2024版新教材高中物理第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步5.能量量子化學生用書新人教版必修第三冊

5．能量量子化核心素養(yǎng)定位物理觀念通過生活實例，體會電磁波的輻射，初步形成熱輻射的物理觀念．科學思維利用普朗克假設(shè)和能量子的得出過程，培育學生的科學思維．科學探究通過對氫原子光譜的分析，探究出躍遷過程的特點．科學看法與責任知道量子理論對現(xiàn)代社會的引領(lǐng)作用及其在現(xiàn)代技術(shù)中的重要作用．一、熱輻射1．定義：我們四周的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的________有關(guān)，所以叫作熱輻射．任何物體在任何溫度下均發(fā)生熱輻射2．輻射強度按波長的分布狀況隨物體的溫度而有所不同．3．除了熱輻射外，物體表面還會吸取和反射外界射來的電磁波．常溫下我們看到的不發(fā)光物體的顏色就是反射光所致．4．黑體：假如某種物體能夠完全吸取入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就叫作________．黑體雖然不反射電磁波，但是卻可以向外輻射電磁波．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與它的________有關(guān)．是一個志向化模型二、能量子1．概念：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的________，這個不行再分的最小能量值ε叫作能量子．2．大?。害牛絖_______，其中h≈6.63×10－34J·s.3．愛因斯坦光子說：光是由一個個不行分割的能量子組成的，能量大小為________，光的能量子稱為________．三、能級1．定義：原子量子化的能量值．2．原子處于能量最低的狀態(tài)時最________，由高能級向低能級躍遷時放出________．3．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________.4．原子光譜的譜線是一些分立的亮線．【情境思索】如圖所示為我國首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”．“墨子號”的成功放射使我國在量子通信技術(shù)領(lǐng)域走在了世界前列．推斷下列問題．(1)量子通信的理論基礎(chǔ)是普朗克的能量量子化假設(shè)．()(2)該理論的提出背景是經(jīng)典電磁理論說明不了黑體輻射試驗的試驗規(guī)律．()(3)黑體就是黑色的物體，所以它不向外輻射電磁波．()(4)黑體只吸取電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的．()拓展1拓展2普朗克認為微觀世界中帶電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，當帶電粒子輻射或吸取能量時，也只能以這個最小能量值為單位一份一份地吸取或輻射．拓展3普朗克為了得出與試驗相符的黑體輻射公式，做了多種嘗試后才提出了能量子假設(shè)，然后依據(jù)能量子假設(shè)提出了與試驗相吻合的黑體輻射的強度按波長分布的公式．普朗克大膽地破除了“能量連續(xù)變更”的傳統(tǒng)觀念，揭示了微觀粒子的能量是分立的，成為物理學新思想的奠基者之一．目標一熱輻射和黑體輻射【歸納】——————————————————○1．對黑體的理解(1)確定的黑體事實上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替．如圖所示，假如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)生多次反射和吸取，最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個確定黑體．(2)黑體不愿定是黑的，只有當自身輻射的可見光特殊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的輻射，看起來還會很光明，如煉鋼爐口上的小孔．2．一般物體與黑體的比較熱輻射特點吸取、反射特點一般物體輻射電磁波的狀況與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況有關(guān)既吸取又反射，其實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度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)完全吸取各種入射電磁波，不反射【典例】——————————————————○例1下列說法正確的是()A．只有溫度高的物體才會有熱輻射B．黑體只是從外界吸取能量，從不向外界輻射能量C.黑體可以看起來很光明，是因為黑體可以反射電磁波D．一般材料的物體，輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類和表面狀況有關(guān)例2(多選)在試驗室或工廠的高溫爐子上開一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度．如圖所示，就是黑體的輻射強度與其輻射光波長的關(guān)系圖像，則下列說法正確的是()A．T1>T2B．T1＜T2C．隨著溫度的上升，黑體的輻射強度都有所降低D．隨著溫度的上升，輻射強度的極大值向波長較短方向移動[訓練1](多選)關(guān)于對黑體的相識，下列說法正確的是()A．黑體只吸取電磁波，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只與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無關(guān)C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)D．