第5節(jié)　能量量子化

第5節(jié)能量量子化核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解黑體輻射的概念。(2)了解能量子的概念及其提出過程。(3)了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)通過對黑體輻射研究的歷史脈絡(luò)，感悟以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法。(2)領(lǐng)會能量子這一科學(xué)概念的創(chuàng)新性突破中蘊(yùn)含的偉大科學(xué)思想。(3)體會量子理論的建立使人們對于物質(zhì)世界的認(rèn)識的豐富和深化。一、熱輻射1．熱輻射的概念：物體具有的與_____有關(guān)的輻射電磁波的方式。2．熱輻射規(guī)律：物體在室溫時，熱輻射的主要成分是波長_____的電磁波，當(dāng)溫度升高時，熱輻射中波長較____的成分越來越強(qiáng)。3．黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的_______而不發(fā)生____的物體。4．黑體輻射規(guī)律：黑體雖然不反射電磁波，但是卻可以向外輻射電磁波，而且輻射電磁波的強(qiáng)度按_____的分布只與它的_____有關(guān)。溫度較長短電磁波反射波長溫度二、能量子1．定義：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的_____倍。這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。2．能量子的大?。害牛絖__，其中ν是電磁波的_____，h是一個常量，稱為普朗克常量，h＝6.62607015×10－34J·s。3．普朗克認(rèn)為微觀粒子的能量是_______的，是不連續(xù)(分立)的。4．愛因斯坦的光子說：光是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為____，這些能量子被叫作______。整數(shù)hν頻率量子化hν光子三、能級1．定義：原子的能量是_______的，這些_______的能量值叫作能級。2．原子的穩(wěn)定性：原子處于能量最低的狀態(tài)時最穩(wěn)定，原子處于能量較高的狀態(tài)時不穩(wěn)定，會自發(fā)地向能量較低的能級躍遷，放出_____。3．能級躍遷規(guī)律：原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出的光子的能量，_____前后兩個能級之差。4．原子的發(fā)射光譜的特征：原子的能級是分立的，放出的光子的能量也是分立的，因此，原子的發(fā)射光譜只有一些_____的亮線。量子化量子化光子等于分立1.如圖所示，鐵塊隨著溫度的升高，其顏色分別呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色。試對以下結(jié)論作出判斷。(1)鐵塊在常溫下不向外輻射電磁波。

()(2)鐵塊輻射電磁波的波長與物體的溫度有關(guān)。

()(3)鐵塊溫度越高輻射電磁波的波長越短。

()×√√2．我國研制的“大連光源”——極紫外自由電子激光裝置，發(fā)出了波長在100nm(1nm＝10－9m)附近連續(xù)可調(diào)的世界上最強(qiáng)的極紫外激光脈沖?！按筮B光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技術(shù)、霧霾治理等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮重要作用。則“大連光源”發(fā)出的極紫外激光脈沖光子能量為多少？新知學(xué)習(xí)(一)|對黑體及黑體輻射的理解[重點(diǎn)釋解]1．對黑體的理解(1)絕對的黑體實際上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替。如圖所示，如果在一個空腔壁上開一個小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個帶小孔的空腔就可以近似為一個絕對黑體。(2)黑體不一定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見光非常微弱時看上去才是黑的；有些可看作黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來還會很明亮，如煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也被當(dāng)作黑體來處理。2．一般物體與黑體的比較

熱輻射特點(diǎn)吸收、反射特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，也與材料的種類及表面狀況有關(guān)既吸收又反射，其能力與材料的種類及入射波長等因素有關(guān)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)完全吸收各種入射電磁波，不反射3．黑體輻射的實驗規(guī)律(1)溫度一定時，黑體輻射強(qiáng)度隨波長的分布有一個極大值。(2)隨著溫度的升高①各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；②輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動，如圖所示。[針對訓(xùn)練]1．(2022·山東泰安質(zhì)檢)下列說法不正確的是

(

)A．只有溫度高的物體才會有熱輻射B．黑體可以向外界輻射能量C．黑體也可以看起來很明亮，是因為黑體也可以有較強(qiáng)的輻射D．普朗克引入能量子的概念得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與實驗符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元解析：任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的能量越多，故A錯誤；能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫作黑體，黑體不反射電磁波，但可以向外輻射電磁波，有些黑體有較強(qiáng)的輻射，看起來也可以很明亮，故B、C正確；普朗克引入能量子的概念得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與實驗符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元，故D正確。答案：A2．(2022·福建寧德調(diào)研)下列有關(guān)黑體和黑體輻射的說法錯誤的是

(

)A．黑體能夠吸收照射到它上面的全部輻射而無反射B．黑體的溫度升高時可以輻射出任何頻率的電磁波(包括可見光和不可見光)C．黑體輻射的實驗規(guī)律可以利用經(jīng)典物理學(xué)的理論來解釋D．黑體輻射的實驗規(guī)律無法用經(jīng)典物理學(xué)的理論解釋解析：黑體能夠吸收照射到它上面的全部輻射而無反射，故A正確不符合題意；根據(jù)輻射規(guī)律可知，黑體的溫度升高時可以輻射出任何頻率的電磁波(包括可見光和不可見光)，故B正確不符合題意；黑體輻射的實驗規(guī)律無法用經(jīng)典物理學(xué)的理論解釋，故C錯誤符合題意，D正確不符合題意。答案：C3．關(guān)于黑體輻射圖像如圖所示，下列判斷正確的是

