金版教程物理2024導(dǎo)學(xué)案必修第冊人教版新第十三章 電磁感應(yīng)與電磁波初步5.能量量子化含答案

《金版教程(物理）》2024導(dǎo)學(xué)案必修第冊人教版新第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步5.能量量子化1．了解熱輻射的概念和特點(diǎn)，了解黑體的概念及黑體輻射的特點(diǎn)。2.了解能量子的概念及其提出的科學(xué)過程，了解光子的概念，了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。3.了解能級的概念，并能解釋原子光譜的分立特征，了解量子力學(xué)的建立。一熱輻射1．熱輻射(1)定義：我們周圍的一切物體都在輻射eq\x(\s\up1(01))電磁波，這種輻射與eq\x(\s\up1(02))物體的溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。(2)特性：輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的eq\x(\s\up1(03))溫度而有所不同。2．黑體(1)定義：如果某種物體能夠eq\x(\s\up1(04))完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生eq\x(\s\up1(05))反射，這種物體就叫作黑體。(2)黑體輻射特點(diǎn)：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與它的eq\x(\s\up1(06))溫度有關(guān)。二能量子1．定義：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eq\x(\s\up1(01))整數(shù)倍，這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作eq\x(\s\up1(02))能量子。2．能量子大?。害牛絜q\x(\s\up1(03))hν，其中ν是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量，其值為h＝6.63×10－34J·s。3．能量的量子化：微觀粒子的能量是eq\x(\s\up1(04))量子化的，或者說微觀粒子的能量是eq\x(\s\up1(05))不連續(xù)(分立)的。4．光子：愛因斯坦認(rèn)為電磁場本身就是不連續(xù)的，也就是說，光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的eq\x(\s\up1(06))能量子組成的，這些能量子被叫作光子。三能級1．定義：原子的能量是eq\x(\s\up1(01))量子化的，這些量子化的eq\x(\s\up1(02))能量值叫作能級。2．用能級躍遷解釋原子的發(fā)射光譜：原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量，等于前后兩個(gè)eq\x(\s\up1(03))能級之差。由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是eq\x(\s\up1(04))分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些eq\x(\s\up1(05))分立的亮線。3．量子力學(xué)：能很好地描述eq\x(\s\up1(06))微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。1．判一判(1)黑體就是黑色的物體。()(2)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體。()(3)微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍。()(4)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比。()(5)原子從低能級躍遷到高能級要吸收能量。()提示：(1)×(2)√(3)√(4)√(5)√2．想一想(1)熱輻射在高溫下才能發(fā)生嗎？提示：任何溫度的物體都能發(fā)生熱輻射，只是輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。(2)量子力學(xué)完全否認(rèn)了經(jīng)典力學(xué)嗎？提示：沒有。宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律仍能用經(jīng)典力學(xué)說明，而微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用量子力學(xué)能更好地解釋。探究1熱輻射仔細(xì)觀察下列圖片，認(rèn)真參與“師生互動(dòng)”。活動(dòng)1：如圖所示，在火爐旁會(huì)有什么感覺？這表明什么？提示：會(huì)感到溫暖、明亮，且溫度越高越暖和、越明亮。這表明火爐在向外輻射光和熱量?；顒?dòng)2：熱輻射本質(zhì)上就是輻射電磁波，光就是一種電磁波。投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？過一會(huì)兒是什么顏色？這表明什么？提示：鐵塊一開始是黑色，隨著不斷加熱，鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。這表明輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同?；顒?dòng)3：一座建設(shè)中的樓房還沒有安裝窗子，盡管室內(nèi)已經(jīng)粉刷，如果從遠(yuǎn)處觀察，把窗內(nèi)的亮度與樓房外墻的亮度相比，會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？