2024版新教材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)生用書(shū)新人教版必修第三冊(cè)

5．能量量子化核心素養(yǎng)定位物理觀(guān)念通過(guò)生活實(shí)例，體會(huì)電磁波的輻射，初步形成熱輻射的物理觀(guān)念．科學(xué)思維利用普朗克假設(shè)和能量子的得出過(guò)程，培育學(xué)生的科學(xué)思維．科學(xué)探究通過(guò)對(duì)氫原子光譜的分析，探究出躍遷過(guò)程的特點(diǎn)．科學(xué)看法與責(zé)任知道量子理論對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的引領(lǐng)作用及其在現(xiàn)代技術(shù)中的重要作用．一、熱輻射1．定義：我們四周的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的________有關(guān)，所以叫作熱輻射．任何物體在任何溫度下均發(fā)生熱輻射2．輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布狀況隨物體的溫度而有所不同．3．除了熱輻射外，物體表面還會(huì)吸取和反射外界射來(lái)的電磁波．常溫下我們看到的不發(fā)光物體的顏色就是反射光所致．4．黑體：假如某種物體能夠完全吸取入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就叫作________．黑體雖然不反射電磁波，但是卻可以向外輻射電磁波．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與它的________有關(guān)．是一個(gè)志向化模型二、能量子1．概念：振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的________，這個(gè)不行再分的最小能量值ε叫作能量子．2．大小：ε＝________，其中h≈6.63×10－34J·s.3．愛(ài)因斯坦光子說(shuō)：光是由一個(gè)個(gè)不行分割的能量子組成的，能量大小為_(kāi)_______，光的能量子稱(chēng)為_(kāi)_______．三、能級(jí)1．定義：原子量子化的能量值．2．原子處于能量最低的狀態(tài)時(shí)最________，由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)放出________．3．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________.4．原子光譜的譜線(xiàn)是一些分立的亮線(xiàn)．【情境思索】如圖所示為我國(guó)首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”．“墨子號(hào)”的成功放射使我國(guó)在量子通信技術(shù)領(lǐng)域走在了世界前列．推斷下列問(wèn)題．(1)量子通信的理論基礎(chǔ)是普朗克的能量量子化假設(shè)．()(2)該理論的提出背景是經(jīng)典電磁理論說(shuō)明不了黑體輻射試驗(yàn)的試驗(yàn)規(guī)律．()(3)黑體就是黑色的物體，所以它不向外輻射電磁波．()(4)黑體只吸取電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的．()拓展1拓展2普朗克認(rèn)為微觀(guān)世界中帶電粒子的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，當(dāng)帶電粒子輻射或吸取能量時(shí)，也只能以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地吸取或輻射．拓展3普朗克為了得出與試驗(yàn)相符的黑體輻射公式，做了多種嘗試后才提出了能量子假設(shè)，然后依據(jù)能量子假設(shè)提出了與試驗(yàn)相吻合的黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的公式．普朗克大膽地破除了“能量連續(xù)變更”的傳統(tǒng)觀(guān)念，揭示了微觀(guān)粒子的能量是分立的，成為物理學(xué)新思想的奠基者之一．目標(biāo)一熱輻射和黑體輻射【歸納】——————————————————○1．對(duì)黑體的理解(1)確定的黑體事實(shí)上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替．如圖所示，假如在一個(gè)空腔壁上開(kāi)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)生多次反射和吸取，最終不能從空腔射出，這個(gè)小孔就成了一個(gè)確定黑體．(2)黑體不愿定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見(jiàn)光特殊微弱時(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(lái)還會(huì)很光明，如煉鋼爐口上的小孔．2．一般物體與黑體的比較熱輻射特點(diǎn)吸取、反射特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的狀況與溫度有關(guān)，與材料的種類(lèi)及表面狀況有關(guān)既吸取又反射，其實(shí)力與材料的種類(lèi)及入射波長(zhǎng)等因素有關(guān)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)完全吸取各種入射電磁波，不反射【典例】——————————————————○例1下列說(shuō)法正確的是()A．只有溫度高的物體才會(huì)有熱輻射B．黑體只是從外界吸取能量，從不向外界輻射能量C.黑體可以看起來(lái)很光明，是因?yàn)楹隗w可以反射電磁波D．一般材料的物體，輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類(lèi)和表面狀況有關(guān)例2(多選)在試驗(yàn)室或工廠(chǎng)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()A．T1>T2B．T1＜T2C．隨著溫度的上升，黑體的輻射強(qiáng)度都有所降低D．隨著溫度的上升，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短方向移動(dòng)[訓(xùn)練1](多選)關(guān)于對(duì)黑體的相識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．黑體只吸取電磁波，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)的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類(lèi)及表面狀況無(wú)關(guān)C．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(lèi)及表面狀況有關(guān)D．