第13章-第4-5節(jié)-電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用-能量量子化-新教材高中物理必修第三冊(cè)(人教版)(解析版)

第4節(jié)電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用第5節(jié)能量量子化課程內(nèi)容要求核心素養(yǎng)提煉1．了解麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，知道電磁波的形成和傳播．2．知道波長(zhǎng)、頻率、波速，了解電磁波譜．3．知道普朗克關(guān)于能量子的概念，了解原子的能級(jí)和能級(jí)躍遷．1．物理觀念：電磁場(chǎng)，電磁波的波長(zhǎng)、頻率、波速，電磁波譜，熱輻射，能量子，能級(jí)．2．科學(xué)思維：(1)電磁波的形成和傳播．(2)能量子觀點(diǎn)的建立和意義．一、電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用1．麥克斯韋電磁理論(1)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)．(2)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)．(3)變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一的電磁場(chǎng)．2．電磁波(1)麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)捕捉到了電磁波，證實(shí)了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論．(2)變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周?chē)鷤鞑バ纬闪穗姶挪ǎ?．電磁波譜(1)電磁波波速、波長(zhǎng)、頻率的關(guān)系式為c＝λf．(2)電磁波譜：按電磁波的波長(zhǎng)或頻率大小的順序把它們排列起來(lái)，就是電磁波譜．(3)不同電磁波有不同的特性，在生產(chǎn)、生活中具有廣泛的應(yīng)用．①長(zhǎng)波、中波、短波可用于廣播及其他信號(hào)的傳輸．②微波可用于衛(wèi)星通信、電視等的信號(hào)傳輸．③紅外線(xiàn)可以用來(lái)加熱理療，紫外線(xiàn)可以消毒，X射線(xiàn)可以用于診斷病情．4．電磁波的能量(1)赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，說(shuō)明電磁波是真正的物質(zhì)存在．(2)微波爐能加熱食物，收音機(jī)能收到電臺(tái)發(fā)射的電磁波，說(shuō)明電磁波具有能量．5．電磁波通信(1)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)電話(huà)等都是通過(guò)電磁波傳遞信息．(2)電磁波攜帶的信息，既可以有線(xiàn)傳播，也可以無(wú)線(xiàn)傳播．[判斷](1)穩(wěn)定的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)．(×)(2)電磁波可以在介質(zhì)中傳播，也可以在真空中傳播．(√)(3)電磁波的傳播速度一定為3×108m/s．(×)(4)電磁波具有能量可用于對(duì)物體加熱，也可以攜帶信息，用于信息通信．(√)二、能量量子化1．熱輻射(1)一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，叫作熱輻射．(2)黑體不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，經(jīng)典的電磁理論不能解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律．2．能量子(1)普朗克假設(shè)：振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，最小能量值ε叫作能量子．(2)能量子的大?。害牛絟ν，h稱(chēng)為普朗克常量．(3)普朗克假設(shè)認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或者說(shuō)是不連續(xù)(分立)的．(4)愛(ài)因斯坦認(rèn)為電磁場(chǎng)本身是不連續(xù)的，光本身是由能量子組成的，叫作光子．光子的能量ε＝hν．3．能級(jí)(1)原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級(jí)．原子可以自發(fā)地從能量較高的能級(jí)向能量較低的能級(jí)躍遷，放出光子．(2)原子躍遷時(shí)放出光子的能量，等于前后兩個(gè)能級(jí)之差．[判斷](1)物體在常溫下也在不斷地輻射電磁波．(√)(2)黑體不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波．(√)(3)普朗克認(rèn)為帶電微粒的能量是量子化的．(√)(4)原子發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)要放出光子．(×)探究點(diǎn)一麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論1．