【高中物理】能量量子化課件 2023-2024學(xué)年高二上學(xué)期物理人教版（2019）必修第三冊(cè)

人教版物理必修三第十三章

電磁感應(yīng)與電磁波初步第五節(jié)

能量量子化新課引入19世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說(shuō)，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律——能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中，他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。于是，1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上,著名物理學(xué)家開(kāi)爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言:“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。”——開(kāi)爾文但開(kāi)爾文畢競(jìng)是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云.”黑體輻射實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)光的速度這兩朵烏云是指什么呢？黑體輻射實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)光的速度后來(lái)的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一場(chǎng)革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一場(chǎng)春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學(xué)相對(duì)論經(jīng)典力學(xué)微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域量子力學(xué)相對(duì)論把鐵塊投進(jìn)火爐中，剛開(kāi)始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的升高，鐵塊會(huì)慢慢變紅，開(kāi)始發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。為什么會(huì)有這樣的變化呢？討論交流一、熱輻射我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。物體在室溫時(shí)，熱輻射的主要成分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波，不能引起人的視覺(jué)。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越強(qiáng)。隨著溫度的升高，鐵塊從發(fā)熱，再到發(fā)光，鐵塊的顏色也不斷發(fā)生變化。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，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。常溫下我們看到不發(fā)光不透明體的顏色就是物體表面反射光所致。如果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，會(huì)怎樣？討論交流⑴定義；任何物體在任何溫度下都會(huì)輻射電磁波的現(xiàn)象。（熱傳遞的三種方式之一）⑵原因：物體分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，輻射電磁波。1.熱輻射⑶特點(diǎn)：物體溫度高，輻射能量本領(lǐng)強(qiáng)，電磁波的短波成份多，長(zhǎng)波成份少。（各種波長(zhǎng)都有）實(shí)際熱輻射的復(fù)雜性外來(lái)各種波長(zhǎng)的輻射能反射某些波長(zhǎng)的輻射能（隨物而異）吸收某些波長(zhǎng)的輻射能（隨物而異）發(fā)射各種波長(zhǎng)的熱輻射能（隨物而異）處于某一溫度不透明體T對(duì)熱輻射規(guī)律的研究顯得較復(fù)雜2.黑體討論交流：一座建設(shè)中樓房還沒(méi)有安裝窗子，盡管室內(nèi)已粉刷，如果從遠(yuǎn)處觀察，把窗內(nèi)的亮度與樓外墻的亮度相比，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？為什么？向遠(yuǎn)處觀察打開(kāi)的窗子近似黑色黑體：如果某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，這物體稱為黑體。小孔近似為黑體黑體輻射:只與溫度有關(guān)。研究黑體輻射是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。黑體的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)空腔加熱至某平衡溫度T通過(guò)小孔進(jìn)入腔內(nèi)的輻射能反射回小孔出射的機(jī)會(huì)極小，幾乎全部被腔壁吸收。小孔表面好比黑體（吸收全部入射的輻射能而無(wú)反射）從小孔表面出射的就是處于某一熱平衡溫度T的實(shí)驗(yàn)黑體的輻射能，進(jìn)而探索其能譜分布規(guī)律。3.黑體輻射對(duì)于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)，而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)。黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律：隨著溫度的升高

各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；

輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。012341700K1500K1300K1100K輻射強(qiáng)度黑體輻射兩種經(jīng)典解釋瑞利-金斯線維恩線德國(guó)物理學(xué)家維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)，在1896年提出了一個(gè)輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)及溫度變化的半經(jīng)驗(yàn)公式，維恩公式，得出曲線。⑴短波符合；長(zhǎng)波不符合。根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)與電磁學(xué)，物理學(xué)家瑞利在1900年也提出了一個(gè)理論公式，后經(jīng)金斯改進(jìn)，合稱瑞利-金斯公式，得出曲線。⑵長(zhǎng)波符合；短波荒唐----紫外災(zāi)難。在紫外線一端，當(dāng)波長(zhǎng)趨于0時(shí)，輻射本領(lǐng)將趨于無(wú)窮大．這種情況被人們稱為“紫外災(zāi)難”。二、能量子1.普朗克對(duì)黑體輻射理論解釋:為了得出同實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，德國(guó)物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試。--普朗克公式普朗克找到了一個(gè)數(shù)學(xué)公式，它與實(shí)驗(yàn)吻合得非常完美。維恩公式和瑞利——金斯公式，其實(shí)就是普朗克公式的特殊情況。普朗克嘗試從電磁學(xué)、力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)等物理學(xué)的基本理論出發(fā)，把這個(gè)公式推導(dǎo)出來(lái)。普朗克最終在1900年底發(fā)現(xiàn)，如果想推導(dǎo)出這個(gè)公式，就必須假定：組成黑體的振動(dòng)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。借助于能量子的假說(shuō)，普朗克得出的黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布公式，與實(shí)驗(yàn)符合的非常好。2.能量子：不可再分的最小能量值ε叫作能量子。其中：

是電磁波的頻率h是一個(gè)常量：普朗克常量h＝6.62607015×10-34J·s微觀粒子的能量是量子化的，或者說(shuō)微觀粒子的能量是分立的。能量子的觀點(diǎn)與宏觀世界中我們對(duì)能量的認(rèn)識(shí)有很大不同，例如，一個(gè)宏觀的單擺，小球在擺動(dòng)的過(guò)程中，受到摩擦阻力的作用，能量不斷減小，能量的變化是連續(xù)的。而普朗克的假設(shè)則認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或者說(shuō)微觀粒子的能量是不連續(xù)（分立）的。3、分立和連續(xù)微觀宏觀連續(xù)分立的，量子化

