2020-2021學(xué)年高中物理 第十三章 電磁感應(yīng)與電磁波初步 5 能量量子化學(xué)案 新人教版必修3

1、2020-2021學(xué)年高中物理 第十三章 電磁感應(yīng)與電磁波初步 5 能量量子化學(xué)案 新人教版必修32020-2021學(xué)年高中物理 第十三章 電磁感應(yīng)與電磁波初步 5 能量量子化學(xué)案 新人教版必修3年級(jí)：姓名：- 13 -能量量子化一、熱輻射新冠肺炎疫情期間,紅外體溫計(jì)成為生活必不可少的工具,如圖所示的紅外體溫計(jì)具有方便快捷的特點(diǎn),在疫情防控工作中發(fā)揮了重要作用。那么,這種體溫計(jì)是根據(jù)什么制成的呢?提示:將被測(cè)物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。紅外線輻射能量的大小與物體本身的溫度是相關(guān)聯(lián)的,根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)大小,就可以確定物體的溫度。1.熱輻射:(1)定義:一切物體都在輻射電磁波,這種輻

2、射與物體的溫度有關(guān),所以叫作熱輻射。(2)特點(diǎn):物體在熱輻射中隨溫度的升高,輻射的較短波長的電磁波的成分越來越大。2.黑體:(1)定義: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,這種物體就叫作黑體。(2)黑體輻射的特點(diǎn):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)。3.熱輻射的原因: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(chǎng),從而產(chǎn)生電磁輻射。二、能量子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的整數(shù)倍。即能的輻射或者吸收只能是一份一份的。這個(gè)不可再分的最小能量值叫作能量子。2.能量子公式:=h,其中是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。

3、h=6.62610-34 js。(一般取h=6.6310-34 js)3.能量的量子化:在微觀世界中能量是量子化的,或者說微觀粒子的能量是分立的。這種現(xiàn)象叫能量的量子化。4.普朗克理論:(1)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)符合得非常好。(2)普朗克在1900年把能量子列入物理學(xué),正確地破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念,成為新物理學(xué)思想的基石之一。5.光子說:(1)愛因斯坦認(rèn)為電磁場(chǎng)本身就是不連續(xù)的。(2)光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的,頻率為的光的能量子為h,h為普朗克常量。三、能級(jí)如圖所示為氫原子光譜圖,為什么只有一些分立的亮線?提示:原子放

4、出光子,放出的光子的能量等于始、末兩個(gè)能級(jí)的能量差值,能量一定,放出光子的頻率也一定,因此氫原子的光譜只有些分立的亮線。1.定義:原子的能量是量子化的,這些量子化的能量值叫作能級(jí)。2.能級(jí)躍遷:(1)通常情況下,原子處于能量最低的狀態(tài),這是最穩(wěn)定的。(2)把原子從一個(gè)能級(jí)變化到另一個(gè)能級(jí)的過程叫作躍遷。(3)處于高能級(jí)的原子,自發(fā)地向低能級(jí)躍遷時(shí)放出光子,原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)放出的光子的能量,等于前后兩個(gè)能級(jí)之差。3.原子光譜:由于原子的能級(jí)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。(1)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體。()(2)溫度越高

5、,黑體輻射電磁波的強(qiáng)度越大。()(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)光滑水平桌面上勻速運(yùn)動(dòng)的小球的動(dòng)能也是量子化的。()(6)熱輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與物體的溫度有關(guān)。()知識(shí)點(diǎn)一熱輻射1. 在任何溫度下,任何物體都會(huì)發(fā)射電磁波,并且其輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。當(dāng)物體溫度較低時(shí)(如室溫),熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波(在紅外線區(qū)域),不能引起人的視覺;當(dāng)溫度升高時(shí),熱輻射中較短波長的成分輻射強(qiáng)度越來越強(qiáng),可見光所占比例增大,如燃燒的炭會(huì)發(fā)出醒目的紅光。2.在一定溫度下,不同物體所

6、輻射的光譜成分有顯著的不同。例如,將鋼加熱到約800 時(shí),就可觀察到明亮的紅色光,但在同一溫度下,熔化的水晶卻不輻射可見光。3.熱輻射不需要高溫,任何溫度下物體都會(huì)發(fā)出一定的熱輻射,只是溫度低時(shí)輻射弱,溫度高時(shí)輻射強(qiáng)?！镜淅筷P(guān)于對(duì)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,冷的物體電磁波b.溫度越高,物體輻射的電磁波越強(qiáng)c.輻射強(qiáng)度按波長的分布情況物體的溫度有關(guān),與材料種類及表面狀況無關(guān)d.常溫下我們看到的物體的顏色物體輻射電磁波的顏色【審題關(guān)鍵】序號(hào)解題依據(jù)信息提取一切物體都向外輻射電磁波冷的物體只吸收電磁波一般材料的輻射強(qiáng)度除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類和表面狀況有

