第6章　第4节　电磁波及其应用 第5节　量子化现象-高中物理 必修第3册(配粤教版)

第四节电磁波及其应用第五节量子化现象[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道电磁波的概念及电磁波的产生原理，知道光是一种电磁波，光的能量是不连续的，能解释相关的自然现象科学思维理解电磁波的产生原理，了解电磁波的应用和电磁污染及防护，具有与光的量子化有关的能量观念科学探究能上网查询，提出与电磁场、电磁波、光子等相关的问题，能根据实验现象形成结论，能主动与他人交流实验过程与结果科学态度与责任能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响，能理性讨论电磁污染及其防护问题。通过对场的认识，能体会人类对自然界的认识是不断发展的知识点一电磁场与电磁波1．电磁场(1)麦克斯韦电磁场理论的两个基本假设：①变化的磁场能够在周围空间产生电场(如图甲所示)。②变化的电场能够在周围空间产生磁场(如图乙所示)。甲变化的磁场在其周围空间产生电场乙变化的电场在其周围空间产生磁场(2)电磁场：变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为电磁场。2．电磁波(1)电磁波的产生：周期性变化的磁场周围会产生周期性变化的电场，周期性变化的电场周围也会产生周期性变化的磁场。变化的电场和变化的磁场相互联系在一起，就会在空间形成一个统一的、不可分割的电磁场，这种在空间交替变化的电磁场传播出去就形成了电磁波。(2)电磁波可以在真空中传播，电磁波的传播不需要介质。知识点二电磁场的物质性1．电磁场的特点：看不见摸不着，没有固定的形状和体积，几个电磁场可以同时占有同一空间。2．电磁场的物质性的验证：(1)微波炉利用电磁波来加热食物，说明电磁场具有能量。(2)光压现象说明电磁场具有质量。(3)美国物理学家康普顿通过实验验证了电磁场和电荷系统相互作用时遵守动量守恒定律和能量守恒定律。3．作用：认识到电磁场是一种物质，能够让人类充分利用其物质属性，开展更深入、广泛的研究与应用。知识点三电磁波的应用1．电视广播(1)电视通过电磁波传播视频信号，其原理与传播音频信号相似。(2)通常电视广播使用微波(选填“长波”“中波”或“微波”)传送电视信号。(3)人们利用电磁波将电视信号先传递给地球同步通信卫星，然后由通信卫星将信号传回大地。2．雷达(1)雷达是利用电磁波进行测距、定位的仪器。(2)组成：雷达主要由发射机、接收机和显示器等部分组成。(3)雷达工作时使用的是微波(选填“长波”“中波”或“微波”)。3．移动电话(1)现代通信技术是电磁波最辉煌的应用成果之一。(2)无线电话、无线对讲机、移动电话均是通过电磁波实现信号的发射与接收的。电磁波是一种客观存在的物质，具有能量。1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在。 (×)(2)变化的磁场可以产生电场，但变化的电场不能产生磁场。 (×)(3)雷达是通过接收障碍物发出的电磁波来确定物体位置的。 (×)知识点四光是一种电磁波1．19世纪60年代，麦克斯韦建立了电磁场理论。2．1888年，赫兹用实验证实了电磁波的存在，并证明了电磁波和光一样具有反射、折射、干涉和衍射等性质。3．电磁波的速度等于光速。知识点五能量子假说1．热辐射(1)热辐射：①定义：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。②特点：物体在热辐射中随温度的升高，辐射的较短波长的电磁波的成分越来越大。(2)黑体：①定义：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。②黑体辐射的特点：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。2．能量子(1)普朗克的假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。即能的辐射或者吸收只能是一份一份的。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)能量的量子化：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。知识点六光子假说1．光电效应(1)概念：当光照射在金属上时，有时会有电子从金属表面逸出，这种现象被称为光电效应，逸出的电子称为光电子。(2)实验规律：①用不同频率的光去照射阴极时，光的频率越大，光电子动能越大；②频率低于某一数值时，不论光的强度多大，都不能产生光电子。2．光子(1)概念：爱因斯坦1905年指出，当光和物质相互作用时，光的能量不是连续的，而是一份一份光量子，这些光量子称为光子。(2)光子的能量：ε＝hν。知识点七光的波粒二象性1．粒子性：爱因斯坦的光子假说成功地解释了光电效应，说明了光具有粒子性。2．波动性：光的干涉、衍射等实验事实说明了光具有波动性。3．光的波粒二象性：光的这种既具有波动性，又具有粒子性的性质称为光的波粒二象性。知识点八原子结构的玻尔理论1．定义：原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。2．能级跃迁：(1)通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。(2)把原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁。(3)处于高能级的原子，自发地向低能级跃迁时放出光子，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。3．原子光谱：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。能量子：不可再分割的最小能量值。2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。 (√)(2)在微观世界中能量不能连续变化。 (√)3：填空光是一种电磁波，则波长为400nm的光子的能量是4.97×10－19J。考点1麦克斯韦电磁场理论试探究：(1)观察上面两幅图，变化的磁场所产生电场的电场线和以前所学静电场的电场线有区别吗？(2)变化的磁场一定能产生电磁波吗？为什么？提示：(1)变化的磁场所产生的电场的电场线是闭合的；而静电场中的电场线是不闭合的。(2)不一定，均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场，不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场，如果变化的磁场能产生变化的电场，变化的电场又能产生变化的磁场，才能在周围空间产生电磁波。