假如在一個(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)多次反射和吸取，最終不能從小孔射出，這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體目標(biāo)二能量子的理解【歸納】——————————————————○1．物體在放射或接收能量的時(shí)候，只能從某一狀態(tài)“飛躍”到另一狀態(tài)，而不行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(guān)尺度內(nèi)探討物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)我們可以認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，能量變更是連續(xù)的，不必考慮量子化．在探討微觀(guān)粒子時(shí)必需考慮能量量子化．【典例】——————————————————○例3關(guān)于對(duì)能量子的相識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一能量值εB．帶電微粒輻射或吸取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反比D．這一假說(shuō)與現(xiàn)實(shí)世界相沖突，因而是錯(cuò)誤的例4“約瑟夫森結(jié)”由超導(dǎo)體和絕緣體制成．若在結(jié)兩端加恒定電壓U，則它會(huì)輻射頻率為ν的電磁波，且ν與U成正比，即ν＝kU.已知比例系數(shù)k僅與元電荷e的2倍和普朗克常量h有關(guān)．你可能不了解此現(xiàn)象的機(jī)理，但仍可運(yùn)用物理學(xué)中常用的方法．在下列選項(xiàng)中，推理推斷比例系數(shù)k的值可能為()A．h2eB．2ehC．2he思維提升有關(guān)能量子問(wèn)題的解題技巧(1)嫻熟駕馭能量子的計(jì)算公式：ε＝hν＝hcλ(2)把握宏觀(guān)能量E＝Pt與微觀(guān)能量子的關(guān)系：E＝nε.(3)正確建立模型．[訓(xùn)練2]下列宏觀(guān)概念中，是量子化的為()A．物體的質(zhì)量B．彈簧振子的能量C．汽車(chē)的個(gè)數(shù)D．衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的軌道[訓(xùn)練3]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”．現(xiàn)代醫(yī)學(xué)接受激光“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＝6.63×10－34J·s，光在真空中的傳播速度c＝3×108m/s，則該激光中每個(gè)光子的能量為()A．3.0×10－19JB．1.6×10－19JC．1.0×10－19JD．1.0×10－18J目標(biāo)三能級(jí)【歸納】——————————————————○1．能級(jí)：微觀(guān)世界的能量取分立值的觀(guān)念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級(jí)．2．原子處于能量最低的狀態(tài)是最穩(wěn)定的．3．原子獲得能量有可能躍遷到較高的能量狀態(tài)，這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地向能量較低的能級(jí)躍遷．4．原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷放出的光子的能量等于前后兩個(gè)能級(jí)之差，原子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)吸取光子的能量也等于前后兩個(gè)能級(jí)之差．5．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，原子的放射光譜只有一些分立的亮線(xiàn)．【典例】——————————————————○例5(多選)下列說(shuō)法正確的是()A．原子的能量是連續(xù)的，原子的能量從某一能量值變?yōu)榱硪荒芰恐?，可以連續(xù)變更B．原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)放出光子C．原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)放出光子，且光子的能量等于前后兩個(gè)能級(jí)之差D．由于能級(jí)的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的放射光譜只有一些分立的亮線(xiàn)[訓(xùn)練4]下列敘述正確的是()A．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B．原子處于能級(jí)最高的狀態(tài)時(shí)是最穩(wěn)定的C．氣體放電管中的原子受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊只會(huì)躍遷到較低的能量狀態(tài)D．原子的放射光譜是一些連續(xù)的亮線(xiàn)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狀況只與溫度有關(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．黑體能夠完全吸取入射的各種波長(zhǎng)的電磁波2．(多選)對(duì)于帶電微粒在輻射和吸取能量時(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取B．輻射和吸取的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸取的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸取的能量是量子化的3．很多地方用紅外線(xiàn)熱像儀監(jiān)測(cè)人的體溫，只要被測(cè)者從儀器前走過(guò)，便可知道他的體溫是多少．關(guān)于其中原理，下列說(shuō)法正確的是()A．人的體溫會(huì)影響四周空氣溫度，儀器通過(guò)測(cè)量空氣溫度便可知道人的體溫B．儀器發(fā)出的紅外線(xiàn)遇人反射，反射狀況與被測(cè)者的溫度有關(guān)C．被測(cè)者會(huì)輻射紅外線(xiàn)，輻射強(qiáng)度以及按波長(zhǎng)的分布狀況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)且較短波長(zhǎng)的成分強(qiáng)D．被測(cè)者會(huì)輻射紅外線(xiàn)，輻射強(qiáng)度以及按波長(zhǎng)的分布狀況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)且較長(zhǎng)波長(zhǎng)的成分強(qiáng)4．