7、關(guān)所有物體輻射強(qiáng)度按波長的分布只與物體的溫度有關(guān)常溫下我們看到的物體的顏色是物體反射光的顏色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】選b。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(qiáng),對(duì)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,還與材料的種類和表面狀況有關(guān);常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色。1.(多選)以下關(guān)于輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系的說法中正確的是 ()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(shí),說明它的溫度不太高c.當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)赤紅色,說明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng)d.早、晚時(shí)分太陽呈現(xiàn)紅色

8、,而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色,說明中午時(shí)分太陽溫度最高【解析】選b、c。物體在某一溫度下能輻射不同波長的電磁波,故a錯(cuò)誤;黑體輻射的強(qiáng)度與溫度有關(guān),溫度越高,則輻射強(qiáng)度的極大值也就越大;當(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時(shí),是因?yàn)樗妮椛鋸?qiáng)度的極大值對(duì)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,所以b選項(xiàng)是正確的;當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)赤紅色,說明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng),所以c選項(xiàng)是正確的;太陽早、晚時(shí)分呈現(xiàn)紅色,而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色,是因?yàn)榇髿馕张c反射了部分光的原因,不能說明中午時(shí)分太陽溫度最高,故d錯(cuò)誤。2.關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí),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

9、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(gè)空腔壁上開一個(gè)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(gè)空腔就成了一個(gè)黑體【解析】選c。能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射,這樣的物體稱為黑體,故a錯(cuò)誤;黑體輻射電磁波的強(qiáng)度與溫度有關(guān),溫度越高,黑體輻射的強(qiáng)度越大,隨著溫度的升高,黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng),故b錯(cuò)誤,c正確;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(gè)小孔就成了一個(gè)黑體,

10、故選項(xiàng)d錯(cuò)誤?！炯庸逃?xùn)練】熱輻射是指所有物體都要向外輻射電磁波的現(xiàn)象。輻射強(qiáng)度指垂直于電磁波方向的單位面積在單位時(shí)間內(nèi)所接收到的輻射能量。在研究同一物體在不同溫度下向外輻射的電磁波的波長與其輻射強(qiáng)度的關(guān)系時(shí),得到如圖所示的圖線,圖中橫軸表示電磁波的波長,縱軸m表示某種波長的電磁波的輻射強(qiáng)度,則由m-圖線可知,同一物體在不同溫度下 ()a.向外輻射同一波長的電磁波的輻射強(qiáng)度相同b.向外輻射的電磁波的波長范圍是相同的c.向外輻射的電磁波的總能量隨溫度升高而減小d.輻射強(qiáng)度的極大值隨溫度升高而向短波方向移動(dòng)【解析】選d。由m-圖線可知,對(duì)于同一物體,隨著溫度的升高,一方面,各種波長電磁波的輻射強(qiáng)度都

11、有所增加,向外輻射的電磁波的總能量增大;另一方面,輻射強(qiáng)度的極大值向短波方向移動(dòng),波長范圍增大。選項(xiàng)d正確,a、b、c錯(cuò)誤。知識(shí)點(diǎn)二能量子和能級(jí)1.能量子的理解:(1)物體在發(fā)射或接收能量的時(shí)候,只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過渡到另一狀態(tài),而不可能停留在不符合這些能量的任何一個(gè)中間狀態(tài)。(2)在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)我們可以認(rèn)為:物體的運(yùn)動(dòng)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(shí)必須考慮能量量子化。2.普朗克能量量子化假說的意義:(1)如圖所示,假設(shè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果“令人滿意地相符”,圖中小圓點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)值,曲線是根據(jù)普朗克公式作出的。(2)普朗克的能量子假說,使人類對(duì)微觀世界的本

12、質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí),對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。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,架起了電磁波的波動(dòng)性與粒子性的橋梁。3.能量量子化:(1)電子在可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí),雖然是變速運(yùn)動(dòng),但它并不釋放能量,原子是穩(wěn)定的,這樣的狀態(tài)也稱之為定態(tài)。(2)由于原子的可能狀態(tài)(定態(tài))是不連續(xù)的,具有的能量也是不連續(xù)的,這樣的能量值,稱為能級(jí),量子數(shù)n越大,表示能級(jí)越高。(3)原子的能量包括:原子的原子核與電子所具有的電勢(shì)能和電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。4.躍遷:原子從一種定態(tài)(設(shè)能量為e2)躍遷到另一種定態(tài)(設(shè)能量為e1)時(shí),它輻射(或吸收)一定頻率的光子,光子的能量由這兩種定態(tài)的

13、能量差決定。如圖所示為我國首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”?！澳犹?hào)”的成功發(fā)射使我國在量子通信技術(shù)領(lǐng)域走在了世界前列。那么,量子通信的理論基礎(chǔ)是什么?該理論的提出背景又是什么?提示:量子通信的理論基礎(chǔ)來源于德國物理學(xué)家的能量量子化假設(shè)。該假設(shè)提出的背景是經(jīng)典電磁理論解釋不了黑體輻射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律?！镜淅磕硰V播電臺(tái)發(fā)射功率為10 kw,在空氣中波長為187.5 m的電磁波,試求:該電臺(tái)每秒鐘從天線發(fā)射多少個(gè)電磁波能量子?！窘忸}探究】(1)如何求每個(gè)能量子的能量?提示:根據(jù)公式=h計(jì)算。(2)如何計(jì)算天線每秒鐘發(fā)射多少個(gè)電磁波能量子?提示:根據(jù)電臺(tái)發(fā)射功率算出其每秒鐘發(fā)出的能量子的總能量,繼而算出能