1．变化的磁场产生电场如图所示，麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路(导体环)是否存在无关。导体环的作用只是用来显示电流的存在。2．变化的电场产生磁场根据麦克斯韦理论，在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场，如图所示。3．变化的磁场产生电场(1)均匀变化的磁场产生恒定的电场。(2)非均匀变化的磁场产生变化的电场。(3)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。4．变化的电场产生磁场(1)均匀变化的电场产生恒定的磁场。(2)非均匀变化的电场产生变化的磁场。(3)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。【典例1】关于电磁场理论的叙述，不正确的是()A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关B．周期性变化的磁场产生同频率周期性变化的电场C．变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的整体，即电磁场D．电场周围一定存在磁场思路点拨：(1)相互激发的变化的电场与磁场的频率相等。(2)交替变化的电磁场是一个整体。D[故D符合题意。]在理解麦克斯韦的电磁场理论时，要注意静电场不产生磁场，静磁场也不产生电场，还要注意根据电场(或磁场)的变化情况来确定所产生的是什么样的磁场(或电场)。[跟进训练]1．某电路中电场随时间变化的图像如下列各图所示，能发射电磁波的电场是()ABCDD[图A中电场不随时间变化，不会产生磁场；图B和图C中电场都随时间做均匀的变化，只能在周围产生恒定的磁场，也不会产生和发射电磁波；图D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而这磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即电磁场，能交替发射电磁波，D正确。]考点2光的量子化与量子世界普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中的我们对能量的认识有什么不同？提示：宏观世界中我们认为能量是连续变化的，普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的，每一份是一个最小能量单位，即能量是不连续的。宏观世界中我们认为能量是连续变化的是因为每一个能量子的能量都很小，宏观变化中有大量的能量子，就可以看作是连续的。而研究微观粒子时，单个的能量子能量就显示出不连续性。1．物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，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。3．能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是电磁波的频率。【典例2】(多选)对于带电微粒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为单位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思路点拨：(1)吸收和辐射能量只能是一份一份的。(2)能量是量子化的，不连续的。ABD[带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的，故选项A、B、D正确，C错误。](1)带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。(2)当辐射或吸收能量时，也是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。(3)在微观世界中能量是量子化的。[跟进训练]2．(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BC[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。]1．(多选)下列关于电磁波的叙述中，正确的是()A．电磁波由电磁场发生区域向远处传播B．电磁波在任何介质中的传播速度均为cC．电磁波在真空中传播时，传播速度为cD．光是一种电磁波ACD[电磁波由电磁场发生区域向远处传播，电磁波在真空中的传播速度为c，故选项A、C、D正确。]2．(多选)下列说法正确的是()A．变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关B．恒定电流能够在周围空间产生恒定的磁场C．恒定电场能够在周围空间产生恒定的磁场D．均匀变化的电场能够在周围空间产生恒定的磁场ABD[变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合回路时，回路中有电流，若无闭合回路电场仍然存在，A正确；电场按其是否随时间变化分为恒定电场和变化的电场(如运动电荷形成的电场)，恒定电场不产生磁场，只有变化的电场周围空间才存在对应磁场，故C错误，D正确；恒定电流周围存在恒定磁场，B正确。]3．在下图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感应电场的是()ABCDC[A中磁场不变，则不会产生电场，故A错误；B中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故B错误；C中磁场随时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故C正确；D中磁场随时间做正弦式变化，则会产生非均匀变化的电场，故D错误。]4．(新情境题，以“人眼感光”为背景，考查光子的能量)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，已知c＝λν，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是多少？[解析]因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，又ε＝hν＝heq\f(c,λ)，可解得P＝eq\f(6×6.