13.5能量量子化-2023-2024学年高二物理（人教版2019必修第三册）（解析版）

第十三章电磁感应与电磁波初步第5节能量量子化课程标准学习目标知道光的能量是不连续的。初步了解微观世界的量子化特征。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）课前阅读：把铁块投进火炉中，刚开头铁块只是发热，并不发光。随着温度的上升，铁块会渐渐变红，开头发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色为什么会有这样的变化呢?答案：随着温度的上升，铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。（二）基础梳理一、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：温度上升时，热辐射中波长较短的成分越来越强．3．黑体：能够完全吸取入射的各种波长的而不发生反射．【拓展补充】量子通信卫星“墨子号”如图所示为我国首颗量子通信卫星“墨子号”。“墨子号”的成功放射使我国在量子通信技术领域走在了世界前列。(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试验的试验规律。(√)(3)黑体就是黑色的物体，所以它不向外辐射电磁波。(×)(4)黑体只吸取电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的。(×)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：光是由一个个不行分割的能量子组成，能量大小为hν，光的能量子称为光子．【即学即练】推断下列说法的正误.推断下列说法的正误．(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)黑体肯定是黑色的．(×)(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．(×)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．分立分立【拓展补充】氢原子光谱图如图所示为氢原子光谱图，为什么只有一些分立的亮线？答案：原子放出光子，放出的光子的能量等于始、末两个能级的能量差值，能量肯定，放出光子的频率也肯定，因此氢原子的光谱只有些分立的亮线。一、热辐射和黑体辐射1．黑体实际上是不存在的，只是一种抱负状况．2．黑体不肯定是黑的，只有当自身辐射的可见光格外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，看起来还会很光明，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洁，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、吸取的特点热辐射不肯定需要高温，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．在肯定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同．热辐射特点吸取、反射的特点一般物体辐射电磁波的状况与温度有关，与材料的种类、表面状况有关既吸取又反射，其力量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取各种入射电磁波，不反射【典例精析】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状况只与温度有关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．黑体能够完全吸取入射的各种波长的电磁波答案ACD解析依据热辐射定义知，A正确；依据热辐射和黑体辐射的特点知，一般物体辐射电磁波的状况除与温度有关外，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；依据黑体定义知，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取能量时，也只能以这个最小能量值为单位一份一份地吸取或辐射，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，试验测得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放射和吸取时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不行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.【典例精析】例2．(多选)对于带电微粒在辐射和吸取能量时的特点，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取B．辐射和吸取的能量是某一最小值的整数倍C．吸取的能量可以是连续的D．辐射和吸取的能量是量子化的答案ABD解析依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、吸取要一份份地进行，故选A、B、D.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．拓展延长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，当吸取肯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．原子的放射光谱(1)光谱特征如图所示是氦原子的光谱，原子的放射光谱只有一些分立的亮线．