14、量子的個(gè)數(shù)。【解析】每個(gè)能量子的能量=h= j=1.0610-27 j則每秒鐘電臺(tái)發(fā)射上述波長的能量子數(shù)n=1031個(gè)答案:1031個(gè)1.(多選)對(duì)于能量量子化的理解,下列說法正確的是 ()a.微觀粒子的能量是連續(xù)的b.微觀粒子的能量是不連續(xù)變化的c.微觀粒子的能量可以取任意值d.微觀粒子的能量只能取某些分立的值【解析】選b、d。在微觀粒子領(lǐng)域中微觀粒子的能量是不連續(xù)變化的,只能取某些分立的值,故a、c項(xiàng)錯(cuò)誤,b、d項(xiàng)正確。2.(教材二次開發(fā)p127【練習(xí)與應(yīng)用】t2變式)小燈泡的功率p=1 w,設(shè)其發(fā)出的光向四周均勻輻射,平均波長=10-6 m,求小燈泡每秒鐘輻射的光子數(shù)是多少?(h=6.6

15、310-34 js)【解析】每秒鐘小燈泡發(fā)出的能量為e=pt=1 j1個(gè)光子的能量:=h= j=1.98910-19 j小燈泡每秒鐘輻射的光子數(shù):n=個(gè)51018個(gè)答案:51018個(gè)【加固訓(xùn)練】能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量為10-18 j,已知可見光的平均波長為0.6 m,普朗克常量h=6.6310-34 js,恰能引起人眼的感覺。求:進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為多少?！窘馕觥棵總€(gè)光子的能量為e0=h,能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量e為10-18 j,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=個(gè)3個(gè)。答案:3個(gè)【拓展例題】考查內(nèi)容:能量子及能量量子化假說【典例】(多選)下列說法

16、正確的是 ()a.微觀粒子的能量變化是跳躍式的b.能量子與電磁波的頻率成正比c.紅光的能量子比綠光大d.電磁波波長越長,其能量子越大【解析】選a、b。微觀粒子的能量變化是跳躍式的,故a正確;由=h可知,能量子與電磁波的頻率成正比,故b正確;紅光的頻率比綠光小,由=h可知,紅光的能量子比綠光小,故c錯(cuò)誤;電磁波波長越長,其頻率越小,能量子越小,故d錯(cuò)誤。如圖所示,經(jīng)測(cè)量,人體表面輻射本領(lǐng)的最大值落在波長為940 m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(duì)溫度的關(guān)系近似為tm=2.9010-1 mk。探究:(1)人體表面的溫度是多少?(2)人體輻射的能量子的值是多少?(h=6.6

17、310-34 js)【解析】(1)人體表面的溫度為t=309 k36 ,即t=36 。(2)人體輻射的能量子的值為=h=6.6310-34 j=2.1210-22 j。答案:(1)36 (2)2.1210-22 j1960年梅曼研制成功世界上第一臺(tái)可實(shí)際應(yīng)用的紅寶石激光器。它標(biāo)志著激光技術(shù)的誕生。激光器是一個(gè)特殊的光源,它發(fā)出的光便是激光。紅寶石激光器發(fā)射的激光是不連續(xù)的一道一道的閃光,每道閃光稱為一個(gè)光脈沖。現(xiàn)有一紅寶石激光器,發(fā)射功率為p=1.01010 w,所發(fā)射的每個(gè)光脈沖持續(xù)的時(shí)間為t=1.010-11 s,波長為793.4 nm。探究:(1)每列光脈沖的長度l是多少?(2)每列光脈

18、沖含有的能量子數(shù)是多少?【解析】(1)每列光脈沖的長度l=ct=31081.010-11 m=310-3 m。(2)由光速公式c=,能量子公式=h及能量關(guān)系pt=n得n=個(gè)4.01017個(gè)答案:(1)310-3 m(2)4.01017個(gè)1.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【解析】選b。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(dòng),只能用普朗克提出的能量量子化理論才能得到滿意的解釋,故選b。2.下列關(guān)于黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律敘述正確的是 ()a.隨著溫度的升高,各種波長的輻射強(qiáng)度都有所增加b.隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長的方向移動(dòng)c.黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長無關(guān)d.黑體輻射無任何規(guī)律【解析】選a。黑體輻射的規(guī)律為隨著溫度的升高各種波長的輻射強(qiáng)度都增加,同時(shí)輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)。故a正確,b、c、d錯(cuò)誤。3.對(duì)于帶電微粒的輻射或吸收能量