為什么？提示：會(huì)發(fā)現(xiàn)窗內(nèi)的亮度與樓房外墻的亮度相比暗得多。這是因?yàn)榻?jīng)窗口射入室內(nèi)的光線，大部分要在室內(nèi)經(jīng)過多次反射，才可能有機(jī)會(huì)射出窗口，在多次反射的過程中，大部分光的能量被吸收掉，從窗口射出的光的強(qiáng)度很弱。1．熱輻射(1)理解：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(guān)，所以叫作熱輻射。(2)熱輻射的特點(diǎn)：物體在室溫時(shí)，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(dāng)溫度升高時(shí)，熱輻射中波長較短的成分越來越強(qiáng)。即輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。2．物體表面對外界射來的電磁波的吸收和反射除了熱輻射外，物體表面還會(huì)吸收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。3．黑體(1)理解：能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體就叫作黑體。(2)黑體輻射的特點(diǎn)：輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與它的溫度有關(guān)。例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情況只與溫度有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波[實(shí)踐探究](1)一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)嗎？提示：一般物體輻射電磁波的情況不只與溫度有關(guān)。(2)黑體輻射電磁波的情況與什么有關(guān)？提示：黑體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)。[規(guī)范解答]根據(jù)熱輻射的定義，A正確；一般物體輻射電磁波的情況不只與溫度有關(guān)，而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)，故B錯(cuò)誤，C正確；根據(jù)黑體的定義知D正確。[答案]ACD規(guī)律點(diǎn)撥一般物體與黑體的比較熱輻射特點(diǎn)吸收、反射電磁波的特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布情況與物體的溫度有關(guān)既吸收又反射黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布情況只與黑體的溫度有關(guān)完全吸收入射的各種波長的電磁波，不反射[變式訓(xùn)練1]關(guān)于對熱輻射的認(rèn)識(shí)，下列說法中正確的是()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，物體輻射的電磁波中波長較短的成分越強(qiáng)C．輻射強(qiáng)度按波長的分布情況只與物體的溫度有關(guān)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答案B解析一切物體都不停地向外輻射電磁波，且溫度越高，輻射的電磁波中波長較短的成分越強(qiáng)，對于一般材料的物體，輻射強(qiáng)度按波長的分布除與物體的溫度有關(guān)外，還與其他因素有關(guān)，B正確，A、C錯(cuò)誤；常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色，D錯(cuò)誤。探究2能量子與能級仔細(xì)觀察下列圖片，認(rèn)真參與“師生互動(dòng)”?；顒?dòng)1：按照經(jīng)典的電磁理論，物體的熱輻射是如何產(chǎn)生的？提示：物體中存在著不停運(yùn)動(dòng)的帶電微粒，帶電微粒的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生變化的電磁場，從而產(chǎn)生電磁輻射，即熱輻射?；顒?dòng)2：圖甲中“”是實(shí)驗(yàn)測得的黑體輻射數(shù)據(jù)。用經(jīng)典的電磁理論解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律時(shí)遇到了嚴(yán)重的困難。普朗克發(fā)現(xiàn)，只有假設(shè)振動(dòng)著的帶電微粒的能量是某一最小能量值ε＝hν(ν為頻率)的整數(shù)倍，才能推導(dǎo)出與實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，公式函數(shù)曲線如圖甲。這說明微觀世界的能量有什么特點(diǎn)？提示：普朗克的假設(shè)完全解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，說明普朗克的假設(shè)是正確的。這意味著微觀世界的能量是分立的，不連續(xù)的，與我們認(rèn)識(shí)的宏觀世界中能量是連續(xù)的有很大不同?；顒?dòng)3：愛因斯坦將普朗克的理論推廣，認(rèn)為電磁場本身就是不連續(xù)的，即光本身就是由一個(gè)個(gè)能量子(光子)ε＝hν組成，并經(jīng)過光電效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)證實(shí)。