假如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(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸取，最終不能從小孔射出，這個空腔就成了一個黑體目標二能量子的理解【歸納】——————————————————○1．物體在放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)，而不行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)探討物體的運動時我們可以認為物體的運動是連續(xù)的，能量變更是連續(xù)的，不必考慮量子化．在探討微觀粒子時必需考慮能量量子化．【典例】——————————————————○例3關(guān)于對能量子的相識，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．帶電微粒輻射或吸取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反比D．這一假說與現(xiàn)實世界相沖突，因而是錯誤的例4“約瑟夫森結(jié)”由超導體和絕緣體制成．若在結(jié)兩端加恒定電壓U，則它會輻射頻率為ν的電磁波，且ν與U成正比，即ν＝kU.已知比例系數(shù)k僅與元電荷e的2倍和普朗克常量h有關(guān)．你可能不了解此現(xiàn)象的機理，但仍可運用物理學中常用的方法．在下列選項中，推理推斷比例系數(shù)k的值可能為()A．h2eB．2ehC．2he思維提升有關(guān)能量子問題的解題技巧(1)嫻熟駕馭能量子的計算公式：ε＝hν＝hcλ(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．[訓練2]下列宏觀概念中，是量子化的為()A．物體的質(zhì)量B．彈簧振子的能量C．汽車的個數(shù)D．衛(wèi)星繞地球運行的軌道[訓練3]課業(yè)負擔重、沉迷電子產(chǎn)品已成為影響青少年視力的兩大“殺手”．現(xiàn)代醫(yī)學接受激光“焊接”視網(wǎng)膜技術(shù)來治療近視，所用激光的波長λ＝660nm.已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光在真空中的傳播速度c＝3×108m/s，則該激光中每個光子的能量為()A．3.0×10－19JB．1.6×10－19JC．1.0×10－19JD．1.0×10－18J目標三能級【歸納】——————————————————○1．能級：微觀世界的能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級．2．原子處于能量最低的狀態(tài)是最穩(wěn)定的．3．原子獲得能量有可能躍遷到較高的能量狀態(tài)，這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地向能量較低的能級躍遷．4．原子從高能級向低能級躍遷放出的光子的能量等于前后兩個能級之差，原子從低能級躍遷到高能級吸取光子的能量也等于前后兩個能級之差．5．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，原子的放射光譜只有一些分立的亮線．【典例】——————————————————○例5(多選)下列說法正確的是()A．原子的能量是連續(xù)的，原子的能量從某一能量值變?yōu)榱硪荒芰恐?，可以連續(xù)變更B．原子從低能級向高能級躍遷時放出光子C．原子從高能級向低能級躍遷時放出光子，且光子的能量等于前后兩個能級之差D．由于能級的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的放射光譜只有一些分立的亮線[訓練4]下列敘述正確的是()A．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B．原子處于能級最高的狀態(tài)時是最穩(wěn)定的C．氣體放電管中的原子受到高速運動的電子的撞擊只會躍遷到較低的能量狀態(tài)D．原子的放射光譜是一些連續(xù)的亮線1．(多選)下列敘述正確的是()A．一切物體都在輻射電磁波B．一般物體輻射電磁波的狀況只與溫度有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D．黑體能夠完全吸取入射的各種波長的電磁波2．(多選)對于帶電微粒在輻射和吸取能量時的特點，以下說法正確的是()A．以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸取B．輻射和吸取的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸取的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸取的能量是量子化的3．很多地方用紅外線熱像儀監(jiān)測人的體溫，只要被測者從儀器前走過，便可知道他的體溫是多少．關(guān)于其中原理，下列說法正確的是()A．人的體溫會影響四周空氣溫度，儀器通過測量空氣溫度便可知道人的體溫B．儀器發(fā)出的紅外線遇人反射，反射狀況與被測者的溫度有關(guān)C．被測者會輻射紅外線，輻射強度以及按波長的分布狀況與溫度有關(guān)，溫度高時輻射強且較短波長的成分強D．被測者會輻射紅外線，輻射強度以及按波長的分布狀況與溫度有關(guān)，溫度高時輻射強且較長波長的成分強4．一個氫原子從較高能級躍遷到較低能級，該氫原子()A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量削減C．吸取光子，能量增加D．吸取光子，能量削減5．兩束強度相同的色光，都垂直地照射到物體表面，第一束光在某段時間內(nèi)打在相同物體上的光子數(shù)與其次束光在相同時間內(nèi)打在物體表面上的光子數(shù)之比為4∶5，則這兩束光的光子能量和波長之比為()A．