第13章-第4-5節(jié)-電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用-能量量子化-新教材高中物理必修第三冊(人教版)(解析版)

第4節(jié)電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用第5節(jié)能量量子化課程內(nèi)容要求核心素養(yǎng)提煉1．了解麥克斯韋電磁場理論，知道電磁波的形成和傳播．2．知道波長、頻率、波速，了解電磁波譜．3．知道普朗克關(guān)于能量子的概念，了解原子的能級和能級躍遷．1．物理觀念：電磁場，電磁波的波長、頻率、波速，電磁波譜，熱輻射，能量子，能級．2．科學(xué)思維：(1)電磁波的形成和傳播．(2)能量子觀點的建立和意義．一、電磁波的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用1．麥克斯韋電磁理論(1)變化的磁場產(chǎn)生電場．(2)變化的電場產(chǎn)生磁場．(3)變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分割的統(tǒng)一的電磁場．2．電磁波(1)麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過實驗捕捉到了電磁波，證實了麥克斯韋電磁場理論．(2)變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播形成了電磁波．3．電磁波譜(1)電磁波波速、波長、頻率的關(guān)系式為c＝λf．(2)電磁波譜：按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列起來，就是電磁波譜．(3)不同電磁波有不同的特性，在生產(chǎn)、生活中具有廣泛的應(yīng)用．①長波、中波、短波可用于廣播及其他信號的傳輸．②微波可用于衛(wèi)星通信、電視等的信號傳輸．③紅外線可以用來加熱理療，紫外線可以消毒，X射線可以用于診斷病情．4．電磁波的能量(1)赫茲用實驗證實了電磁波的存在，說明電磁波是真正的物質(zhì)存在．(2)微波爐能加熱食物，收音機(jī)能收到電臺發(fā)射的電磁波，說明電磁波具有能量．5．電磁波通信(1)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動電話等都是通過電磁波傳遞信息．(2)電磁波攜帶的信息，既可以有線傳播，也可以無線傳播．[判斷](1)穩(wěn)定的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場．(×)(2)電磁波可以在介質(zhì)中傳播，也可以在真空中傳播．(√)(3)電磁波的傳播速度一定為3×108m/s．(×)(4)電磁波具有能量可用于對物體加熱，也可以攜帶信息，用于信息通信．(√)二、能量量子化1．熱輻射(1)一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，叫作熱輻射．(2)黑體不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，經(jīng)典的電磁理論不能解釋黑體輻射的實驗規(guī)律．2．能量子(1)普朗克假設(shè)：振動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，最小能量值ε叫作能量子．(2)能量子的大小：ε＝hν，h稱為普朗克常量．(3)普朗克假設(shè)認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或者說是不連續(xù)(分立)的．(4)愛因斯坦認(rèn)為電磁場本身是不連續(xù)的，光本身是由能量子組成的，叫作光子．光子的能量ε＝hν．3．能級(1)原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級．原子可以自發(fā)地從能量較高的能級向能量較低的能級躍遷，放出光子．(2)原子躍遷時放出光子的能量，等于前后兩個能級之差．[判斷](1)物體在常溫下也在不斷地輻射電磁波．(√)(2)黑體不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波．(√)(3)普朗克認(rèn)為帶電微粒的能量是量子化的．(√)(4)原子發(fā)生能級躍遷時要放出光子．(×)探究點一麥克斯韋的電磁場理論1．對麥克斯韋電磁場理論的理解恒定的電場不產(chǎn)生磁場恒定的磁場不產(chǎn)生電場均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場不均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場不均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生變化的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場2．電磁場的產(chǎn)生如果在空間某處有周期性變化的電場，那么這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生變化的電場——變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的，形成不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場．