圖乙是氦原子的發(fā)射光譜，光譜中只有一些分立的亮線，這說明原子的能量有什么特征？提示：氦原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線，說明原子發(fā)出的光子的能量是分立的，則原子的能量是分立的，即微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng)。1．普朗克的能量子理論(1)普朗克的假設(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，這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。能量子公式：ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s。(2)普朗克的假設(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不連續(xù)(分立)的。(3)能量子理論在微觀與宏觀世界的聯(lián)系與區(qū)別由于ε＝hν極微小，所以在宏觀尺度內(nèi)研究物體的能量時(shí)，我們可以認(rèn)為物體的能量變化是連續(xù)的，不必考慮量子化；在研究微觀粒子的能量時(shí)，能量量子化(ε＝hν)不可忽略，即必須考慮能量量子化。2．光子愛因斯坦把能量子假設(shè)進(jìn)行了推廣，認(rèn)為電磁場本身就是不連續(xù)的。也就是說，光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，h為普朗克常量。這些能量子后來被叫作光子。3．能級(1)定義：微觀世界中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)理解：通常情況下，原子處于能量最低的狀態(tài)，這是最穩(wěn)定的。原子受到高速運(yùn)動(dòng)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(huì)自發(fā)地向能量較低的能級躍遷，放出光子。原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量，等于前后兩個(gè)能級之差。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，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。4．量子力學(xué)的建立19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，物理學(xué)研究深入到微觀世界，發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，而且發(fā)現(xiàn)它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下不能用經(jīng)典力學(xué)來說明。20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。例2某半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長為1.5×10－6m、功率為5.0×10－3W的連續(xù)激光。已知可見光波長的數(shù)量級為10－7m，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，該激光器發(fā)出的()A．是紫外線B．是紅外線C．光子能量約為1.3×10－13JD．光子數(shù)約為每秒3.8×1017個(gè)[實(shí)踐探究](1)能量子公式是什么？提示：ε＝hν。(2)根據(jù)激光的波長，如何求出該激光的頻率？提示：由c＝λν可得，光的頻率ν＝eq\f(c,λ)。[規(guī)范解答]該激光的波長比可見光的波長長，屬于紅外線，故A錯(cuò)誤，B正確；光子能量ε＝hν＝heq\f(c,λ)＝6.63×10－34×eq\f(3×108,1.5×10－6)J＝1.326×10－19J，故C錯(cuò)誤；該激光器每秒鐘發(fā)出的光子數(shù)為n＝eq\f(Pt,ε)＝eq\f(5.0×10－3×1,1.326×10－19)≈3.8×1016，故D錯(cuò)誤。[答案]B規(guī)律點(diǎn)撥解有關(guān)能量子問題的技巧(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與微觀能量子ε的關(guān)系：E＝Pt＝nε。(3)正確建立模型。[變式訓(xùn)練2](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)變化B．原子從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷時(shí)放出光子C．原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出光子，且光子的能量等于前后兩個(gè)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，所以原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線答案CD解析原子的能量是量子化的，原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)向外放出光子，光子的能量等于前后兩個(gè)能級之差，由于能級的分立性，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線，故C、D正確，A、B錯(cuò)誤。1．