對(duì)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解恒定的電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)恒定的磁場(chǎng)不產(chǎn)生電場(chǎng)均勻變化的電場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)均勻變化的磁場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)不均勻變化的電場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)不均勻變化的磁場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的電場(chǎng)振蕩電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)振蕩磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩電場(chǎng)2．電磁場(chǎng)的產(chǎn)生如果在空間某處有周期性變化的電場(chǎng)，那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周?chē)臻g產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在它周?chē)臻g產(chǎn)生變化的電場(chǎng)——變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)是相互聯(lián)系著的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)．關(guān)于電磁場(chǎng)的理論，下列說(shuō)法正確的是()A．變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)一定是變化的B．變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生的電場(chǎng)一定是變化的C．均勻變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生的電場(chǎng)是均勻變化的D．振蕩電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)也是振蕩的D[非均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生非均勻變化的磁場(chǎng)，而均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，所以變化的電場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周?chē)欢óa(chǎn)生電場(chǎng)，但不一定變化，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；均勻變化的磁場(chǎng)一定產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；周期性變化的振蕩電場(chǎng)一定產(chǎn)生同周期變化的振蕩磁場(chǎng)，故選項(xiàng)D正確．][訓(xùn)練1]下列有關(guān)電磁場(chǎng)理論說(shuō)法正確的是()A．法拉第預(yù)言了電磁波的存在，并揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一性B．變化的磁場(chǎng)一定產(chǎn)生變化的電場(chǎng)C．均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)D．赫茲通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，證明了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論D[法拉第預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，證明了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論，并揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)D正確；均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．][訓(xùn)練2]在下圖所示的四種磁場(chǎng)情況中，能產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)的是()C[由電磁場(chǎng)理論，結(jié)合圖像，則有：選項(xiàng)A中磁場(chǎng)不變，則不會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；選項(xiàng)B中磁場(chǎng)方向變化，而大小不變，則不會(huì)產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；選項(xiàng)C中磁場(chǎng)隨著時(shí)間均勻變化，則會(huì)產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)，故選項(xiàng)C正確；選項(xiàng)D中磁場(chǎng)隨著時(shí)間非均勻變化，則會(huì)產(chǎn)生非均勻變化的電場(chǎng)，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤．]探究點(diǎn)二對(duì)電磁波的理解1．