宏觀世界能量的連續(xù)性與微觀粒子的能量的量子化，這是宏觀世界與微觀物理規(guī)律最重要的差別之一。4.能量量子化假說(shuō)的意義普朗克的能量子假設(shè),使人類對(duì)微觀世界的本質(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。成為物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn);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;不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開(kāi)創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。5、光子（1）光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。這個(gè)現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，這種電子常被稱為光電子。一條光線（2）光子：愛(ài)因斯坦從普朗克的能量子假說(shuō)中得到了啟發(fā)，他提出：光本身是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，h是普朗克常量，這些能量子叫光子。三、能級(jí)1.能級(jí):微觀世界中能量取值分立的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量叫做能級(jí)。高能級(jí):

能量較高的能級(jí)

低能級(jí):

能量較低的能級(jí)基能級(jí):

能量最低的能級(jí)(相應(yīng)的狀態(tài)稱基態(tài)）激發(fā)能級(jí):

能量高于基態(tài)的所有能級(jí)(相應(yīng)狀態(tài)稱激發(fā)態(tài))

分立軌道1

2

3

4E4E3E2E1定態(tài)躍遷E4E3E2E12.能級(jí)躍遷:原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過(guò)程，是輻射能量的過(guò)程，這個(gè)能量以光子的形式輻射出去，這就是原子發(fā)光現(xiàn)象。原子的發(fā)射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，原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量，等于前后兩個(gè)能級(jí)之差

。原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線.3.氫原子的能級(jí)玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋：玻爾從上述假設(shè)出發(fā)，利用經(jīng)典理論和量子理論結(jié)合，計(jì)算出了氫的電子的軌道半徑和對(duì)應(yīng)的能量值（能級(jí)）。-13.6-3.4-1.51-0.8504132∞nE/eV氫原子能級(jí)4.量子力學(xué)與現(xiàn)代生活20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。核能的利用，計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的制造，激光技術(shù)等的應(yīng)用都離不開(kāi)量子力學(xué)。正是量子力學(xué)引領(lǐng)我們邁入了現(xiàn)代社會(huì)，讓我們享受到非富多彩的現(xiàn)代生活。5.聆聽(tīng)宇宙宇宙浩瀚無(wú)垠，神秘莫測(cè)。古人通過(guò)肉眼觀察星空，繪制星圖。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明拓展了人類的視野，使人們對(duì)天體的了解更加清楚。通過(guò)可見(jiàn)光波段觀測(cè)宇宙是有局限的。射電望遠(yuǎn)鏡是在無(wú)線電波段觀測(cè)天體的。捕捉來(lái)自遙遠(yuǎn)星辰最細(xì)微的“聲音”。世界最大的500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡--中國(guó)天眼練習(xí)1.關(guān)于熱輻射，下列說(shuō)法不正確的是（）A．物體在室溫下輻射的主要成分是波長(zhǎng)較短的電磁波B．隨著溫度的升高，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越多C．給一塊鐵塊加熱，鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色D．輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體溫度的變化而有所不同，這是熱輻射的一種特性A解析：A．物體在室溫下輻射的主要成分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波，以不可見(jiàn)的紅外線為主，故A錯(cuò)誤；B．隨著溫度的升高，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越多，故B正確；C．給一塊鐵塊加熱，隨著溫度的升高，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越多，鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，故C正確；D．輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體溫度的變化而有所不同，這是熱輻射的一種特性，故D正確。本題選錯(cuò)誤的，故選A。練習(xí)2.關(guān)于對(duì)熱輻射的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是(

)A．熱的物體向外輻射電磁波，冷的物體只吸收電磁波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(zhǎng)的分布情況只與物體的溫度有關(guān)，與材料種類及表面狀況無(wú)關(guān)D．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：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)，A錯(cuò)誤，B正確；選項(xiàng)C是黑體輻射的特性，C錯(cuò)誤；除光源外，常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色，D錯(cuò)誤．B練習(xí)3.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)黑體解析：黑體自身輻射電磁波，不一定是黑的，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)，B錯(cuò)誤，C正確．小孔只吸收電磁波，不反射電磁波，因此小孔成了一個(gè)黑體，而不是空腔成了一個(gè)黑體，D錯(cuò)誤．C練習(xí)4.普朗克在研究黑體輻射的基礎(chǔ)上，提出了量子理論，下列關(guān)于描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的圖中，符合黑體實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是(

)解析：黑體輻射以電磁輻射的形式向外輻射能量，溫度越高，輻射強(qiáng)度越大，故A、C錯(cuò)誤；黑體輻射的波長(zhǎng)分布情況隨溫度變化而改變，溫度越高，輻射的電磁波的波長(zhǎng)越短，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)縮短的方向移動(dòng)，故B錯(cuò)誤，D正確．D

解析：每個(gè)光量子的能量ε＝hv＝hc/λ

，每秒鐘發(fā)射的總能量為P，則n＝Pt/ε＝λP/hc.A練習(xí)6.由中國(guó)健康發(fā)展研究中心發(fā)布《國(guó)民視覺(jué)健康報(bào)告》白皮書(shū)顯示，我國(guó)學(xué)生的近視患病率在逐年增加。課業(yè)負(fù)擔(dān)重、沉迷電子產(chǎn)品已成為影響青少年視力的兩大“殺手”?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)采用激光“焊接”視網(wǎng)膜技術(shù)來(lái)治療近視，所用激光的波長(zhǎng)λ=660nm。已知普朗克常量h=6.63