一個(gè)氫原子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)，該氫原子()A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量削減C．吸取光子，能量增加D．吸取光子，能量削減5．兩束強(qiáng)度相同的色光，都垂直地照射到物體表面，第一束光在某段時(shí)間內(nèi)打在相同物體上的光子數(shù)與其次束光在相同時(shí)間內(nèi)打在物體表面上的光子數(shù)之比為4∶5，則這兩束光的光子能量和波長(zhǎng)之比為()A．4∶54∶5B．5∶44∶5C．5∶45∶4D．4∶55∶46．光是一種電磁波，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)的大致范圍是400～700nm.400nm、700nm電磁波輻射的能量子的值各是多少？(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)5．能量量子化導(dǎo)學(xué)駕馭必備學(xué)問(wèn)一、1．溫度4．黑體溫度二、1．整數(shù)倍2．hν3．hν光子三、2．穩(wěn)定光子3．差情境思索答案：(1)√(2)√(3)×(4)×共研突破關(guān)鍵實(shí)力目標(biāo)一[例1]解析：任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的實(shí)力越強(qiáng)，故A錯(cuò)誤；能夠完全吸取入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫作黑體，黑體不反射電磁波，但可以向外輻射電磁波，有些黑體有較強(qiáng)的輻射，看起來(lái)也可以很光明，故B、C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)，與構(gòu)成黑體的材料、形態(tài)無(wú)關(guān)，而一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類(lèi)和表面狀況有關(guān)，故D正確．答案：D[例2]解析：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)．試驗(yàn)表明，隨著溫度的上升，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)．從題圖中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，故A、D正確．答案：AD[訓(xùn)練1]解析：黑體能100%地吸取入射到其表面的電磁輻射，并且不會(huì)有任何的反射與透射，這樣的物體稱(chēng)為黑體，但不愿定是黑色的，故A錯(cuò)誤；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)，與材料種類(lèi)及表面狀況無(wú)關(guān)，故B正確，C錯(cuò)誤；假如在一個(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)多次反射和吸取，最終不能從空腔射出，就相當(dāng)于吸取了全部電磁波，因此空腔成了一個(gè)黑體，故D正確．答案：BD目標(biāo)二[例3]解析：由普朗克能量子假說(shuō)可知帶電微粒輻射或吸取的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，故A錯(cuò)誤，B正確；最小能量值ε＝hν，ε與ν成正比，故C錯(cuò)誤；能量子假說(shuō)反映的是微觀(guān)世界的特征，不同于宏觀(guān)世界，并不與現(xiàn)實(shí)世界相沖突，故D錯(cuò)誤．答案：B[例4]解析：依據(jù)物理單位學(xué)問(wèn)，表達(dá)式及變形式兩側(cè)單位是一樣的．本題中涉及的物理量ν、U、e、h及與其有聯(lián)系的能量表達(dá)式E＝hν①，E＝Ue②，由①②得h的單位與Ueν的單位相同，即h單位可用V·C·s表示，題中ν＝kU，即k＝νU③，單位可用1V·s表示，選項(xiàng)B中2e答案：B[訓(xùn)練2]解析：汽車(chē)的個(gè)數(shù)的數(shù)值只能取正整數(shù)，不能取分?jǐn)?shù)或小數(shù)，因而是不連續(xù)的，是量子化的．其他三個(gè)物理量的數(shù)值都可以取小數(shù)或分?jǐn)?shù)，甚至取無(wú)理數(shù)也可以，因而是連續(xù)的，非量子化的．答案：C[訓(xùn)練3]解析：由ε＝hν＝hcλ，代入數(shù)據(jù)可得每個(gè)光子的能量ε＝3.0×10－19答案：A目標(biāo)三[例5]解析：原子的能量是量子化的，原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)向外放出光子．光子的能量hν＝E初－E末，由于原子的能級(jí)是分立的，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的放射光譜只有一些分立的亮線(xiàn)．故C、D正確．答案：CD[訓(xùn)練4]解析：原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級(jí)，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，故A正確；通常狀況下，原子處于能級(jí)最低的狀態(tài)，這是最穩(wěn)定的，故B錯(cuò)誤；氣體放電管中的原子受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊，有可能躍遷到較高的能量狀態(tài)，這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地向能量較低的能級(jí)躍遷放出光子，故C錯(cuò)誤；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，因此原子的放射光譜只有一些分立的亮線(xiàn)，故D錯(cuò)誤．答案：A精練落實(shí)學(xué)科素養(yǎng)1．解析：依據(jù)熱輻射定義知，A正確；依據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知，一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類(lèi)、表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)，故B錯(cuò)誤，C正確；依據(jù)黑體定義知D正確．答案：ACD2．解析：依據(jù)普朗克能量子假說(shuō)，帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，能量的輻射、吸取要一份份地進(jìn)行，故選A、B、D.答案：ABD3．解析：依據(jù)輻射規(guī)律可知，隨著溫度的上升，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加；隨著溫度的上升，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．人的體溫的凹凸，干脆確定了這個(gè)人輻射的紅外線(xiàn)的頻率和