(黑體輻射和能量子)(多選)2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩名美國科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀及其溫度在不同方向上的微小變化，他們的出色工作被譽(yù)為是宇宙學(xué)研究進(jìn)入精密科學(xué)時(shí)代的起點(diǎn)。下列與宇宙微波背景輻射黑體譜相關(guān)的說法中，正確的是()A．微波是一種波長較短的電磁波B．微波和聲波一樣都只能在介質(zhì)中傳播C．黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射D．普朗克在研究黑體的熱輻射問題時(shí)提出了能量子假說答案ACD解析微波是一種波長較短的電磁波，A正確。微波能在真空中傳播，B錯(cuò)誤。黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射，C正確。普朗克在研究黑體的熱輻射問題時(shí)提出了能量子假說，D正確。2．(光子的能量)關(guān)于光子的能量，下列說法中正確的是()A．光子的能量跟它在真空中的速度成正比B．光子的能量跟它在真空中的速度的平方成正比C．光子的能量跟它的頻率成反比D．光子的能量跟它的頻率成正比答案D解析根據(jù)能量子公式ε＝hν，可知光子的能量與它的頻率成正比，結(jié)合c＝νλ，可得ε＝hν＝eq\f(hc,λ)，因?yàn)楣庠谡婵罩械乃俣萩是定值，所以光子的能量與它在真空中的速度無關(guān)，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確。3．(熱輻射的理解和應(yīng)用)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)于其原理，下列說法正確的是()A．人的體溫會(huì)影響周圍空氣溫度，儀器通過測量空氣溫度便可知道人的體溫B．儀器發(fā)出的紅外線遇到人反射，反射情況與被測者的溫度有關(guān)C．被測者會(huì)輻射紅外線，輻射強(qiáng)度按波長的分布情況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)較短波長的輻射成分強(qiáng)D．被測者會(huì)輻射紅外線，輻射強(qiáng)度按波長的分布情況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)較長波長的輻射成分強(qiáng)答案C解析根據(jù)熱輻射的規(guī)律可知，隨著溫度的升高，熱輻射中波長較短的成分越來越強(qiáng)，人的體溫的高低，直接決定了輻射的紅外線強(qiáng)度按波長的分布情況，通過監(jiān)測被測者輻射的紅外線的情況，就可知道這個(gè)人的體溫，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。4．(黑體輻射與能級)關(guān)于黑體、黑體輻射與能級，下列說法正確的是()A．黑體反射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與它的溫度有關(guān)B．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(shí)驗(yàn)符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元C．原子的能量是連續(xù)的D．原子從高能級向低能級躍遷時(shí)需吸收能量答案B解析黑體不反射電磁波，A錯(cuò)誤；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(shí)驗(yàn)符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元，故B正確；原子的能量是量子化的，故C錯(cuò)誤；原子從高能級向低能級躍遷時(shí)放出能量，故D錯(cuò)誤。5．(能級)(多選)下列說法中正確的是()A．原子處于能級最低的狀態(tài)時(shí)，最穩(wěn)定B．原子由高能級向低能級躍遷時(shí)，放出光子C．能量量子化成功解釋了原子光譜的分立特征D．原子能吸收任意能量值的光子向高能級躍遷答案ABC解析原子在不同狀態(tài)中具有不同的能量，能量最低的狀態(tài)最穩(wěn)定，A正確；原子由高能級向低能級躍遷時(shí)，能量減小，放出光子，B正確；能量量子化成功解釋了原子光譜的分立特征，C正確；原子只能吸收等于能級差的能量向高能級躍遷，D錯(cuò)誤。6．(能量子)普朗克在1900年將“能量子”引入物理學(xué)，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(gè)數(shù) B．物體所受的重力C．物體的動(dòng)能 D．物體的長度答案A解析依據(jù)普朗克量子化觀點(diǎn)，能量是不連續(xù)的，是一份一份地變化的，屬于“不連續(xù)的，一份一份”的概念的是A，B、C、D錯(cuò)誤。7．(能量子)(多選)關(guān)于對普朗克能量子假說的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()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．電磁波的能量子與電磁波在真空中的波長成反比D．這一假說與現(xiàn)實(shí)世界相矛盾，因而是錯(cuò)誤的答案BC解析由普朗克能量子假說可知，振動(dòng)著的帶電微粒的能量和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，A錯(cuò)誤，B正確；最小能量值叫作能量子，ε＝hν，且ν＝eq\f(c,λ)，可得ε＝eq\f(hc,λ)，C正確；借助于能量子的假說，普朗克得出了黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與實(shí)驗(yàn)符合，說明這一假說是正確的，D錯(cuò)誤。