關(guān)于電磁場的理論，下列說法正確的是()A．變化的電場周圍產(chǎn)生的磁場一定是變化的B．變化的磁場周圍產(chǎn)生的電場一定是變化的C．均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生的電場是均勻變化的D．振蕩電場周圍產(chǎn)生的磁場也是振蕩的D[非均勻變化的電場產(chǎn)生非均勻變化的磁場，而均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，所以變化的電場周圍一定產(chǎn)生磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生電場，但不一定變化，故選項A、B錯誤；均勻變化的磁場一定產(chǎn)生恒定的電場，故選項C錯誤；周期性變化的振蕩電場一定產(chǎn)生同周期變化的振蕩磁場，故選項D正確．][訓(xùn)練1]下列有關(guān)電磁場理論說法正確的是()A．法拉第預(yù)言了電磁波的存在，并揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一性B．變化的磁場一定產(chǎn)生變化的電場C．均勻變化的電場產(chǎn)生均勻變化的磁場D．赫茲通過一系列實驗，證明了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論D[法拉第預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過一系列實驗，證明了麥克斯韋關(guān)于光的電磁理論，并揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，選項A錯誤，選項D正確；均勻變化的磁場產(chǎn)生恒定的電場，選項B錯誤；均勻變化的電場產(chǎn)生恒定的磁場，選項C錯誤．][訓(xùn)練2]在下圖所示的四種磁場情況中，能產(chǎn)生恒定的電場的是()C[由電磁場理論，結(jié)合圖像，則有：選項A中磁場不變，則不會產(chǎn)生電場，故選項A錯誤；選項B中磁場方向變化，而大小不變，則不會產(chǎn)生恒定的電場，故選項B錯誤；選項C中磁場隨著時間均勻變化，則會產(chǎn)生恒定的電場，故選項C正確；選項D中磁場隨著時間非均勻變化，則會產(chǎn)生非均勻變化的電場，故選項D錯誤．]探究點二對電磁波的理解1．電磁波的特點(1)電磁場中儲存電磁能，電磁波的發(fā)射過程就是輻射能量的過程．(2)只有周期性變化的電場和磁場相互激發(fā)才能形成電磁波．(3)電磁波可以在真空中傳播，因為電磁波本身就是一種物質(zhì)——場物質(zhì)，所以傳播時不再需要其他介質(zhì)．(4)任何頻率的電磁波在真空中的傳播速度都等于光在真空中的速度，即c＝3.0×108m/s，電磁波傳播雖然不需要介質(zhì)，但在其他介質(zhì)中的速度都比在真空中的小．2．波長、頻率與波速之間的關(guān)系波速＝波長×頻率，即v＝λf．(1)頻率由波源決定，與介質(zhì)無關(guān)，波長、波速的大小與介質(zhì)有關(guān)．所以同一電磁波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變，波速、波長發(fā)生改變，在介質(zhì)中的速度都比在真空中速度?。?2)不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時，傳播速度不同．波長為0.6μm的紅光，從10m外的交通信號燈傳到你的眼睛，大約需要多長時間？它的頻率是多少？(c＝3×108m/s)解析由速度公式v＝eq\f(x,t)可求得時間，可根據(jù)電磁波波長、頻率和波速關(guān)系式c＝λf可求得頻率其中t＝eq\f(x,c)＝eq\f(10,3×108)s≈3.33×10－8s由c＝λf得f＝eq\f(c,λ)＝eq\f(3×108,6×10－7)Hz＝5×1014Hz．答案3.33×10－8s5×1014Hz[訓(xùn)練3]關(guān)于電磁場和電磁波，下列說法不正確的是()A．變化的電場周圍產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場周圍產(chǎn)生變化的電場，兩者互相聯(lián)系，統(tǒng)稱為電磁場B．電磁場從發(fā)生區(qū)域由近及遠(yuǎn)地傳播形成電磁波C．電磁波是一種物質(zhì)，可在真空中傳播．所以，平時說真空沒有實物粒子，但不等于什么都沒有，還有“場”這種特殊物質(zhì)D．電磁波可在真空中傳播，也可在介質(zhì)中傳播A[根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，非均勻變化的電場周圍產(chǎn)生變化的磁場，均勻變化的電場周圍產(chǎn)生的是恒定的磁場，所以選項A錯誤．][訓(xùn)練4](多選)下列關(guān)于電磁波的說法正確的是()A．只要電場和磁場發(fā)生變化，就能產(chǎn)生電磁波B．電磁波的傳播需要介質(zhì)C．停止發(fā)射電磁波，發(fā)射出去的電磁波仍能獨立存在D．