(2)光谱分立的缘由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，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．例3．(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，所以原子的放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，所以原子的放射光谱只有一些分立的亮线，故C、D正确．1．对黑体的理解(1)确定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，假如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取，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个确定黑体。(2)黑体不肯定是黑的，只有当自身辐射的可见光格外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，看起来还会很光明，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一般物体黑体热辐射特点辐射电磁波的状况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关吸取、反射特点既吸取又反射，其力量与材料的种类及入射波长等因素有关完全吸取各种入射电磁波，不反射3．能量的量子化在微观世界里，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。4．能量子观点与黑体辐射试验的比较普朗克的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，与试验符合得很好。5．对能级跃迁的理解(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。(3)放出的光子的能量是分立的，所以原子的放射光谱是一些分立的亮线。一、单选题1．以下关于光子的说法正确的是（）A．光子的能量跟它的频率无关B．紫光光子的能量比红光光子的能量小C．光子是具有质量、能量和体积的实物微粒D．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子【答案】D【解析】A．依据可知光子的能量与光子的频率成正比，选项A错误；B．在可见光范围内，紫光的频率最大，红光的频率最小，依据可知紫光光子的能量比红光光子的能量大，选项B错误；C．光子具有能量，但没有静止质量，也没有具体的体积，它不是实物粒子，选项C错误；D．光是在空间传播的电磁波，是不连续的，是一份一份的能量，每一份叫做一个光子，选项D正确。故选D。2．红外线热像仪可以监测人的体温，当被测者从仪器前走过时，便可知道被测者的体温是多少。关于红外线热像仪测体温的原理，下列说法正确的是（）A．人的体温会影响四周空气温度，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，反射状况与被测者的体温有关C．被测者会辐射红外线，所辐射红外线的强度以及按波长的分布状况与温度有关，温度高时辐射强，且较短波长的辐射强度大D．被测者会辐射红外线，所辐射红外线的强度以及按波长的分布状况与温度有关，温度高时辐射强，且较长波长的辐射强度大【答案】C【解析】AB．依据热辐射的试验规律可知，人的体温上升，人体辐射的红外线的频率和强度就会增加，通过监测被测者辐射的红外线的频率和强度，就可以知道该人的体温了，故A、B错误；CD．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布状况与温度有关，随着温度的上升，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，因此热辐射中较短波长的成分越来越多，故C正确，D错误。故选C。3．下列说法正确的是（）A．只有温度高的物体才会有热辐射B．黑体只是从外界吸取能量，从不向外界辐射能量C．黑体可以看起来很光明，是由于黑体可以反射电磁波D．一般材料的物体，辐射电磁波的状况除与温度有关外，还与材料的种类和表面状况有关【答案】D【解析】A．任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的力量越强，故A错误；BC．能够完全吸取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，看起来也可以很光明，故BC错误；D．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、外形无关，而一般物体辐射电磁波的状况除与温度有关外，还与材料的种类和表面状况有关，故D正确。故选D。4．第五代移动通信技术，简称，将开启万物互联时代：车联网、物联网、才智城市、自动驾驶技术等将逐一实现。应用频段的无线电波传送信号，相比于现有的（频段）而言，所应用的无线电波（）A．在真空中的波长更长 B．在真空中的波长更短C．在真空中的传播速度更小 D．在真空中的传播速度更大【答案】B【解析】AB．5G应用3300MHz~5000MHz频段的无线电波传送信号，4G应用1880MH~2635MHz频段的无线电波传送信号，则5G信号的频率比4G信号高，由可知5G电波比4G电波在真空中的波长更短，A错误，B正确；CD．依据麦克斯韦电磁场理论，可知任何电磁波在真空中的传播速度均为光速，CD错误。故选B。5．如图所示，用一束太阳光去照射横截面为三角形的玻璃砖，在光屏上能观看到一条彩色光带。下列说法正确的是（）A．玻璃对b光的折射率大B．c光子比b光子的能量大C．此现象是由于光在玻璃砖中发生全反射形成的D．减小a光的入射角度，各种色光会在光屏上依次消逝，最先消逝的是b光【答案】B【解析】AB．由光路可知，c光的偏折程度较大，可知玻璃对c光的折射率大，则c光的频率较大，依据可知，c光子比b光子的能量大，选项A错误，B正确；C．