8．(能量子的應(yīng)用)能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量為10－18J，已知可見光的平均波長為0.6μm，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，恰能引起人眼的感覺時(shí)，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為()A．1 B．3C．30 D．300答案B解析光子的能量為ε＝heq\f(c,λ)，能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量E＝10－18J，由E＝nε得能引起人眼的感覺時(shí)，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為n＝eq\f(E,ε)＝eq\f(Eλ,hc)＝eq\f(10－18×6×10－7,6.63×10－34×3×108)≈3，故選B。9．(黑體及黑體輻射)關(guān)于對黑體的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()A．黑體是黑色的且其自身輻射電磁波B．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布與材料的種類及表面狀況有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與溫度有關(guān)D．黑體不吸收電磁波，只反射電磁波答案C解析黑體輻射電磁波，但不一定是黑色的，故A錯(cuò)誤；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)，故B錯(cuò)誤，C正確；黑體不反射電磁波，故D錯(cuò)誤。10．(能級)(多選)下列關(guān)于原子從高能級向低能級躍遷時(shí)放出的光子的能量，可能正確的是()A．10.20eV B．12.09eVC．10.20～12.09eV D．10.20eV和12.09eV答案ABD解析原子從高能級向低能級躍遷時(shí)放出的光子的能量只能是分立的值，不能是連續(xù)的值，A、B、D正確。11．(熱輻射規(guī)律與能量子的應(yīng)用)經(jīng)測量，人體表面熱輻射強(qiáng)度的最大值落在波長為9.40μm處。根據(jù)電磁輻射的理論得出，物體最強(qiáng)輻射的波長與物體的絕對溫度的關(guān)系近似為Tλm＝2.90×10－3m·K，由此估算人體表面的溫度和輻射強(qiáng)度的最大值對應(yīng)波長的能量子的值各是多少？(h＝6.63×10－34J·s，絕對溫度T與攝氏度t的換算關(guān)系為：T＝t＋273K，T和t的單位分別為K、℃)答案36℃2.12×10－20J解析人體表面的絕對溫度為T＝eq\f(2.90×10－3m·K,λm)＝eq\f(2.90×10－3,9.40×10－6)K≈309K則人體表面的溫度t＝T－273K＝36℃。根據(jù)ε＝hν、c＝νλ可知人體輻射強(qiáng)度的最大值對應(yīng)波長的能量子的值為ε＝heq\f(c,λm)＝6.63×10－34×eq\f(3×108,9.40×10－6)J≈2.12×10－20J。12．(能量子的應(yīng)用)某廣播電臺(tái)的發(fā)射功率為10kW，發(fā)射的是在空氣中波長為187.5m的電磁波，則：(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3×108m/s)(1)該電臺(tái)每秒從天線發(fā)射多少個(gè)能量子？(2)若發(fā)射的能量子在以天線為球心的同一球面上的分布視為均勻的，求在離天線2.5km處，直徑為2m的球狀天線每秒接收的能量子個(gè)數(shù)以及接收功率。答案(1)9.4×1030(2)3.76×10234×10－4W解析(1)每個(gè)能量子為ε＝hν＝eq\f(hc,λ)＝eq\f(6.63×10－34×3×108,187.5)J≈1.06×10－27J則該電臺(tái)每秒發(fā)射上述波長能量子的個(gè)數(shù)N＝eq\f(Pt,ε)＝eq\f(10×103×1,1.06×10－27)≈9.4×1030。(2)設(shè)球狀天線每秒接收能量子數(shù)為n個(gè)，以電臺(tái)發(fā)射天線為球心、半徑為R＝2.5km的球面面積S＝4πR2，而球狀天線的有效接收面積S′＝πr2，所以n＝Neq\f(S′,S)＝Neq\f(r2,4R2)＝9.4×1030×eq\f(12,4×（2.5×103）2)＝3.76×1023，接收功率P收＝eq\f(nε,t)＝eq\f(3.76×1023×1.06×10－27,1)W≈4×10－4W。第十三章水平測評本試卷分第Ⅰ卷(選擇題)和第Ⅱ卷(非選擇題)兩部分，滿分100分，考試時(shí)間75分鐘。第Ⅰ卷(選擇題，共50分)一、選擇題(本題共10小題，每小題5分，共50分。在每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，第1～7題只有一項(xiàng)符合題目要求，第8～10題有多項(xiàng)符合題目要求。全部選對的得5分，選對但不全的得3分，有選錯(cuò)的得0分)1.宇宙中“破壞力”最強(qiáng)的天體“磁星”，危險(xiǎn)程度不亞于黑洞，其磁感應(yīng)強(qiáng)度相當(dāng)于地球磁場的1000萬億倍，下列有關(guān)磁星的磁場說法正確的是()A．“磁星”表面的磁場如此強(qiáng)大，故而磁感線非常密集，導(dǎo)致磁感線可能相交B．“磁星”表面各點(diǎn)的磁場方向可以用磁感線在該點(diǎn)的切線方向表示C．磁場只存在于“磁星”外部，而“磁星”內(nèi)部不存在磁場D．