13-5-能量量子化(解析版)(人教2019必修第三册-)

第十三章电磁感应与电磁波初步13.5能量量子化目标导航目标导航课程标准课标解读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。1．了解黑体辐射及其研究的历史脉络，感悟以实验为基础的科学探究方法。2．了解能量子的概念及其提出的过程，领会这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想。3．了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子理论的建立极大地丰富和深化了人们对于物质世界的认识。知识精讲知识精讲知识点01热辐射1．概念：一切物体都在辐射电磁波，且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．【即学即练1】对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】黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素只有温度,故选项A正确,B、C、D错误。知识点02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．【即学即练2】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”的概念特征的是A选项,故A正确,B、C、D错误。知识点03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．3．原子的能级是分立的，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．【即学即练3】(多选)下列关于氢原子光谱和能级的说法正确的是 ()A.氢原子光谱中的亮线是由于氢原子从高能级向低能级跃迁时释放出光子形成的B.氢原子光谱不是连续的,是一些分立的亮线,说明了氢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】ABD【解析】原子处于能量越低的状态越稳定,C错误。能力拓展能力拓展考法01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弱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1】(多选)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知()A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动【答案】ACD【解析】由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来。考法02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.【典例2】(多选)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收能量时，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收能量时，是一份一份的，微观粒子的能量是量子化的，是分立的，A、D正确。考法03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．3．放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱是一些分立的亮线．【典例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，由于能级的分立性，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．分层提分分层提分题组A基础过关练1.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除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关C．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】C【解析】黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，A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，B错误，C正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔成了黑体，D错误。2.能正确解释黑体辐射实验规律的是()A．能量的连续经典理论B．普朗克提出的能量量子化理论C．以上两种理论体系任何一种都能解释D．牛顿提出的能量微粒说【答案】B【解析】根据黑体辐射的实验规律，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释，B正确。3.(多选)对于带电微粒的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】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，A、B、D正确，C错误。4.(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．5.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．6.(多选)对于带电微粒的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】带电微粒辐射和吸收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收的，是不连续的，故A、B、D正确，C错误．7.已知某单色光的波长为λ，真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为()A．heq\f(c,λ) B.eq\f(h,λ)C.eq\f(c,hλ) D．以上均不正确【答案】A【解析】由光速、波长的关系可得出光的频率ν＝eq\f(c,λ)，从而ε＝hν＝heq\f(c,λ)，故A正确．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．题组B能力提升练9.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t时间内发射的光子数为()A.eq\f(λPt,hc) B.eq\f(hPt,λc)C.eq\f(cPλ,ht) D．λPhct【答案】A【解析】每个光子的能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ)，t时间内发光的总能量为Pt，则n＝eq\f(Pt,ε)＝eq\f(λPt,hc)，故A正确．10.能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18J，已知可见光的平均波长为0.6μm，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，恰能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为()A．1个 B．3个C．30个 D．300个【答案】B【解析】每个光子的能量为E0＝heq\f(c,λ)，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E为10－18J，由E＝nE0得能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为n＝eq\f(E,E0)＝eq\f(Eλ,hc)＝eq\f(10－18×6×10－7,6.63×10－34×3×108)个≈3个，故选B.11.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.2.3×10-18WB.3.8×10-19WC.7.0×10-10WD.1.2×10-18W【答案】A【解析】因每秒有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到的最小功率P=Et,式中E=6ε,t=1s,又ε=hν=hcλ,可解得P=2.3×10-1812.第26届国际计量大会决定,质量单位“千克”用普朗克常量h定义,“国际千克原器”于2019年5月20日正式“退役”。h的数值为6.63×10-34,根据能量子定义,h的单位是,该单位用国际单位制中的力学基本单位表示,则为。

【答案】J·skg·m2/s【解析】能量子ε=hν,则h=ε/ν,故h的单位为J·s。由W=Fs=mas可知,1J=1kg·(m/s2)·m,故1J·s=1kg·m2/s。13.某小灯泡功率P=1W,设其发光向四周均匀辐射,平均波长λ=10-6m,求在与小灯泡相距d=1.0×104m处,每秒落在垂直于光线方向且面积为1cm2的球面(以小灯泡为球心)上的光子数是多少?(普朗克常量h=6.63×10-34J·s)【答案】3.98×105【解析】每秒小灯泡发出的能量E=Pt=1J1个光子的能量ε=hν=hcλ=6.63×10-小灯泡每秒辐射的光子个数为n=Eε=1J1与小灯泡相距d的球面面积为S=4πd2=4π×(1.0×104)2m2=1.256×1013cm2所以每秒射到1cm2的球面上的光子数为N=nS=5×10181.256×1013(个题组C培优拔尖练14.40瓦的白炽灯，有5%的能量转化为可见光．设所发射的可见光的平均波长为580nm，那么该白炽灯每秒辐射的光子数为多少？(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3×108m/s)【答案】5.8×1018个【解析】波长为λ的光子能量为ε＝hν＝heq\f(c,λ)①设白炽灯每秒辐射的光子数为n，白炽灯的电