高中物理 第四章 波粒二象性 4.1 量子概念的誕生導(dǎo)學(xué)案 教科版3-5

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精PAGEPAGE1學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精1量子概念的誕生［目標(biāo)定位]1。知道熱輻射、黑體和黑體輻射的概念，知道黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.2.知道普朗克提出的能量子假說(shuō)．一、黑體與黑體輻射1．熱輻射（1）定義：周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體溫度有關(guān)，所以叫熱輻射．（2）特點(diǎn)：熱輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同．2．黑體(1）定義:某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對(duì)黑體,簡(jiǎn)稱黑體．（2)黑體輻射特點(diǎn)：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)．想一想在火爐旁邊有什么感覺(jué)？投入爐中的鐵塊顏色怎樣變化？說(shuō)明了什么問(wèn)題?答案在火爐旁會(huì)感到熱，這是由于火爐不斷地向外輻射能量．投入爐中的鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色,直至成為黃白色，這表明同一物體熱輻射的強(qiáng)度與溫度有關(guān)．二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1．隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加．2．隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向著波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．想一想你認(rèn)為現(xiàn)實(shí)生活中存在理想的黑體嗎？答案現(xiàn)實(shí)生活中不存在理想的黑體,實(shí)際的物體都能輻射紅外線(電磁波)，也都能吸收和反射紅外線（電磁波)，絕對(duì)黑體不存在，是理想化的模型．三、能量子1．定義：普朗克認(rèn)為，帶電微粒輻射或吸收能量時(shí),只能是輻射或吸收某個(gè)最小能量值的整數(shù)倍，這個(gè)不可再分的最小能量值叫做能量子．2．大?。海絟ν，其中ν是電磁波的頻率，h是普朗克常量，數(shù)值h＝6。626×10－34_J·s（一般h取6.63×10－34J·s)．預(yù)習(xí)完成后，請(qǐng)把你疑惑的問(wèn)題記錄在下面的表格中問(wèn)題1問(wèn)題2問(wèn)題3一、對(duì)黑體輻射規(guī)律的理解1．一般材料的物體，輻射的電磁波除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)．圖12．黑體是指只吸收而不反射外界射來(lái)的電磁波的物體，由于黑體只進(jìn)行熱輻射，所以黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)．3．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(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．如圖1所示．【例1】（多選)在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)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2所示，就是黑體的輻射強(qiáng)度與其輻射光波長(zhǎng)的關(guān)系圖像,則下列說(shuō)法正確的是（）圖2A．T1〉T2B．T1<T2C．隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度都有所降低D．隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短方向移動(dòng)答案AD解析一般材料的物體輻射能的多少?zèng)Q定于物體的溫度(T）、輻射波的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短和發(fā)射的面積,而黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體，黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)．實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有所增加，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．從圖中可以看出，λ1〈λ2，T1>T2，本題正確選項(xiàng)為A、D。借題發(fā)揮隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射本領(lǐng)都在增加，當(dāng)黑體溫度升高時(shí)，輻射本領(lǐng)最大值向短波方向移動(dòng)，這是黑體輻射的特點(diǎn),熟悉黑體輻射特點(diǎn)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵．針對(duì)訓(xùn)練下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的圖中,符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是（)答案A解析隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度增加，輻射強(qiáng)度的極大值向著波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，A正確，B、C、D錯(cuò)誤．二、能量子的理解和ε＝hν的應(yīng)用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(guò)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．3．能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是電磁波的頻率．【例2】光是一種電磁波,可見(jiàn)光的波長(zhǎng)的大致范圍是400nm～700nm。求400nm、700nm電磁輻射的能量子的值各是多少？答案4.97×10－19J2。84×10－19J解析根據(jù)公式ν＝eq\f(c，λ)和ε＝hν可知:400nm對(duì)應(yīng)的能量子ε1＝heq\f（c,λ1）＝6。63×10－34×eq\f（3。0×108，400×10－9)J＝4.97×10－19J.700nm對(duì)應(yīng)的能量子ε2＝heq\f(c,λ2）＝6.63×10－34×eq\f(3。0×108，700×10－9）J＝2.84×10－19J。借題發(fā)揮（1)求解本題關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是能根據(jù)已知條件求得每一個(gè)能量子的能量,另外必須明確激光器發(fā)射的能量是這些能量子能量的總和．(2)這類習(xí)題數(shù)量級(jí)比較大,注意運(yùn)算當(dāng)中提高運(yùn)算準(zhǔn)確率．【例3】(多選）對(duì)于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說(shuō)法正確的是()A．以某一個(gè)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解析帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)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．故選項(xiàng)A、B、D正確，C選項(xiàng)錯(cuò).對(duì)黑體輻射規(guī)律的理解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(zhǎng)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(zhǎng)的電磁波答案ACD解析根據(jù)熱輻射定義知A對(duì)；根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料種類和表面狀況有關(guān),而黑體輻射只與黑體溫度有關(guān)，B錯(cuò)、C對(duì);根據(jù)黑體定義知D對(duì)．2．(多選）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(zhǎng)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(zhǎng)較短的方向移動(dòng)C．黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)D．黑體輻射無(wú)任何規(guī)律答案AB解析黑體輻射的規(guī)律為隨著溫度的升高各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加，同時(shí)輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．故A、B對(duì)．能量子的理解及ε＝hν的應(yīng)用3．硅光電池是利用光電效應(yīng)將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能．若有N個(gè)波長(zhǎng)為λ0的光子打在光電池極板上，這些光子的總能量為（h為普朗克常量)()A．h·eq\f(c,λ0)B．Nh·eq\f（c,λ0）C．N·hλ0D．2Nhλ0答案B解析一個(gè)光子的能量ε＝hν＝heq\f(c,λ0）,則N個(gè)光子的總能量E＝Nh·eq\f（c,λ0).選項(xiàng)B正確．4．神光“Ⅱ”裝置是我國(guó)規(guī)模最大的高功率固體激光系統(tǒng)，利用它可獲得能量為2400J、波長(zhǎng)λ＝0.35μm的紫外激光．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，則該紫外激光所含光子數(shù)為多少？答案4。23×1021(個(gè))解析紫外激光的波長(zhǎng)已知，由此可求得紫外激光能量子的值,再根據(jù)紫外激光發(fā)射的總能量為2400J,即可求得紫外激光所含光子數(shù)．紫外激光能量子的值為ε0＝eq\f（hc,λ）＝eq\f（6。63×10－34×3×108，0。35×10－6）J＝5。68×10－19J．則該紫外激光所含光子數(shù)n＝eq\f(E,ε0）＝eq\f（2400，5。68×10－19)＝4.23×1021（個(gè)).（時(shí)間:60分鐘)題組一黑體輻射的理解和應(yīng)用1．關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí),下列說(shuō)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(zhǎng)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(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān),與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān)D．如果在一個(gè)空腔壁上開(kāi)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)黑體答案C解析黑體自身輻射電磁波，不一定是黑的，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤、選項(xiàng)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(gè)黑體，而不是空腔，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤．2．對(duì)黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)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解析根據(jù)黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)分布的決定因素，得其只與溫度有關(guān)，A對(duì)．3．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．牛頓提出的微粒說(shuō)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(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)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，B對(duì)．4．（多選）黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖1所示，由圖可知（）圖1A．隨溫度升高,各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增大B．隨溫度降低，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增大C．隨溫度升高,輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)D．隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的方向移動(dòng)答案ACD解析由題圖可知，隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增大，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng),當(dāng)溫度降低時(shí)，上述變化都將反過(guò)來(lái)．5．(多選)2006年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩名美國(guó)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(shuō)法中正確的是(）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．黑體的熱輻射實(shí)質(zhì)上是電磁輻射D．普朗克在研究黑體的熱輻射問(wèn)題中提出了能量子假說(shuō)答案ACD解析根據(jù)熱輻射的定義，A正確；根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料種類和表面狀況有關(guān)，而黑體輻射只與黑體的溫度有關(guān)，B錯(cuò)誤；普朗克在研究黑體輻射時(shí)最早提出了能量子假說(shuō)，他認(rèn)為能量是一份一份的，每一份是一個(gè)能量子，黑體輻射本質(zhì)上是電磁輻射，故C、D正確．題組二能量子的理解及ε＝hν的應(yīng)用6．紅、橙、黃、綠四種單色光中，光子能量最小的是(）A．紅光B．橙光C．黃光D．綠光答案A解析在四種顏色的光中，紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)而頻率最小，由光子的能量ε＝hν可知紅光光子能量最?。?．已知某種單色光的波長(zhǎng)為λ,在真空中光速為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A8．某激光器能發(fā)射波長(zhǎng)為λ的激光，發(fā)射功率為P，c表示光速，h為普朗克常量，則激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為（）A.eq\f（λP，hc）B。eq\f(hP,λc）C。eq\f（cPλ,h）D．λPhc答案A解析每個(gè)光量子的能量ε＝hν＝eq\f(hc，λ），每秒鐘發(fā)射的總能量為P，則n＝eq\f(P，ε)＝eq\f（λP,hc）。題組三綜合應(yīng)用9．對(duì)應(yīng)于3.4×10－19J的能量子，其電磁輻射的頻率和波長(zhǎng)各是多少？(h＝6.63×10－34J·s)答案5.13×1014Hz5.85×10－7解析根據(jù)公式ε＝hν和ν＝eq\f(c,λ）得ν＝eq\f(ε，h)＝eq\f（3。4×10－19，6。63×10－34）Hz≈5.13×1014Hz,λ＝eq\f（c，ν)＝eq\f(hc,ε)＝eq\f(6。63×10－34×3×108,3.4×10－19）m＝5.85×10－7m。10．人眼對(duì)綠光較為敏感,正常人的眼睛接收到波長(zhǎng)為530nm的綠光時(shí)，只要每秒鐘有6個(gè)光量子射入瞳孔,眼睛就能察覺(jué)．普朗克常數(shù)為6。63×10－34J·s,光速為3×108答案2.3×10－18W解析先根據(jù)ε＝hν＝heq\f(c,λ）算出每個(gè)光量子的能量，每秒需要接收到6個(gè)這樣的光量子，故接收到這6個(gè)光量子的功率就是人眼能覺(jué)察到綠光的最小功率．又因每秒有6個(gè)綠光的光能量子射入瞳孔，所以，覺(jué)察到綠光所需要接收到的最小功率P＝eq\f(E,t),式中E＝6ε，又ε＝hν＝heq\f（c，λ），代入數(shù)據(jù)得P＝2.3×10－18W。11．小燈泡的功率P＝1W，設(shè)其發(fā)出的光向四周均勻輻射，平均波長(zhǎng)λ＝10－6m，求在距離d＝1.0×104m處，每秒鐘落在垂直于光線方向、面積為1cm2的球面上的光子數(shù)是多少?（h答案3。98×105個(gè)解析每秒鐘小燈泡發(fā)出的能量為E＝Pt＝1J1個(gè)光子的能量:ε＝hν＝eq\f(hc，λ)＝eq\f(6。63×10－34×3×108，1