若在“磁星”表面選一閉合區(qū)域，則閉合區(qū)域中的磁通量不可能為零答案B解析磁場中某點(diǎn)不能同時(shí)有兩個(gè)磁場方向，故而磁感線不能相交，故A錯(cuò)誤；磁感線某點(diǎn)處的切線方向?yàn)樵擖c(diǎn)的磁場方向，故B正確；磁感線為閉合曲線，故而在“磁星”內(nèi)部也存在磁場，故C錯(cuò)誤；若所選擇的閉合區(qū)域平行于磁感線，或磁感線從某側(cè)進(jìn)入又從同一側(cè)穿出時(shí)，磁通量為零，故D錯(cuò)誤。2．現(xiàn)代生活中，人們已更多地與電磁波聯(lián)系在一起，并且越來越依賴于電磁波，關(guān)于電磁場和電磁波，下列說法正確的是()A．把帶電體和永磁體放在一起，就可以在其周圍空間產(chǎn)生電磁波B．手機(jī)、電視、光纖通信都是通過電磁波來傳遞信息的C．醫(yī)院中用于檢查病情的“B超”是利用了電磁波的反射原理D．車站、機(jī)場安全檢查時(shí)“透視”行李箱的安檢裝置是利用紅外線實(shí)現(xiàn)成像的答案B解析要產(chǎn)生電磁波，必須要有變化的磁場與變化的電場，A錯(cuò)誤；手機(jī)、電視通過無線電波傳遞信息，光纖通信通過光傳遞信息，無線電波和光均屬于電磁波，B正確；“B超”是利用了超聲波的反射原理，C錯(cuò)誤；車站、機(jī)場安全檢查時(shí)“透視”行李箱的安檢裝置是利用X射線實(shí)現(xiàn)成像的，D錯(cuò)誤。3．與4G通信相比，5G通信具有“更高網(wǎng)速、低延時(shí)、低功率海量連接、通信使用的電磁波頻率更高”等特點(diǎn)。與4G相比，5G使用的電磁波()A．波長更長 B．能量子的能量更小C．能量子的能量更大 D．傳播速度更快答案C解析由題知與4G相比，5G具有“通信使用的電磁波頻率更高”的特點(diǎn)，已知電磁波的波長與頻率的關(guān)系為λ＝eq\f(c,f)，由此可知頻率越高波長越短，則與4G相比，5G使用的電磁波波長更短，A錯(cuò)誤；已知能量子的能量為ε＝hν，且5G使用的電磁波頻率更高，故其能量子的能量更大，B錯(cuò)誤，C正確；電磁波的傳播速度與光速相等，與頻率的高低無關(guān)，D錯(cuò)誤。4.如圖所示，M、N和P是以MN為直徑的半圓弧上的三點(diǎn)，O為半圓弧的圓心，∠MOP＝60°，在M、N處各有一條長直導(dǎo)線垂直穿過紙面，導(dǎo)線中通有大小相等的恒定電流，方向如圖所示，這時(shí)O點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1，若將M處長直導(dǎo)線移至P處，則O點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2，那么B2與B1之比為()A.eq\r(3)∶1 B.eq\r(3)∶2C．1∶1 D．1∶2答案B解析根據(jù)安培定則，M、N處兩根導(dǎo)線在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場方向一致，則每根導(dǎo)線在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為eq\f(B1,2)，方向豎直向下，當(dāng)M處長直導(dǎo)線移至P處時(shí)，兩根導(dǎo)線在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場方向之間的夾角為60°，則O點(diǎn)合磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2＝2×eq\f(B1,2)×cos30°＝eq\f(\r(3),2)B1，則B2與B1之比為eq\r(3)∶2，故A、C、D錯(cuò)誤，B正確。5．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(shí)，只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺，普朗克常量取6.63×10－34J·s，光速為3.0×108m/s，則人眼能察覺到綠光時(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．1.2×10－18W答案A解析綠光的光子能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ)≈3.8×10－19J，每秒鐘最少有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔就能被人察覺，所以人眼能察覺到綠光時(shí)所接收到的最小功率P＝eq\f(nε,t)＝eq\f(6×3.8×10－19,1)W≈2.3×10－18W。故A正確。6.在如圖所示的xOy坐標(biāo)系第一象限內(nèi)存在垂直紙面向外的磁場，磁感線沿y軸方向均勻分布、沿x軸正方向逐漸稀疏。在第一象限內(nèi)有一個(gè)平行于xOy平面的矩形導(dǎo)線框abcd，已知此時(shí)穿過線框的磁通量為Φ，則以下判斷正確的是()A．此時(shí)線框內(nèi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生B．若線框沿y軸正方向平移，則框內(nèi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生C．若線框沿x軸負(fù)方向平移，則框內(nèi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生D．