第1節(jié) 量子論初步

核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)第六章波粒二象性第1節(jié)量子論初步物理觀念(1)了解熱輻射和黑體輻射。(2)知道普朗克假設(shè)?？茖W(xué)思維能夠應(yīng)用普朗克公式進(jìn)行簡單計(jì)算?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任了解量子論的誕生和意義，認(rèn)識科學(xué)理論的發(fā)展是無止境的。一、熱輻射黑體與黑體輻射1．熱輻射：一切物體都在以________的形式向外輻射能量，而且輻射強(qiáng)度隨_____如何分布與物體的______有關(guān)。2．黑體：能夠全部吸收外來的電磁波而不發(fā)生______的物體。3．黑體輻射：黑體向外輻射_________的現(xiàn)象。電磁波波長溫度反射電磁波4.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(如圖所示)(1)隨著溫度的升高，各種波長的電磁波的輻射能譜密度都有增加。(2)隨著溫度的升高，輻射能譜密度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)。二、量子論的誕生1．普朗克認(rèn)為，腔壁是由各種頻率振動(dòng)的帶電諧振子組成的，黑體輻射就是__________向外輻射的各種電磁波。2．能量子：諧振子具有的能量是________的，只能取一些分立的值，即__________

(n＝1,2,3，…)，最小的一份能量為ε＝hν，稱為能量子。3．普朗克常量數(shù)值：通常取h＝_______________。諧振子不連續(xù)En＝nhν6.63×10－34J·s1.科學(xué)家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特由于發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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)。請對以下說法作出判斷：(1)黑體能夠完全吸收各種電磁波，但不輻射電磁波。

()(2)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長分布只與黑體的溫度有關(guān)。

()(3)量子化假說與黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律相當(dāng)符合。

()(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。

()×√√√2．量子論的誕生，開啟了人類認(rèn)識微觀世界的大門，具有劃時(shí)代的意義。判斷下列說法正誤：(1)微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍。

()(2)微觀粒子輻射和吸收的能量是連續(xù)的。

()(3)物體的能量都是量子化的。

()√××新知學(xué)習(xí)(一)|黑體與黑體輻射[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]很多地方用紅外熱像儀監(jiān)測人的體溫，只要被測者從儀器前走過，便可獲取他的體溫。你知道其中的道理嗎？提示：根據(jù)熱輻射規(guī)律可知，人的體溫的高低，直接決定了人輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度。因此通過監(jiān)測被測者輻射的紅外線的情況就知道這個(gè)人的體溫。

[重點(diǎn)釋解]1．對黑體的理解(1)絕對的黑體實(shí)際上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替。如圖所示，如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個(gè)小孔空腔就成了一個(gè)絕對黑體。(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(shí)看上去才是黑的；有些可看作黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來還會(huì)很明亮，如煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也被當(dāng)作黑體來處理。2．一般物體與黑體的比較項(xiàng)目熱輻射特點(diǎn)吸收、反射特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況有關(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)度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3．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)溫度一定時(shí)，黑體輻射能譜密度隨波長的分布有一個(gè)極大值。(2)隨著溫度的升高①各種波長的輻射能譜密度都有增加；②輻射能譜密度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)。[典例體驗(yàn)][典例]

體溫檢測所用體溫槍的工作原理就是黑體輻射定律。黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，由圖可知下列描述正確的是(

)A．隨著溫度升高，各種波長的輻射能譜密度都有增加B．隨著溫度降低，可能部分波長的輻射能譜密度會(huì)減小C．隨著溫度升高，輻射能譜密度的極大值向頻率較小的方向移動(dòng)D．隨著溫度降低，輻射能譜密度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)[解析]黑體輻射能譜密度與溫度有關(guān)，溫度越高，黑體輻射能譜密度越大，A正確；由題圖可知，隨著溫度的降低，各種波長的輻射能譜密度都減小，B錯(cuò)誤；隨著溫度的升高，黑體輻射能譜密度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)，即向頻率較大的方向移動(dòng)，反之，隨著溫度的降低，黑體輻射能譜密度的極大值向波長較長的方向移動(dòng)，C、D錯(cuò)誤。[答案]

A/方法技巧/黑體輻射能譜密度與波長關(guān)系圖像的特點(diǎn)(1)隨著溫度的升高，各種波長的輻射能譜密度都有增加。(2)隨著溫度的升高，輻射能譜密度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)。

[針對訓(xùn)練]1．關(guān)于黑體輻射，下列說法正確的是(

)A．一切物體只有在吸收電磁波的同時(shí)才會(huì)輻射電磁波B．黑體在不斷地輻射電磁波，且溫度越高最強(qiáng)輻射波的波長越長C．黑體對于外界過來的電磁波只吸收而不反射，因此肉眼看不到黑體D．黑體輻射電磁波的能量是不連續(xù)的，而是某個(gè)能量值的整數(shù)倍解析：自然界的任何物體都向外輻射紅外線，溫度越高，輻射電磁波的本領(lǐng)越強(qiáng)，故A錯(cuò)誤；黑體在不斷地輻射電磁波，且溫度越高最強(qiáng)輻射波的波長越短，故B錯(cuò)誤；黑體對于外界過來的電磁波只吸收而不反射，但黑體輻射光，所以肉眼能看到黑體，故C錯(cuò)誤；根據(jù)量子化的理論，黑體輻射電磁波的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，故D正確。答案：D

2．在自然界生態(tài)系統(tǒng)中，蛇與老鼠等生物通過營養(yǎng)關(guān)系構(gòu)成食物鏈，在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用。蛇是老鼠的天敵，它通過接收熱輻射來發(fā)現(xiàn)老鼠的存在。假設(shè)老鼠的體溫約為37℃，它發(fā)出的最強(qiáng)的熱輻射的波長為λmax，根據(jù)熱輻射的理論，λmax與輻射源的絕對溫度T的關(guān)系近似為λmaxT＝2.90×10－3m·K，已知T＝t＋273K，則老鼠發(fā)出的最強(qiáng)的熱輻射的波長為

