【高中物理】能量量子化課件 2023-2024學年高二上學期物理人教版（2019）必修第三冊

人教版物理必修三第十三章

電磁感應與電磁波初步第五節(jié)

能量量子化新課引入19世紀末，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內能。在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律——能量轉化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中，他們認為物理學已經(jīng)發(fā)展到頭了。于是，1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上,著名物理學家開爾文勛爵作了展望新世紀的發(fā)言:“科學的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！薄_爾文但開爾文畢競是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云.”黑體輻射實驗黑體輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗光的速度這兩朵烏云是指什么呢？黑體輻射實驗黑體輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗光的速度后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一場革命的風暴，烏云落地化為一場春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學相對論經(jīng)典力學微觀領域高速領域量子力學相對論把鐵塊投進火爐中，剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的升高，鐵塊會慢慢變紅，開始發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。為什么會有這樣的變化呢？討論交流一、熱輻射我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關，所以叫作熱輻射。物體在室溫時，熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波，不能引起人的視覺。當溫度升高時，熱輻射中波長較短的成分越來越強。隨著溫度的升高，鐵塊從發(fā)熱，再到發(fā)光，鐵塊的顏色也不斷發(fā)生變化。大量實驗結果表明，輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。常溫下我們看到不發(fā)光不透明體的顏色就是物體表面反射光所致。如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，會怎樣？討論交流⑴定義；任何物體在任何溫度下都會輻射電磁波的現(xiàn)象。（熱傳遞的三種方式之一）⑵原因：物體分子無規(guī)則運動，輻射電磁波。1.熱輻射⑶特點：物體溫度高，輻射能量本領強，電磁波的短波成份多，長波成份少。（各種波長都有）實際熱輻射的復雜性外來各種波長的輻射能反射某些波長的輻射能（隨物而異）吸收某些波長的輻射能（隨物而異）發(fā)射各種波長的熱輻射能（隨物而異）處于某一溫度不透明體T對熱輻射規(guī)律的研究顯得較復雜2.黑體討論交流：一座建設中樓房還沒有安裝窗子，盡管室內已粉刷，如果從遠處觀察，把窗內的亮度與樓外墻的亮度相比，你會發(fā)現(xiàn)什么？為什么？向遠處觀察打開的窗子近似黑色黑體：如果某物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這物體稱為黑體。小孔近似為黑體黑體輻射:只與溫度有關。研究黑體輻射是了解一般物體熱輻射性質的基礎。黑體的實驗模型對空腔加熱至某平衡溫度T通過小孔進入腔內的輻射能反射回小孔出射的機會極小，幾乎全部被腔壁吸收。小孔表面好比黑體（吸收全部入射的輻射能而無反射）從小孔表面出射的就是處于某一熱平衡溫度T的實驗黑體的輻射能，進而探索其能譜分布規(guī)律。3.黑體輻射對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。黑體輻射實驗規(guī)律：隨著溫度的升高

各種波長的輻射強度都有增加；

輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。012341700K1500K1300K1100K輻射強度黑體輻射兩種經(jīng)典解釋瑞利-金斯線維恩線德國物理學家維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學，在1896年提出了一個輻射強度隨波長及溫度變化的半經(jīng)驗公式，維恩公式，得出曲線。⑴短波符合；長波不符合。根據(jù)經(jīng)典熱力學與電磁學，物理學家瑞利在1900年也提出了一個理論公式，后經(jīng)金斯改進，合稱瑞利-金斯公式，得出曲線。⑵長波符合；短波荒唐----紫外災難。在紫外線一端，當波長趨于0時，輻射本領將趨于無窮大．這種情況被人們稱為“紫外災難”。二、能量子1.普朗克對黑體輻射理論解釋:為了得出同實驗相符的黑體輻射公式，德國物理學家普朗克進行了多種嘗試。--普朗克公式普朗克找到了一個數(shù)學公式，它與實驗吻合得非常完美。維恩公式和瑞利——金斯公式，其實就是普朗克公式的特殊情況。普朗克嘗試從電磁學、力學、統(tǒng)計物理學等物理學的基本理論出發(fā)，把這個公式推導出來。普朗克最終在1900年底發(fā)現(xiàn)，如果想推導出這個公式，就必須假定：組成黑體的振動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。借助于能量子的假說，普朗克得出的黑體輻射的強度按波長的分布公式，與實驗符合的非常好。2.能量子：不可再分的最小能量值ε叫作能量子。其中：

是電磁波的頻率h是一個常量：普朗克常量h＝6.62607015×10-34J·s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。能量子的觀點與宏觀世界中我們對能量的認識有很大不同，例如，一個宏觀的單擺，小球在擺動的過程中，受到摩擦阻力的作用，能量不斷減小，能量的變化是連續(xù)的。而普朗克的假設則認為微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是不連續(xù)（分立）的。3、分立和連續(xù)微觀宏觀連續(xù)分立的，量子化