此现象是由于光在玻璃砖中发生折射形成的，选项C错误；D．因可知，c光的临界角较小，若减小a光的入射角度，各种色光在右侧面的入射角变大，c光的入射角最先达到临界角发生全反射，则最先消逝的是c光，选项D错误。故选B。6．硅光电池是将光辐射的能量转化为电能。若有个波长为的光子打在硅光电池极板上，这些光子的总能量为为普朗克常量，为真空中的光速（）A． B． C． D．【答案】B【解析】由于单个光子的能量为所以个光子的总能量又由于解得故选B。7．能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为，已知可见光的平均波长约为，普朗克常量为，则进入人眼的光子数至少为（）A．个 B．个 C．个 D．个【答案】B【解析】每个光子的能量为能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为由得能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少个个ACD错误，B正确。故选B。8．对于带电微粒在辐射和吸取能量时的特点，以下说法不正确的是（）A．以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸取B．辐射和吸取的能量是某一最小值的整数倍C．吸取的能量可以是连续的D．辐射和吸取的能量是量子化的【答案】C【解析】带电微粒辐射和吸取能量时是以最小能量值，即能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸取的，是不连续的。故ABD正确，C错误。故选C。二、多选题9．对宇宙微波背景辐射的黑体谱外形的争辩被誉为是宇宙学争辩进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法中正确的是（）A．微波是指波长在10-3m到10m之间的电磁波B．微波和声波一样都只能在介质中传播C．黑体的热辐射实际上是电磁辐射D．普朗克在争辩黑体的热辐射问题中提出了能量子假说【答案】ACD【解析】A．微波是电磁波中按波长分类波长较小的一种，微波是指波长在10-3m到10m之间电磁波，故A正确；B．微波是电磁波，电磁波既能在介质中传播也能在真空中传播，而声波是机械波，只能在介质中传播，故B错误；C．黑体向外辐射的是热量，是以光子的形式辐射的，而光是电磁波，所以黑体的热辐射实际上是电磁辐射故，C正确。D．普朗克在争辩黑体辐射的过程中提出了黑体辐射的能量是一份一份的，从而提出了能量子的假说，故D正确。故选ACD。10．关于普朗克“能量量子化”的假设，下列说法正确的是（）A．认为带电微粒辐射或吸取能量时，是一份一份的B．认为能量值是连续的C．认为微观粒子的能量是量子化的、连续的D．认为微观粒子的能量是分立的【答案】AD【解析】普朗克的理论认为带电微粒辐射或吸取能量时，是一份一份的，微观粒子的能量是量子化的，是分立的。故选AD。11．关于波的性质，下列说法正确的是（

）A．波是振动的传播，所以波的传播都需要介质B．只要两列波的频率相同，就能形成稳定干涉C．哈勃望远镜观测到遥远恒星发光的红移现象（频率变小），证明白宇宙在膨胀D．两列机械波叠加时，振动减弱点可能始终处于平衡位置E．光的衍射现象证明白光是一种波，而偏振现象则说明它是横波【答案】CDE【解析】A．机械波是介质之间相互作用，将振动的形式传播下去，所以机械波的传播需要介质，而电磁波是电磁场相互激发产生进行传播的，不需要介质，故A错误；B．形成稳定干涉的条件是，两列波的频率相同且相位差保持恒定不变，故B错误；C．依据多普勒效应，哈勃望远镜观测到遥远恒星发光的红移现象（频率变小），说明遥远恒星正在远离我们，证明白宇宙在膨胀，故C正确；D．假如两列机械波的振幅相同，叠加时，振动减弱点始终处于平衡位置，故D正确；E．光的衍射现象证明白光是一种波，而偏振现象则说明它是横波，故E正确。故选CDE。12．下列说法正确的是（）A．一切物体都在辐射电磁波B．一般物体辐射电磁波的状况只与温度有关C．黑体的热辐射实质上是电磁辐射D．普朗克在争辩黑体的热辐射问题中提出了能量子假说【答案】ACD【解析】A．依据热辐射定义可知，一切物体都在辐射电磁波，A正确；B．一般物体辐射电磁波的状况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，B错误；CD．普朗克在争辩黑体辐射时最早提出了能量子假说，他认为能量是一份一份的，每一份是一个能量子，黑体辐射本质上是电磁辐射，CD正确。故选ACD。13．对于带电微粒在辐射和吸取能量时的特点，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取B．辐射和吸取的能量是某一最小值的整数倍C．吸取的能量可以是连续的D．辐射和吸取的能量是量子化的【答案】ABD【解析】带电微粒辐射和吸取能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸取的，是不连续的。故选ABD。14．2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发觉了宇宙微波背景辐射的黑体谱外形及其温度在不同方向上的微小变化。他们的精彩工作被誉为是宇宙学争辩进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法正确的是（）A．一切物体都在辐射电磁波B．一般物体辐射电磁波的状况只与温度有关C．黑体的热辐射实质上是电磁辐射D．普朗克在争辩黑体的热辐射问题中提出了能量子假说【答案】ACD【解析】A．由热辐射的定义：任何物体都具有不断辐射、吸取、反射电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有肯定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射