4∶54∶5B．5∶44∶5C．5∶45∶4D．4∶55∶46．光是一種電磁波，可見光的波長的大致范圍是400～700nm.400nm、700nm電磁波輻射的能量子的值各是多少？(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)5．能量量子化導學駕馭必備學問一、1．溫度4．黑體溫度二、1．整數(shù)倍2．hν3．hν光子三、2．穩(wěn)定光子3．差情境思索答案：(1)√(2)√(3)×(4)×共研突破關(guān)鍵實力目標一[例1]解析：任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的實力越強，故A錯誤；能夠完全吸取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，有些黑體有較強的輻射，看起來也可以很光明，故B、C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(guān)，與構(gòu)成黑體的材料、形態(tài)無關(guān)，而一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類和表面狀況有關(guān)，故D正確．答案：D[例2]解析：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關(guān)．試驗表明，隨著溫度的上升，各種波長的輻射強度都有所增加，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動．從題圖中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，故A、D正確．答案：AD[訓練1]解析：黑體能100%地吸取入射到其表面的電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射，這樣的物體稱為黑體，但不愿定是黑色的，故A錯誤；黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關(guān)，與材料種類及表面狀況無關(guān)，故B正確，C錯誤；假如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(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸取，最終不能從空腔射出，就相當于吸取了全部電磁波，因此空腔成了一個黑體，故D正確．答案：BD目標二[例3]解析：由普朗克能量子假說可知帶電微粒輻射或吸取的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，故A錯誤，B正確；最小能量值ε＝hν，ε與ν成正比，故C錯誤；能量子假說反映的是微觀世界的特征，不同于宏觀世界，并不與現(xiàn)實世界相沖突，故D錯誤．答案：B[例4]解析：依據(jù)物理單位學問，表達式及變形式兩側(cè)單位是一樣的．本題中涉及的物理量ν、U、e、h及與其有聯(lián)系的能量表達式E＝hν①，E＝Ue②，由①②得h的單位與Ueν的單位相同，即h單位可用V·C·s表示，題中ν＝kU，即k＝νU③，單位可用1V·s表示，選項B中2e答案：B[訓練2]解析：汽車的個數(shù)的數(shù)值只能取正整數(shù)，不能取分數(shù)或小數(shù)，因而是不連續(xù)的，是量子化的．其他三個物理量的數(shù)值都可以取小數(shù)或分數(shù)，甚至取無理數(shù)也可以，因而是連續(xù)的，非量子化的．答案：C[訓練3]解析：由ε＝hν＝hcλ，代入數(shù)據(jù)可得每個光子的能量ε＝3.0×10－19答案：A目標三[例5]解析：原子的能量是量子化的，原子從高能級向低能級躍遷時向外放出光子．光子的能量hν＝E初－E末，由于原子的能級是分立的，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的放射光譜只有一些分立的亮線．故C、D正確．答案：CD[訓練4]解析：原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級，原子從高能級向低能級躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差，故A正確；通常狀況下，原子處于能級最低的狀態(tài)，這是最穩(wěn)定的，故B錯誤；氣體放電管中的原子受到高速運動的電子的撞擊，有可能躍遷到較高的能量狀態(tài)，這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地向能量較低的能級躍遷放出光子，故C錯誤；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，因此原子的放射光譜只有一些分立的亮線，故D錯誤．答案：A精練落實學科素養(yǎng)1．解析：依據(jù)熱輻射定義知，A正確；依據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點知，一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類、表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)，故B錯誤，C正確；依據(jù)黑體定義知D正確．答案：ACD2．解析：依據(jù)普朗克能量子假說，帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，能量的輻射、吸取要一份份地進行，故選A、B、D.答案：ABD3．解析：依據(jù)輻射規(guī)律可知，隨著溫度的上升，各種波長的輻射強度都增加；隨著溫度的上升，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動．人的體溫的凹凸，干脆確定了這個人輻射的紅外線的頻率和