子能量为多少？新知学习(一)|对黑体及黑体辐射的理解[重点释解]1．对黑体的理解(1)绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。(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)也被当作黑体来处理。2．一般物体与黑体的比较

热辐射特点吸收、反射特点一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，也与材料的种类及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3．黑体辐射的实验规律(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。(2)随着温度的升高①各种波长的辐射强度都有增加；②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如图所示。[针对训练]1．(2022·山东泰安质检)下列说法不正确的是

(

)A．只有温度高的物体才会有热辐射B．黑体可以向外界辐射能量C．黑体也可以看起来很明亮，是因为黑体也可以有较强的辐射D．普朗克引入能量子的概念得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元解析：任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能量越多，故A错误；能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体叫作黑体，黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波，有些黑体有较强的辐射，看起来也可以很明亮，故B、C正确；普朗克引入能量子的概念得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元，故D正确。答案：A2．(2022·福建宁德调研)下列有关黑体和黑体辐射的说法错误的是

(

)A．黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射B．黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)C．黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释D．黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释解析：黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，故A正确不符合题意；根据辐射规律可知，黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)，故B正确不符合题意；黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释，故C错误符合题意，D正确不符合题意。答案：C3．关于黑体辐射图像如图所示，下列判断正确的是

(

)A．T1>T2>T3>T4B．T1<T2<T3<T4C．T1＝T2＝T3＝T4D．测量某黑体任一波长的光的辐射强度可以得知其温度解析：因随着温度的升高，辐射强度增强，同时辐射强度的极大值向波长较短方向移动，所以T1>T2>T3>T4，A正确，B、C错误；测量某黑体辐射强度最强的光的波长可以得知其温度，D错误。答案：A新知学习(二)|

对能量子的理解与计算[重点释解]1．每个能量子的能量ε＝hν，其中ν是电磁波的频率；光子的能量ε＝hν，其中ν是光的频率。2．能量子观点与黑体辐射实验的比较普朗克能量子假设认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。借助于能量子的假说，普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得很好。3．对能量量子化的理解(1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。(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能量量子化。[典例体验][典例]

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．1.2×10－18

W[针对训练]1．(2022·山东德州质检)关于能量量子化，下列说法正确的是

(

)A．能量子假设最早是由爱因斯坦提出来的B．微观粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍C．电磁波的波长越长，其能量子越大D．能量子假说与宏观世界中对能量的认识相矛盾，因而它一定是错误的观点答案：B2．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，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εB．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：普朗克能量子假说认为，能量存在某一个最小值，带电微粒辐射或吸收的能量只能是这个最小能量值的整数倍，故A错误，B正确；能量子与电磁波的频率成正比，故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一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

物理观念——量子化观念的理念1．(选自鲁科版教材课后练习)普朗克在1900年提出了量子假说，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，是一份一份地进行变化，对应四个选项可知，一份一份变化的是人的个数，物体的重力、动能、长度都是连续的，故A正确，B、C、D均错误。答案：A

科学态度与责任——量子通信及量子通信网络2．(选自粤教版教材“资料活页”)所谓量子通信，是指利用粒子在由两个或两个以上粒子组成的系统中相互影响(即量子纠缠)进行信息传递的一种新型的通信方式。与现在成熟的通信技术相比，量子通信具有保密性强、容量大、传输距离远等巨大的优越性。因此量子通信不仅在军事、金融等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。我国对量子通信的研究始于20世纪90年代，1997年，我国科学家首次实现了未知量子态的远程传输，这是国际上第一次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上，并于2006年实现超过100km的信息传输，由此打开了量子通信走向应用的大门。2009年9月，我国建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信，标志着我国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。2016年8月，由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，人类首次完成卫星和地面之间的量子通信，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。2018年1月，我国科研团队利用“墨子号”量子科学实验卫星，在中国和奥地利之间首次实现了距离达7600km的洲际加密数据传输和视频通信，标志着“墨子号”已具备洲际量子保密通信能力。全球跨度最大、史上最安全的量子通信网络正在悄然出现。2.右图是被誉为“中国天眼”的世界最大单口径射电望远

镜(简称FAST)它可以接收来自宇宙深处的电磁波。中国

天眼的存在，使得深空通信能力延伸至太阳系外缘行星，

对探索宇宙的起源和地外文明具有重要意义。如果为天

眼配备一部发射功