以ab為軸翻轉(zhuǎn)180°，則這一過程中框內(nèi)磁通量變化量為2Φ答案C解析若線框靜止于題圖中位置，由于線框內(nèi)的磁通量沒有發(fā)生變化，所以沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，故A錯(cuò)誤；若線框沿y軸正方向平移，由于磁感線沿y軸方向均勻分布，則線框內(nèi)的磁通量沒有發(fā)生變化，因此框內(nèi)沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，故B錯(cuò)誤；若線框沿x軸負(fù)方向平移，由于磁感線沿x軸正方向逐漸稀疏，磁通量發(fā)生變化，則框內(nèi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，故C正確；由于磁感線沿x軸正方向逐漸稀疏，以ab為軸翻轉(zhuǎn)180°后，磁通量大小大于Φ，則這一過程中框內(nèi)磁通量變化量大小大于2Φ，故D錯(cuò)誤。7.如圖所示，平行放置在絕緣水平面上的長為l的直導(dǎo)線a和無限長的直導(dǎo)線b，分別通以方向相反，大小為Ia、Ib(Ia>Ib)的恒定電流時(shí)，b對a的作用力為F。當(dāng)在空間加一豎直向下(沿y軸的負(fù)方向)、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場時(shí)，導(dǎo)線a所受磁場力恰好為零。則下列說法正確的是()A．電流Ib在導(dǎo)線a處產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向沿y軸的負(fù)方向B．所加勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B＝eq\f(F,Ial)C．導(dǎo)線a對b的作用力大于FD．電流Ia在導(dǎo)線b處產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為eq\f(F,Ial)，方向沿y軸的正方向答案B解析根據(jù)直線電流的磁感線分布及安培定則可知，無限長的直導(dǎo)線b的電流Ib在平行放置的直導(dǎo)線a處產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度處處相等，設(shè)為Ba，沿y軸正方向，由于加上題述磁場后a所受磁場力為零，因此電流Ib在導(dǎo)線a處產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為Ba＝B，A錯(cuò)誤；由磁感應(yīng)強(qiáng)度定義可得：Ba＝eq\f(F,Ial)，又Ba＝B，則B＝eq\f(F,Ial)，B正確；由牛頓第三定律可知，導(dǎo)線a對b的作用力大小等于F，C錯(cuò)誤；因?yàn)閍導(dǎo)線不是無限長，故電流Ia在導(dǎo)線b處產(chǎn)生的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小并不是處處相等，因此D錯(cuò)誤。8.磁場中某區(qū)域的磁感線如圖所示，下列論述正確的是()A．a(chǎn)、b兩處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小Ba<BbB．a(chǎn)、b兩處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小Ba>BbC．兩條磁感線的空隙處不存在磁場D．磁感線上某點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場方向答案AD解析由磁感線的疏密可知Ba<Bb，故A正確，B錯(cuò)誤；磁感線是人為引入，利用磁感線的疏密來表示磁場強(qiáng)弱的，兩條磁感線的空隙處同樣存在磁場，故C錯(cuò)誤；磁感線上某點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場方向，故D正確。9．對于能量子理論和量子力學(xué)，以下說法正確的是()A．能量子理論能解釋黑體輻射的有關(guān)規(guī)律B．帶電微粒輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．量子力學(xué)否定了經(jīng)典力學(xué)的有關(guān)規(guī)律D．能量子理論能解釋原子光譜的分立特征答案ABD解析根據(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、吸收要以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地進(jìn)行，能很好地解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和原子光譜的分立特征，故A、B、D正確；經(jīng)典力學(xué)適用于描述宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，量子力學(xué)沒有否定經(jīng)典力學(xué)，C錯(cuò)誤。10．如圖所示，有兩根用超導(dǎo)材料制成的長直平行細(xì)導(dǎo)線a、b，分別通以80A和100A流向相同的電流，兩導(dǎo)線構(gòu)成的平面內(nèi)有一點(diǎn)p，到兩導(dǎo)線的距離相等。下列說法正確的是()A．兩導(dǎo)線受到的磁場力Fb＝125FaB．導(dǎo)線所受的磁場力可以用F＝ILB計(jì)算C．移走導(dǎo)線b前后，p點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向改變D．在離兩導(dǎo)線所在的平面有一定距離的有限空間內(nèi)，不存在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的位置答案BCD解析兩導(dǎo)線受到的磁場力是一對相互作用力，大小相等，故A錯(cuò)誤。