電磁波的特點(diǎn)(1)電磁場(chǎng)中儲(chǔ)存電磁能，電磁波的發(fā)射過(guò)程就是輻射能量的過(guò)程．(2)只有周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激發(fā)才能形成電磁波．(3)電磁波可以在真空中傳播，因?yàn)殡姶挪ū旧砭褪且环N物質(zhì)——場(chǎng)物質(zhì)，所以傳播時(shí)不再需要其他介質(zhì)．(4)任何頻率的電磁波在真空中的傳播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108m/s，電磁波傳播雖然不需要介質(zhì)，但在其他介質(zhì)中的速度都比在真空中的小．2．波長(zhǎng)、頻率與波速之間的關(guān)系波速＝波長(zhǎng)×頻率，即v＝λf．(1)頻率由波源決定，與介質(zhì)無(wú)關(guān)，波長(zhǎng)、波速的大小與介質(zhì)有關(guān)．所以同一電磁波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率不變，波速、波長(zhǎng)發(fā)生改變，在介質(zhì)中的速度都比在真空中速度小．(2)不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播速度不同．波長(zhǎng)為0.6μm的紅光，從10m外的交通信號(hào)燈傳到你的眼睛，大約需要多長(zhǎng)時(shí)間？它的頻率是多少？(c＝3×108m/s)解析由速度公式v＝eq\f(x,t)可求得時(shí)間，可根據(jù)電磁波波長(zhǎng)、頻率和波速關(guān)系式c＝λf可求得頻率其中t＝eq\f(x,c)＝eq\f(10,3×108)s≈3.33×10－8s由c＝λf得f＝eq\f(c,λ)＝eq\f(3×108,6×10－7)Hz＝5×1014Hz．答案3.33×10－8s5×1014Hz[訓(xùn)練3]關(guān)于電磁場(chǎng)和電磁波，下列說(shuō)法不正確的是()A．變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生變化的電場(chǎng)，兩者互相聯(lián)系，統(tǒng)稱(chēng)為電磁場(chǎng)B．電磁場(chǎng)從發(fā)生區(qū)域由近及遠(yuǎn)地傳播形成電磁波C．電磁波是一種物質(zhì)，可在真空中傳播．所以，平時(shí)說(shuō)真空沒(méi)有實(shí)物粒子，但不等于什么都沒(méi)有，還有“場(chǎng)”這種特殊物質(zhì)D．電磁波可在真空中傳播，也可在介質(zhì)中傳播A[根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，非均勻變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生的是恒定的磁場(chǎng)，所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤．][訓(xùn)練4](多選)下列關(guān)于電磁波的說(shuō)法正確的是()A．只要電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)生變化，就能產(chǎn)生電磁波B．電磁波的傳播需要介質(zhì)C．停止發(fā)射電磁波，發(fā)射出去的電磁波仍能獨(dú)立存在D．電磁波具有能量，電磁波的傳播是伴隨著能量向外傳遞的CD[要想產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，變化的電場(chǎng)(或磁場(chǎng))產(chǎn)生的磁場(chǎng)(或電場(chǎng))必須是非均勻變化的，所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤；電磁波是物質(zhì)波，電磁波的傳播可以不需要介質(zhì)而在真空中傳播，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電磁波可以脫離“波源”而獨(dú)立存在，選項(xiàng)C正確；電磁波具有能量，電磁波傳播的過(guò)程也就是能量傳播的過(guò)程，所以選項(xiàng)D正確．]探究點(diǎn)三電磁波譜1．電磁波譜是把電磁波按波長(zhǎng)由大到小的順序排列起來(lái)的圖表．順序?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)．它們共同構(gòu)成了范圍廣闊的電磁波譜．2．電磁波譜中各種波段的特征用途比較(如下表)電磁波譜無(wú)線(xiàn)電波紅外線(xiàn)可見(jiàn)光紫外線(xiàn)X射線(xiàn)γ射線(xiàn)特性波動(dòng)性強(qiáng)熱作用強(qiáng)感光性強(qiáng)化學(xué)作用熒光效應(yīng)穿透力大穿透力最強(qiáng)用途通信廣播、導(dǎo)航加熱、遙測(cè)遙感、紅外攝像、紅外制導(dǎo)照明、照相等殺菌消毒、治療皮膚病等檢查、探測(cè)、透視、治療探測(cè)、治療(多選)下列有關(guān)電磁波的特性和應(yīng)用，說(shuō)法正確的是()A．紅外線(xiàn)和X射線(xiàn)都有很高的穿透本領(lǐng)，常用于醫(yī)學(xué)上透視人體B．過(guò)強(qiáng)的紫外線(xiàn)照射有利于人的皮膚健康C．電磁波中頻率最大的為γ射線(xiàn)，可以摧毀病變的細(xì)胞D．