宏觀世界能量的連續(xù)性與微觀粒子的能量的量子化，這是宏觀世界與微觀物理規(guī)律最重要的差別之一。4.能量量子化假說的意義普朗克的能量子假設,使人類對微觀世界的本質有了全新的認識,對現(xiàn)代物理學的發(fā)展產生了革命性的影響。成為物理學發(fā)展史上一個重大轉折點;普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征;不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學研究新局面，標志著人類對自然規(guī)律的認識已經(jīng)從從宏觀領域進入微觀領域，為量子力學的誕生奠定了基礎。5、光子（1）光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。這個現(xiàn)象叫光電效應，這種電子常被稱為光電子。一條光線（2）光子：愛因斯坦從普朗克的能量子假說中得到了啟發(fā)，他提出：光本身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hν，h是普朗克常量，這些能量子叫光子。三、能級1.能級:微觀世界中能量取值分立的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量叫做能級。高能級:

能量較高的能級

低能級:

能量較低的能級基能級:

能量最低的能級(相應的狀態(tài)稱基態(tài)）激發(fā)能級:

能量高于基態(tài)的所有能級(相應狀態(tài)稱激發(fā)態(tài))

分立軌道1

2

3

4E4E3E2E1定態(tài)躍遷E4E3E2E12.能級躍遷:原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個能量以光子的形式輻射出去，這就是原子發(fā)光現(xiàn)象。原子的發(fā)射光譜由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差

。原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線.3.氫原子的能級玻爾理論對氫光譜的解釋：玻爾從上述假設出發(fā)，利用經(jīng)典理論和量子理論結合，計算出了氫的電子的軌道半徑和對應的能量值（能級）。-13.6-3.4-1.51-0.8504132∞nE/eV氫原子能級4.量子力學與現(xiàn)代生活20世紀20年代，量子力學建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學技術中發(fā)揮了重要作用。核能的利用，計算機和智能手機的制造，激光技術等的應用都離不開量子力學。正是量子力學引領我們邁入了現(xiàn)代社會，讓我們享受到非富多彩的現(xiàn)代生活。5.聆聽宇宙宇宙浩瀚無垠，神秘莫測。古人通過肉眼觀察星空，繪制星圖。望遠鏡的發(fā)明拓展了人類的視野，使人們對天體的了解更加清楚。通過可見光波段觀測宇宙是有局限的。射電望遠鏡是在無線電波段觀測天體的。捕捉來自遙遠星辰最細微的“聲音”。世界最大的500m口徑球面射電望遠鏡--中國天眼練習1.關于熱輻射，下列說法不正確的是（）A．物體在室溫下輻射的主要成分是波長較短的電磁波B．隨著溫度的升高，熱輻射中波長較短的成分越來越多C．給一塊鐵塊加熱，鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色D．輻射強度按波長的分布情況隨物體溫度的變化而有所不同，這是熱輻射的一種特性A解析：A．物體在室溫下輻射的主要成分是波長較長的電磁波，以不可見的紅外線為主，故A錯誤；B．隨著溫度的升高，熱輻射中波長較短的成分越來越多，故B正確；C．給一塊鐵塊加熱，隨著溫度的升高，熱輻射中波長較短的成分越來越多，鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，故C正確；D．輻射強度按波長的分布情況隨物體溫度的變化而有所不同，這是熱輻射的一種特性，故D正確。本題選錯誤的，故選A。練習2.關于對熱輻射的認識，下列說法正確的是(

)A．熱的物體向外輻射電磁波，冷的物體只吸收電磁波B．溫度越高，物體輻射的電磁波越強C．輻射強度按波長的分布情況只與物體的溫度有關，與材料種類及表面狀況無關D．常溫下我們看到的物體的顏色就是物體輻射電磁波的顏色解析：一切物體都不停地向外輻射電磁波，且溫度越高，輻射的電磁波越強，A錯誤，B正確；選項C是黑體輻射的特性，C錯誤；除光源外，常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色，D錯誤．B練習3.關于對黑體的認識，下列說法正確的是(

)A．黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的B．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關D．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經(jīng)多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個空腔就成了一個黑體解析：黑體自身輻射電磁波，不一定是黑的，A錯誤．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關，B錯誤，C正確．小孔只吸收電磁波，不反射電磁波，因此小孔成了一個黑體，而不是空腔成了一個黑體，D錯誤．C練習4.普朗克在研究黑體輻射的基礎上，提出了量子理論，下列關于描繪兩種溫度下黑體輻射強度與波長關系的圖中，符合黑體實驗規(guī)律的是(

)解析：黑體輻射以電磁輻射的形式向外輻射能量，溫度越高，輻射強度越大，故A、C錯誤；黑體輻射的波長分布情況隨溫度變化而改變，溫度越高，輻射的電磁波的波長越短，輻射強度的極大值向波長縮短的方向移動，故B錯誤，D正確．D

解析：每個光量子的能量ε＝hv＝hc/λ

，每秒鐘發(fā)射的總能量為P，則n＝Pt/ε＝λP/hc.A練習6.由中國健康發(fā)展研究中心發(fā)布《國民視覺健康報告》白皮書顯示，我國學生的近視患病率在逐年增加。課業(yè)負擔重、沉迷電子產品已成為影響青少年視力的兩大“殺手”。現(xiàn)代醫(yī)學采用激光“焊接”視網(wǎng)膜技術來治療近視，所用激光的波長λ=660nm。已知普朗克常量h=6.63