因?yàn)槊恳桓鶎?dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與導(dǎo)線垂直，且磁感應(yīng)強(qiáng)度大小沿導(dǎo)線方向不變，故導(dǎo)線所受的磁場力可以用F＝ILB計(jì)算，故B正確。移走導(dǎo)線b前，導(dǎo)線b的電流較大，則p點(diǎn)的磁場的方向與導(dǎo)線b中電流在p點(diǎn)產(chǎn)生的磁場的方向相同，根據(jù)安培定則可知，p點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直兩導(dǎo)線所在的平面向里；移走導(dǎo)線b后，p點(diǎn)磁場的方向即導(dǎo)線a中電流在p點(diǎn)產(chǎn)生的磁場的方向，根據(jù)安培定則可知，p點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直兩導(dǎo)線所在的平面向外，故C正確。根據(jù)安培定則可知，在離兩導(dǎo)線所在的平面有一定距離的有限空間內(nèi)，兩導(dǎo)線在任意點(diǎn)產(chǎn)生的磁場的方向均不在同一條直線上，故不存在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的位置，故D正確。第Ⅱ卷(非選擇題，共50分)二、實(shí)驗(yàn)題(本題共2小題，共12分)11．(6分)如圖所示是做“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”實(shí)驗(yàn)的器材及示意圖。(1)在圖中用筆畫線代替導(dǎo)線把它們連成實(shí)驗(yàn)電路。(2)由哪些操作可以使靈敏電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)：Ⅰ._____________________________________________________________；Ⅱ.__________________________________________________________。答案(1)圖見解析(2)Ⅰ.將開關(guān)閉合(或斷開)Ⅱ.開關(guān)閉合后，將螺線管A插入(或拔出)螺線管B解析(1)將靈敏電流計(jì)與螺線管B組成一個(gè)閉合回路，電源、開關(guān)、螺線管A組成另一個(gè)閉合回路，電路圖如圖所示。(2)將開關(guān)閉合(或斷開)，或開關(guān)閉合后將螺線管A插入(或拔出)螺線管B時(shí)穿過螺線管B的磁通量發(fā)生變化，螺線管B中產(chǎn)生感應(yīng)電流，靈敏電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。12．(6分)圖中虛線框內(nèi)存在一沿水平方向且與紙面垂直的勻強(qiáng)磁場。現(xiàn)通過測量通電導(dǎo)線在磁場中所受的磁場力，來測量磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。所用部分器材已在圖中給出，其中D為位于紙面內(nèi)的“U”形金屬框，其底邊水平，兩側(cè)邊豎直且等長，E為直流電源，R為電阻箱，A為電流表，S為開關(guān)。此外還有細(xì)沙、天平、米尺和若干輕質(zhì)導(dǎo)線。已知D所受的磁場力等效于D的底邊所受的磁場力。(1)在圖中畫線連接成實(shí)驗(yàn)電路圖。(2)完成下列主要實(shí)驗(yàn)步驟中的填空。①按圖接線。②保持開關(guān)S斷開，在托盤內(nèi)加入適量細(xì)沙，使D處于平衡狀態(tài)，然后用天平稱出細(xì)沙的質(zhì)量m1。③閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)R的值使電流大小適當(dāng)，在托盤內(nèi)重新加入適量細(xì)沙，使D________________，然后讀出電流表的示數(shù)I，并用天平稱出此時(shí)細(xì)沙的質(zhì)量m2。④用米尺測量D的底邊長度L。(3)用測量的物理量和重力加速度g表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，可以得出B＝________。答案(1)圖見解析(2)重新處于平衡狀態(tài)(3)eq\f(|m2－m1|g,IL)解析(1)連接完成的實(shí)驗(yàn)電路圖如圖所示。(2)本實(shí)驗(yàn)的原理是利用平衡條件求解磁感應(yīng)強(qiáng)度，故應(yīng)使D重新處于平衡狀態(tài)。(3)設(shè)D的質(zhì)量為M、托盤的質(zhì)量為m0、細(xì)沙的質(zhì)量為m1時(shí)，由平衡條件可得Mg＝(m0＋m1)g，當(dāng)細(xì)沙質(zhì)量為m2時(shí)，有Mg＋BIL＝(m0＋m2)g或Mg－BIL＝(m0＋m2)g，聯(lián)立有BIL＝|m2－m1|g，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝eq\f(|m2－m1|g,IL)。三、計(jì)算題(本題共3小題，共38分。要有必要的文字說明和解題步驟，有數(shù)值計(jì)算的要注明單位)13．(10分)在磁場中放入一通電導(dǎo)線，導(dǎo)線與磁場垂直，導(dǎo)線長為1cm，電流為0.5A，所受的磁場力為5×10－4N。求：(1)該位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度多大？(2)若在該位置加一磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為0.1T、方向與原磁場方向和導(dǎo)線均垂直的磁場，該導(dǎo)線受到的磁場力多大？答案(1)0.1T(2)7×10－4N解析(1)根據(jù)公式B＝eq\f(F,Il)得B＝eq\f(5×10－4,0.5×0.01)T＝0.1T。(2)