(

)A．T1>T2>T3>T4B．T1<T2<T3<T4C．T1＝T2＝T3＝T4D．測量某黑體任一波長的光的輻射強(qiáng)度可以得知其溫度解析：因隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度增強(qiáng)，同時輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短方向移動，所以T1>T2>T3>T4，A正確，B、C錯誤；測量某黑體輻射強(qiáng)度最強(qiáng)的光的波長可以得知其溫度，D錯誤。答案：A新知學(xué)習(xí)(二)|

對能量子的理解與計算[重點(diǎn)釋解]1．每個能量子的能量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)與黑體輻射實驗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，或者說微觀粒子的能量是分立的。借助于能量子的假說，普朗克得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與實驗符合得很好。3．對能量量子化的理解(1)物體在發(fā)射或接收能量的時候，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中間狀態(tài)。(2)在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動時我們可以認(rèn)為：物體的運(yùn)動是連續(xù)的，能量變化是連續(xù)的，不必考慮量子化；在研究微觀粒子時必須考慮能量量子化。[典例體驗][典例]

人眼對綠光最為敏感，正常人的眼睛接收到波長為530nm的綠光時，只要每秒有6個綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺。普朗克常量為6.63×10－34J·s，光速為3.0×108m/s，則人眼能察覺到綠光時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．1.2×10－18

W[針對訓(xùn)練]1．(2022·山東德州質(zhì)檢)關(guān)于能量量子化，下列說法正確的是

(

)A．能量子假設(shè)最早是由愛因斯坦提出來的B．微觀粒子的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小能量值的整數(shù)倍C．電磁波的波長越長，其能量子越大D．能量子假說與宏觀世界中對能量的認(rèn)識相矛盾，因而它一定是錯誤的觀點(diǎn)答案：B2．(多選)關(guān)于對普朗克能量子假說的認(rèn)識，下列說法正確的是

(

)A．振動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．這一假說與現(xiàn)實世界相矛盾，因而是錯誤的解析：普朗克能量子假說認(rèn)為，能量存在某一個最小值，帶電微粒輻射或吸收的能量只能是這個最小能量值的整數(shù)倍，故A錯誤，B正確；能量子與電磁波的頻率成正比，故C正確；能量子假說反映的是微觀世界的特征，不同于宏觀世界，并不是與現(xiàn)實世界相矛盾，故D錯誤。答案：BC一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——量子化觀念的理念1．(選自魯科版教材課后練習(xí))普朗克在1900年提出了量子假說，開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元。在下列宏觀概念中，具有量子化特征的是

(

)A．人的個數(shù)

B．物體所受的重力C．物體的動能

D．物體的長度解析：依據(jù)普朗克量子化觀點(diǎn)，能量是不連續(xù)的，是一份一份地進(jìn)行變化，對應(yīng)四個選項可知，一份一份變化的是人的個數(shù)，物體的重力、動能、長度都是連續(xù)的，故A正確，B、C、D均錯誤。答案：A

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——量子通信及量子通信網(wǎng)絡(luò)2．(選自粵教版教材“資料活頁”)所謂量子通信，是指利用粒子在由兩個或兩個以上粒子組成的系統(tǒng)中相互影響(即量子糾纏)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式。與現(xiàn)在成熟的通信技術(shù)相比，量子通信具有保密性強(qiáng)、容量大、傳輸距離遠(yuǎn)等巨大的優(yōu)越性。因此量子通信不僅在軍事、金融等領(lǐng)域具有重要的作用，而且會極大地促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國對量子通信的研究始于20世紀(jì)90年代，1997年，我國科學(xué)家首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸，這是國際上第一次在實驗上成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上，并于2006年實現(xiàn)超過100km的信息傳輸，由此打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。2009年9月，我國建成了世界上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通信，標(biāo)志著我國在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。2016年8月，由我國科學(xué)家自主研制的世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，人類首次完成衛(wèi)星和地面之間的量子通信，標(biāo)志著我國空間科學(xué)研究又邁出重要一步。2018年1月，我國科研團(tuán)隊利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在中國和奧地利之間首次實現(xiàn)了距離達(dá)7600km的洲際加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信，標(biāo)志著“墨子號”已具備洲際量子保密通信能力。全球跨度最大、史上最安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)正在悄然出現(xiàn)。2.右圖是被譽(yù)為“中國天眼”的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)

鏡(簡稱FAST)它可以接收來自宇宙深處的電磁波。中國

天眼的存在，使得深空通信能力延伸至太陽系外緣行星，

對探索宇宙的起源和地外文明具有重要意義。如果為天

眼配備一部發(fā)射功