13-5-能量量子化(解析版)(人教2019必修第三冊-)

第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步13.5能量量子化目標(biāo)導(dǎo)航目標(biāo)導(dǎo)航課程標(biāo)準(zhǔn)課標(biāo)解讀1．了解熱輻射和黑體的概念。2．初步了解微觀世界的量子化特征，知道普朗克常量。3．了解原子的能級結(jié)構(gòu)。1．了解黑體輻射及其研究的歷史脈絡(luò)，感悟以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法。2．了解能量子的概念及其提出的過程，領(lǐng)會這一科學(xué)概念的創(chuàng)新性突破中蘊(yùn)含的偉大科學(xué)思想。3．了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)，體會量子理論的建立極大地豐富和深化了人們對于物質(zhì)世界的認(rèn)識。知識精講知識精講知識點(diǎn)01熱輻射1．概念：一切物體都在輻射電磁波，且輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫熱輻射．2．特點(diǎn)：溫度升高時，熱輻射中波長較短的成分越來越強(qiáng)．3．黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射．【即學(xué)即練1】對黑體輻射電磁波的波長分布的影響因素是 ()A.溫度B.材料C.表面狀況D.以上都正確【答案】A【解析】黑體輻射電磁波的波長分布的決定因素只有溫度,故選項(xiàng)A正確,B、C、D錯誤。知識點(diǎn)02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整數(shù)倍，這個最小的能量值ε叫能量子．2．大小：ε＝hν，其中h＝6.63×10－34J·s.3．愛因斯坦光子說：光是由一個個不可分割的能量子組成，能量大小為hν，光的能量子稱為光子．【即學(xué)即練2】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.人的個數(shù)B.物體所受的重力C.物體的動能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”的概念特征的是A選項(xiàng),故A正確,B、C、D錯誤。知識點(diǎn)03能級1．原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能級．2．原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出光子，光子的能量等于前后兩個能級之差．3．原子的能級是分立的，放出的光子的能量也是分立的，原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線．【即學(xué)即練3】(多選)下列關(guān)于氫原子光譜和能級的說法正確的是 ()A.氫原子光譜中的亮線是由于氫原子從高能級向低能級躍遷時釋放出光子形成的B.氫原子光譜不是連續(xù)的,是一些分立的亮線,說明了氫原子的能級是量子化的C.原子能量越高原子越穩(wěn)定D.原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷會放出光子,光子能量等于兩個能級之差【答案】ABD【解析】原子處于能量越低的狀態(tài)越穩(wěn)定,C錯誤。能力拓展能力拓展考法01熱輻射和黑體輻射1．黑體實(shí)際上是不存在的，只是一種理想情況．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；有些可看成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．3．黑體同其他物體一樣也在輻射電磁波，黑體的輻射規(guī)律最為簡單，黑體輻射強(qiáng)度只與溫度有關(guān)．4．一般物體和黑體的熱輻射、反射、吸收的特點(diǎn)熱輻射不一定需要高溫，任何溫度都能發(fā)生熱輻射，只是溫度低時輻射弱，溫度高時輻射強(qiáng)．在一定溫度下，不同物體所輻射的光譜的成分有顯著不同．熱輻射特點(diǎn)吸收、反射的特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，與材料的種類、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的波長等因素有關(guān)黑體輻射電磁波的強(qiáng)弱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【典例1】(多選)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，由圖可知()A．隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加B．隨溫度降低，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加C．隨溫度升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動D．隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長的方向移動【答案】ACD【解析】由題圖可知，隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動，當(dāng)溫度降低時，上述變化都將反過來?？挤?2能量子1．普朗克的能量子概念(1)能量子：普朗克認(rèn)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(dāng)帶電粒子輻射或吸收能量時，也只能以這個最小能量值為單位一份一份地吸收或輻射，這樣的一份最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν，其中h叫作普朗克常量，實(shí)驗(yàn)測得h＝6.63×10－34J·s，ν為電磁波的頻率．(2)能量的量子化：在微觀世界中能量不能連續(xù)變化，只能取分立值，這種現(xiàn)象叫作能量的量子化．量子化的基本特征就是在某一范圍內(nèi)取值是不連續(xù)的．2．愛因斯坦的光子說光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，這些能量子被稱為光子．頻率為ν的光子的能量為ε＝hν.【典例2】(多選)關(guān)于普朗克“能量量子化”的假設(shè)，下列說法正確的是()A．認(rèn)為帶電微粒輻射或吸收能量時，是一份一份的B．認(rèn)為能量值是連續(xù)的C．認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的、連續(xù)的D．認(rèn)為微觀粒子的能量是分立的【答案】AD【解析】普朗克的理論認(rèn)為帶電微粒輻射或吸收能量時，是一份一份的，微觀粒子的能量是量子化的，是分立的，A、D正確?？挤?3能級1．原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能級．2．原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出光子，光子的能量等于前后兩個能級之差．3．放出的光子的能量是分立的，所以原子的發(fā)射光譜是一些分立的亮線．【典例3】(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)榱硪荒芰恐担梢赃B續(xù)變化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．分層提分分層提分題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1.