2024版新教材高中物理第十三章电磁感应与电磁波初步5.能量量子化学生用书新人教版必修第三册

5．能量量子化核心素养定位物理观念通过生活实例，体会电磁波的辐射，初步形成热辐射的物理观念．科学思维利用普朗克假设和能量子的得出过程，培养学生的科学思维．科学探究通过对氢原子光谱的分析，探究出跃迁过程的特点．科学态度与责任知道量子理论对现代社会的引领作用及其在现代技术中的重要作用．一、热辐射1．定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的________有关，所以叫作热辐射．任何物体在任何温度下均发生热辐射2．辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同．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．4．黑体：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作________．黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的________有关．是一个理想化模型二、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________，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子．2．大小：ε＝________，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的，能量大小为________，光的能量子称为________．三、能级1．定义：原子量子化的能量值．2．原子处于能量最低的状态时最________，由高能级向低能级跃迁时放出________．3．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________.4．原子光谱的谱线是一些分立的亮线．【情境思考】如图所示为我国首颗量子通信卫星“墨子号”．“墨子号”的成功发射使我国在量子通信技术领域走在了世界前列．判断下列问题．(1)量子通信的理论基础是普朗克的能量量子化假设．()(2)该理论的提出背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律．()(3)黑体就是黑色的物体，所以它不向外辐射电磁波．()(4)黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的．()拓展1拓展2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．拓展3普朗克为了得出与实验相符的黑体辐射公式，做了多种尝试后才提出了能量子假设，然后根据能量子假设提出了与实验相吻合的黑体辐射的强度按波长分布的公式．普朗克大胆地破除了“能量连续变化”的传统观念，揭示了微观粒子的能量是分立的，成为物理学新思想的奠基者之一．目标一热辐射和黑体辐射【归纳】——————————————————○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，这个小孔就成了一个绝对黑体．(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．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，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【典例】——————————————————○例1下列说法正确的是()A．只有温度高的物体才会有热辐射B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量C.黑体可以看起来很明亮，是因为黑体可以反射电磁波D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关例2(多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度．如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像，则下列说法正确的是()A．T1>T2B．T1＜T2C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动[训练1](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目标二能量子的理解【归纳】——————————————————○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】——————————————————○例3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反比D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的例4“约瑟夫森结”由超导体和绝缘体制成．若在结两端加恒定电压U，则它会辐射频率为ν的电磁波，且ν与U成正比，即ν＝kU.已知比例系数k仅与元电荷e的2倍和普朗克常量h有关．你可能不了解此现象的机理，但仍可运用物理学中常用的方法．在下列选项中，推理判断比例系数k的值可能为()A．h2eB．2ehC．2heD思维提升有关能量子问题的解题技巧(1)熟练掌握能量子的计算公式：ε＝hν＝hcλ(2)把握宏观能量E＝Pt与微观能量子的关系：E＝nε.(3)正确建立模型．[训练2]下列宏观概念中，是量子化的为()A．物体的质量B．弹簧振子的能量C．汽车的个数D．卫星绕地球运行的轨道[训练3]课业负担重、沉迷电子产品已成为影响青少年视力的两大“杀手”．现代医学采用激光“焊接”视网膜技术来治疗近视，所用激光的波长λ＝660nm.已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光在真空中的传播速度c＝3×108m/s，则该激光中每个光子的能量为()A．3.0×10－19JB．1.6×10－19JC．1.0×10－19JD．1.0×10－18J目标三能级【归纳】——————————————————○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．【典例】——————————————————○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[训练4]下列叙述正确的是()A．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B．原子处于能级最高的状态时是最稳定的C．气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击只会跃迁到较低的能量状态D．原子的发射光谱是一些连续的亮线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2．(多选)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3．很多地方用红外线热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知道他的体温是多少．关于其中原理，下列说法正确的是()A．人的体温会影响周围空气温度，仪器通过测量空气温度便可知道人的体温B．仪器发出的红外线遇人反射，反射情况与被测者的温度有关C．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较短波长的成分强D．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较长波长的成分强4．一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5．两束强度相同的色光，都垂直地照射到物体表面，第一束光在某段时间内打在相同物体上的光子数与第二束光在相同时间内打在物体表面上的光子数之比为4∶5，则这两束光的光子能量和波长之比为()A．4∶54∶5B．5∶44∶5C．5∶45∶4D．4∶55∶46．光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400～700nm.400nm、700nm电磁波辐射的能量子的值各是多少？(结果均保留三位有效数字)5．能量量子化导学掌握必备知识一、1．温度4．黑体温度二、1．整数倍2．hν3．hν光子三、2．稳定光子3．差情境思考答案：(1)√(2)√(3)×(4)×共研突破关键能力目标一[例1]解析：任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能力越强，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错误；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，与构成黑体的材料、形状无关，而一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关，故D正确．答案：D[例2]解析：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关．实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．从题图中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，故A、D正确．答案：AD[训练1]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B正确，C错误；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．答案：BD目标二[例3]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，故A错误，B正确；最小能量值ε＝hν，ε与ν成正比，故C错误；能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，并不与现实世界相矛盾，故D错误．答案：B[例4]解析：根据物理单位知识，表达式及变形式两侧单位是一致的．本题中涉及的物理量ν、U、e、h及与其有联系的能量表达式E＝hν①，E＝Ue②，由①②得h的单位与Ueν的单位相同，即h单位可用V·C·s表示，题中ν＝kU，即k＝νU③，单位可用1V·s表示，选项B中2eh单位等效于CV·C·s答案：B[训练2]解析：汽车的个数的数值只能取正整数，不能取分数或小数，因而是不连续的，是量子化的．其他三个物理量的数值都可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的．答案：C[训练3]解析：由ε＝hν＝hcλ，代入数据可得每个光子的能量ε＝3.0×10－19J，故A答案：A目标三[例5]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．答案：CD[训练4]解析：原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级，原子从高能级向低能级跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差，故A正确；通常情况下，原子处于能级最低的状态，这是最稳定的，故B错误；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，会自发地向能量较低的能级跃迁放出光子，故C错误；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，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线，故D错误．答案：A精练落实学科素养1．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，故B错误，C正确；根据黑体定义知D正确．答案：ACD2．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.答案：ABD3．解析：根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加；随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．人的体温的高低，直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度，通过监测被测者辐射的红外线的情况就可知道这个人