電磁波具有能量，電磁波的傳播是伴隨著能量向外傳遞的CD[要想產(chǎn)生持續(xù)的電磁波，變化的電場(或磁場)產(chǎn)生的磁場(或電場)必須是非均勻變化的，所以選項A錯誤；電磁波是物質(zhì)波，電磁波的傳播可以不需要介質(zhì)而在真空中傳播，選項B錯誤；電磁波可以脫離“波源”而獨立存在，選項C正確；電磁波具有能量，電磁波傳播的過程也就是能量傳播的過程，所以選項D正確．]探究點三電磁波譜1．電磁波譜是把電磁波按波長由大到小的順序排列起來的圖表．順序為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線．它們共同構(gòu)成了范圍廣闊的電磁波譜．2．電磁波譜中各種波段的特征用途比較(如下表)電磁波譜無線電波紅外線可見光紫外線X射線γ射線特性波動性強(qiáng)熱作用強(qiáng)感光性強(qiáng)化學(xué)作用熒光效應(yīng)穿透力大穿透力最強(qiáng)用途通信廣播、導(dǎo)航加熱、遙測遙感、紅外攝像、紅外制導(dǎo)照明、照相等殺菌消毒、治療皮膚病等檢查、探測、透視、治療探測、治療(多選)下列有關(guān)電磁波的特性和應(yīng)用，說法正確的是()A．紅外線和X射線都有很高的穿透本領(lǐng)，常用于醫(yī)學(xué)上透視人體B．過強(qiáng)的紫外線照射有利于人的皮膚健康C．電磁波中頻率最大的為γ射線，可以摧毀病變的細(xì)胞D．紫外線和X射線都可以使感光底片感光CD[X射線有很高的穿透本領(lǐng)，醫(yī)學(xué)上常用于透視人體，紅外線則不能，選項A錯誤；過強(qiáng)的紫外線照射對人的皮膚有害，選項B錯誤；電磁波中頻率最大的為γ射線，可以摧毀病變的細(xì)胞，選項C正確；紫外線和X射線都可以使感光底片感光，選項D正確．][訓(xùn)練5]下列關(guān)于紫外線的說法正確的是()A．照射紫外線可增進(jìn)人體對鈣的吸收，因此人們應(yīng)盡可能多地接受紫外線的照射B．一切高溫物體發(fā)出的光都含有紫外線C．紫外線有很強(qiáng)的熒光效應(yīng)，常被用來防偽D．紫外線有殺菌消毒的作用，是因為其有熱效應(yīng)C[由于紫外線有顯著的生理作用，殺菌能力較強(qiáng)，在醫(yī)療上有其應(yīng)用，但是過多地接受紫外線的照射，對人體來說也是有害的，選項A、D錯誤；并不是所有的高溫物體發(fā)出的光都含有紫外線，選項B錯誤；紫外線有很強(qiáng)的熒光效應(yīng)，可用來防偽，選項C正確．][訓(xùn)練6]關(guān)于生活中遇到的各種波，下列說法正確的是()A．電磁波可以傳遞信息，聲波不能傳遞信息B．手機(jī)在通話時涉及的波既有電磁波又有聲波C．太陽光中的可見光和醫(yī)院“B超”中的超聲波傳播速度相同D．遙控器發(fā)出的紅外線波長和醫(yī)院“CT”中的X射線波長相同B[聲波、電磁波都能傳遞能量和信息，A項錯誤；在手機(jī)通話過程中，既涉及電磁波又涉及聲波，B項正確；可見光屬于電磁波，“B超”中的超聲波是聲波，波速不同，C項錯誤；紅外線波長較X射線波長長，故D項錯誤．]探究點四對能量子的理解與計算1．每個能量子的能量ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率；光子的能量ε＝hν，其中ν是光的頻率．2．能量子觀點與黑體輻射實驗的比較普朗克能量子假設(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分立的．借助于能量子的假說，普朗克得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與實驗符合得很好．3．對能量量子化的理解(1)物體在發(fā)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)，而不可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)研究物體的運(yùn)動時我們可以認(rèn)為：物體的運(yùn)動是連續(xù)的，能量變化是連續(xù)的，不必考慮量子化；在研究微觀粒子時必須考慮能量量子化．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．2.3×10－18W B．3.8×10－19WC．7.0×10－10W D．1.2×10－18WA[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的最小功率P＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，t＝1s，又ε＝hν＝heq\f(c,λ)，可解得P＝eq\f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9×1)W＝2.3×10－18W．][題后總結(jié)]分析有關(guān)能量子問題的技巧(1)熟練掌握能量子的計算公式：ε＝hν＝eq\f(hc,λ)．(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(xùn)練7](多選)關(guān)于對普朗克能量子假說的認(rèn)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．帶電微粒輻射或吸收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正比D．這一假說與現(xiàn)實世界相矛盾，因而是錯誤的BC[普朗克能量子假說認(rèn)為，能量存在某一個最小值，帶電微粒輻射或吸收的能量只能是這個最