關(guān)于對黑體的認(rèn)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(qiáng)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)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)，與材料的種類及表面狀況無關(guān)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(nèi)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【答案】C【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(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)，B錯誤，C正確；小孔只吸收電磁波，不反射電磁波，因此是小孔成了一個黑體，而不是空腔成了黑體，D錯誤。2.能正確解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是()A．能量的連續(xù)經(jīng)典理論B．普朗克提出的能量量子化理論C．以上兩種理論體系任何一種都能解釋D．牛頓提出的能量微粒說【答案】B【解析】根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，隨著溫度的升高，一方面各種波長的輻射強(qiáng)度都增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動，只能用普朗克提出的能量量子化理論才能得到較滿意的解釋，B正確。3.(多選)對于帶電微粒的輻射和吸收能量時的特點(diǎn)，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收B．輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸收的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸收的能量是量子化的【答案】ABD【解析】帶電微粒輻射或吸收能量時是以最小能量值——能量子ε的整數(shù)倍或一份一份地輻射或吸收的，是不連續(xù)的，A、B、D正確，C錯誤。4.(多選)下列說法正確的是()A．物體在某一溫度下只能輻射某一固定波長的電磁波B．當(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時，說明它的溫度不太高C．當(dāng)鐵塊的溫度較高時會呈現(xiàn)赤紅色，說明此時輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng)D．早、晚時分太陽呈現(xiàn)紅色，而中午時分呈現(xiàn)白色，說明中午時分太陽溫度最高【答案】BC【解析】物體在某一溫度下能輻射不同波長的電磁波，A錯誤；鐵塊呈現(xiàn)黑色，是由于它的輻射強(qiáng)度的極大值對應(yīng)的波長段在紅外部分，甚至波長更長，說明它的溫度不太高，當(dāng)鐵塊的溫度較高時鐵塊呈現(xiàn)赤紅色，說明此時輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng)，故B、C正確；太陽早、晚時分呈現(xiàn)紅色，而中午時分呈現(xiàn)白色，是大氣吸收與反射了部分光的原因，不能說明中午時分太陽溫度最高，D錯誤．5.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．人的個數(shù) B．物體所受的重力C．物體的動能 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選項(xiàng)，故A正確，B、C、D錯誤．6.(多選)對于帶電微粒的輻射和吸收能量時的特點(diǎn)，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收B．輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸收的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸收的能量是量子化的【答案】ABD【解析】帶電微粒輻射和吸收能量時是以最小能量值——能量子ε的整數(shù)倍一份一份地輻射或吸收的，是不連續(xù)的，故A、B、D正確，C錯誤．7.已知某單色光的波長為λ，真空中光速為c，普朗克常量為h，則電磁波輻射的能量子ε的值為()A．heq\f(c,λ) B.eq\f(h,λ)C.eq\f(c,hλ) D．以上均不正確【答案】A【解析】由光速、波長的關(guān)系可得出光的頻率ν＝eq\f(c,λ)，從而ε＝hν＝heq\f(c,λ)，故A正確．8.一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，能量減少C．吸收光子，能量增加D．吸收光子，能量減少【答案】B【解析】由原子的能級躍遷規(guī)律知，氫原子從高能級躍遷到低能級時，輻射一定頻率的光子，氫原子能量減少，光子的能量由這兩個能級的能量差決定．題組B能力提升練9.某激光器能發(fā)射波長為λ的激光，發(fā)射功率為P，c表示光速，h為普朗克常量，則激光器t時間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)為()A.eq\f(λPt,hc) B.eq\f(hPt,λc)C.eq\f(cPλ,ht) D．λPhct【答案】A【解析】每個光子的能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ)，t時間內(nèi)發(fā)光的總能量為Pt，則n＝eq\f(Pt,ε)＝eq\f(λPt,hc)，故A正確．10.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，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為()A．1個 B．3個C．30個 D．300個【答案】B【解析】每個光子的能量為E0＝heq\f(c,λ)，能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量E為10－18J，由E＝nE0得能引起人眼的感覺，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為n＝eq\f(E,E0)＝eq\f(Eλ,hc)＝eq\f(10－18×6×10－7,6.63×10－34×3×108)個≈3個，故選B.11.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.2.3×10-18WB.3.8×10-19WC.7.0×10-10WD.1.2×10-18W【答案】A【解析】因每秒有6個綠光的光子射入瞳孔眼睛就能察覺,所以察覺到綠光所接收到的最小功率P=Et,式中E=6ε,t=1s,又ε=hν=hcλ,可解得P=2.3×10-1812.第26屆國際計(jì)量大會決定,質(zhì)量單位“千克”用普朗克常量h定義,“國際千克原器”于2019年5月20日正式“退役”。h的數(shù)值為6.63×10-34,根據(jù)能量子定義,h的單位是,該單位用國際單位制中的力學(xué)基本單位表示,則為。

【答案】J·skg·m2/s【解析】能量子ε=hν,則h=ε/ν,故h的單位為J·s。由W=Fs=mas可知,1J=1kg·(m/s2)·m,故1J·s=1kg·m2/s。13.某小燈泡功率P=1W,設(shè)其發(fā)光向四周均勻輻射,平均波長λ=10-6m,求在與小燈泡相距d=1.0×104m處,每秒落在垂直于光線方向且面積為1cm2的球面(以小燈泡為球心)上的光子數(shù)是多少?(普朗克常量h=6.63×10-34J·s)【答案】3.98×105【解析】每秒小燈泡發(fā)出的能量E=Pt=1J1個光子的能量ε=hν=hcλ=6.63×10-小燈泡每秒輻射的光子個數(shù)為n=Eε=1J1與小燈泡相距d的球面面積為S=4πd2=4π×(1.0×104)2m2=1.256×1013cm2所以每秒射到1cm2的球面上的光子數(shù)為N=nS=5×10181.256×1013(個題組C培優(yōu)拔尖練14.40瓦的白熾燈，有5%的能量轉(zhuǎn)化為可見光．設(shè)所發(fā)射的可見光的平均波長為580nm，那么該白熾燈每秒輻射的光子數(shù)為多少？(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3×108m/s)【答案】5.8×1018個【解析】波長為λ的光子能量為ε＝hν＝heq\f(c,λ)①設(shè)白熾燈每秒輻射的光子數(shù)為n，白熾燈的電