紫外線(xiàn)和X射線(xiàn)都可以使感光底片感光CD[X射線(xiàn)有很高的穿透本領(lǐng)，醫(yī)學(xué)上常用于透視人體，紅外線(xiàn)則不能，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；過(guò)強(qiáng)的紫外線(xiàn)照射對(duì)人的皮膚有害，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電磁波中頻率最大的為γ射線(xiàn)，可以摧毀病變的細(xì)胞，選項(xiàng)C正確；紫外線(xiàn)和X射線(xiàn)都可以使感光底片感光，選項(xiàng)D正確．][訓(xùn)練5]下列關(guān)于紫外線(xiàn)的說(shuō)法正確的是()A．照射紫外線(xiàn)可增進(jìn)人體對(duì)鈣的吸收，因此人們應(yīng)盡可能多地接受紫外線(xiàn)的照射B．一切高溫物體發(fā)出的光都含有紫外線(xiàn)C．紫外線(xiàn)有很強(qiáng)的熒光效應(yīng)，常被用來(lái)防偽D．紫外線(xiàn)有殺菌消毒的作用，是因?yàn)槠溆袩嵝?yīng)C[由于紫外線(xiàn)有顯著的生理作用，殺菌能力較強(qiáng)，在醫(yī)療上有其應(yīng)用，但是過(guò)多地接受紫外線(xiàn)的照射，對(duì)人體來(lái)說(shuō)也是有害的，選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤；并不是所有的高溫物體發(fā)出的光都含有紫外線(xiàn)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；紫外線(xiàn)有很強(qiáng)的熒光效應(yīng)，可用來(lái)防偽，選項(xiàng)C正確．][訓(xùn)練6]關(guān)于生活中遇到的各種波，下列說(shuō)法正確的是()A．電磁波可以傳遞信息，聲波不能傳遞信息B．手機(jī)在通話(huà)時(shí)涉及的波既有電磁波又有聲波C．太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光和醫(yī)院“B超”中的超聲波傳播速度相同D．遙控器發(fā)出的紅外線(xiàn)波長(zhǎng)和醫(yī)院“CT”中的X射線(xiàn)波長(zhǎng)相同B[聲波、電磁波都能傳遞能量和信息，A項(xiàng)錯(cuò)誤；在手機(jī)通話(huà)過(guò)程中，既涉及電磁波又涉及聲波，B項(xiàng)正確；可見(jiàn)光屬于電磁波，“B超”中的超聲波是聲波，波速不同，C項(xiàng)錯(cuò)誤；紅外線(xiàn)波長(zhǎng)較X射線(xiàn)波長(zhǎng)長(zhǎng)，故D項(xiàng)錯(cuò)誤．]探究點(diǎn)四對(duì)能量子的理解與計(jì)算1．每個(gè)能量子的能量ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率；光子的能量ε＝hν，其中ν是光的頻率．2．能量子觀點(diǎn)與黑體輻射實(shí)驗(yàn)的比較普朗克能量子假設(shè)認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或者說(shuō)微觀粒子的能量是分立的．借助于能量子的假說(shuō)，普朗克得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的公式，與實(shí)驗(yàn)符合得很好．3．對(duì)能量量子化的理解(1)物體在發(fā)射或接收能量的時(shí)候，只能從某一狀態(tài)“飛躍”到另一狀態(tài)，而不可能停留在不符合這些能量的任何一個(gè)中間狀態(tài)．(2)在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)我們可以認(rèn)為：物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，能量變化是連續(xù)的，不必考慮量子化；在研究微觀粒子時(shí)必須考慮能量量子化．人眼對(duì)綠光最為敏感，正常人的眼睛接收到波長(zhǎng)為530nm的綠光時(shí)，只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)．普朗克常量為6.63×10－34J·s，光速為3.0×108m/s，則人眼能察覺(jué)到綠光時(shí)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．1.2×10－18WA[因每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)，所以察覺(jué)到綠光所接收的最小功率P＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，t＝1s，又ε＝hν＝heq\f(c,λ)，可解得P＝eq\f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9×1)W＝2.3×10－18W．][題后總結(jié)]分析有關(guān)能量子問(wèn)題的技巧(1)熟練掌握能量子的計(jì)算公式：ε＝hν＝eq\f(hc,λ)．(2)把握宏觀能量E＝Pt與微觀能量子的關(guān)系：E＝nε．(3)正確建立模型．[訓(xùn)練7](多選)關(guān)于對(duì)普朗克能量子假說(shuō)的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一能量值εB．帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍C．能量子與電磁波的頻率成正比D．這一假說(shuō)與現(xiàn)實(shí)世界相矛盾，因而是錯(cuò)誤的BC[普朗克能量子假說(shuō)認(rèn)為，能量存在某一個(gè)最小值，帶電微粒輻射或吸收的能量只能是這個(gè)最