(

)A．7.8×10－5m

B．9.4×10－6mC．1.16×10－4m

D．9.7×10－8m新知學(xué)習(xí)(二)|能量子公式和計(jì)算[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，率先成功實(shí)現(xiàn)“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，打破了此前國際上保持多年的“百公里級”紀(jì)錄。那么，量子是誰最早提出來的呢？提示：普朗克。

[重點(diǎn)釋解]1．普朗克研究黑體輻射，提出了能量子的假設(shè)。2．普朗克設(shè)想黑體的能量是某一最小能量hν的整數(shù)倍，即En＝nhν(n＝1,2,3，…)。3．能量子的能量ε＝hν，微觀世界中能量不能連續(xù)變化，這種現(xiàn)象叫作能量的量子化。[典例體驗(yàn)][典例]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(gè) B．3個(gè)C．30個(gè) D．300個(gè)[答案]

B[針對訓(xùn)練]1．(多選)研究彈簧振子的能量與振動(dòng)原子的能量，下列說法正確的是(

)A．彈簧振子的能量是連續(xù)的B．彈簧振子的能量是量子化的C．原子的能量是連續(xù)的D．原子的能量是量子化的解析：宏觀世界的能量是連續(xù)的，微觀粒子的能量是量子化的，故A、D正確。答案：AD

2．計(jì)算波長為0.122μm的紫外線的能量子的能量值。答案：1.63×10－18J一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——能量子1．(選自人教版新教材課后練習(xí))可見光波長的大致范圍是400～760nm。400nm、760nm電磁輻射的能量子ε的值是多少？答案：4.97×10－19J

2.62×10－19J

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——普朗克2．(選自人教版新教材科學(xué)漫步節(jié)選)普朗克1858年生于德國基爾。他在慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)選擇物理作為學(xué)習(xí)的專業(yè)。當(dāng)時(shí)一位物理學(xué)教授對他說，物理學(xué)中重要的事情都已經(jīng)被別人發(fā)現(xiàn)完了，因此這門學(xué)科沒有廣闊的前景。普朗克沒有因此而打退堂鼓。他覺得，自己學(xué)習(xí)物理，主要是為了了解自然界的基本規(guī)律，并不奢望作出重要的新發(fā)現(xiàn)。后來，他曾講道：“外部世界是某種獨(dú)立于人的東西，是某種絕對的東西，探索適用于這一絕對本體的定律，在我看來是一生最崇高的追求。”普朗克在物理學(xué)方面最重要的成就，毫無疑問就是他在1900年創(chuàng)立的黑體輻射理論。在此之前，他已經(jīng)在黑體輻射問題方面進(jìn)行了6年左右的研究，并歷經(jīng)曲折。普朗克1900年的劃時(shí)代突破，正是建立在他從大學(xué)時(shí)代開始多年的嚴(yán)格專業(yè)訓(xùn)練和辛勤研究的基礎(chǔ)之上的。普朗克曾努力把自己提出的能量子假說納入已有的經(jīng)典物理學(xué)的框架，但后來物理學(xué)的發(fā)展表明，能量量子化和經(jīng)典物理并不相容，它是原子、分子等微觀系統(tǒng)所遵循的獨(dú)有的物理規(guī)律——量子規(guī)律的體現(xiàn)。普朗克的發(fā)現(xiàn)，正是人們在認(rèn)識這一全新規(guī)律的道路上邁出的第一步。回顧普朗克的一生，不難看出，正是他中學(xué)畢業(yè)時(shí)遵從自己的好奇心和興趣而作出的專業(yè)選擇，成就了他后來事業(yè)上的輝煌。1918年，在普朗克60歲生日的慶祝會(huì)上，愛因斯坦發(fā)表了題為《探索的動(dòng)機(jī)》的著名演講。他認(rèn)為，科學(xué)工作者大體可以分為三類：第一類人從事科研是為了挑戰(zhàn)自己的智力；第二類是出于純粹的功利目的；而第三類則是為了探尋自然界的客觀規(guī)律。第三類科學(xué)工作者“把世界體系及其構(gòu)成作為感情生活的支點(diǎn)，以便由此找到他在個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的狹小范圍內(nèi)所不能找到的寧靜和安定”。在愛因斯坦看來，雖然前兩類人中包含很多成果卓著的科學(xué)家，但第三類才是科學(xué)家隊(duì)伍中的中堅(jiān)和靈魂，離開了他們，科學(xué)的殿堂就無法存在。普朗克就屬于這一類科學(xué)家。二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1.紅外線測溫儀不同于接觸式測溫儀，便捷、精確、安全是使用紅外線測溫儀最重要的優(yōu)點(diǎn)。下列有關(guān)說法中正確的是(

)A．測溫儀應(yīng)用的是紅外線溫度傳感器B．玻爾提出“熱輻射是一份一份的，不連續(xù)的”C．測溫儀利用了愛因斯坦提出的黑體輻射理論D．紅外線遙感器是利用了紅外線的熱效應(yīng)，紅外線的波長比紫外線的波長短解析：紅外線測溫儀應(yīng)用的是紅外線溫度傳感器，故A項(xiàng)正確；普朗克提出“熱輻射是一份一份的，不連續(xù)的”，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；普朗克提出了黑體輻射理論，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；紅外線遙感器是利用了紅外線波長較長容易發(fā)生衍射的特點(diǎn)，紅外線的波長比紫外線的波長長，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。答案：A

2．(2022·全國乙卷)一點(diǎn)光源以113W的功率向