2024-2025學年高中物理第十七章波粒二象性第1節(jié)能量量子化學案新人教版選修3-5

PAGE5-第1節(jié)能量量子化1．了解黑體、熱輻射和黑體輻射的概念，了解黑體輻射的規(guī)律。2．了解能量子的概念，了解宏觀物體和微觀粒子的能量改變特點。3．了解能量子概念的提出過程，體會物理學發(fā)展的艱辛。4．了解科學家探究微觀世界規(guī)律的方法，培育酷愛科學的科學看法與責任。一、黑體與黑體輻射1．熱輻射(1)定義：我們四周的一切物體都在輻射eq\o(□,\s\up4(01))電磁波，這種輻射與eq\o(□,\s\up4(02))物體溫度有關(guān)，所以叫熱輻射。(2)特性：熱輻射強度按波長的分布狀況隨物體的eq\o(□,\s\up4(03))溫度而有所不同。2．黑體(1)定義：某種物體能夠eq\o(□,\s\up4(04))完全汲取入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生eq\o(□,\s\up4(05))反射，這種物體就是肯定黑體，簡稱黑體。(2)黑體輻射特點：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的eq\o(□,\s\up4(06))溫度有關(guān)。二、黑體輻射的試驗規(guī)律1．如圖所示，隨著溫度的上升，各種波長的輻射強度都有增加。2．輻射強度的極大值向著波長eq\o(□,\s\up4(01))較短的方向移動。三、能量子1．定義：普朗克認為，帶電微粒輻射或汲取能量時，只能是輻射或汲取某個最小能量值的eq\o(□,\s\up4(01))整數(shù)倍，這個不行再分的最小能量值ε叫做能量子。2．大小：ε＝hν，其中ν是電磁波的eq\o(□,\s\up4(02))頻率，h是eq\o(□,\s\up4(03))普朗克常量，數(shù)值h＝eq\o(□,\s\up4(04))6.626×10－34J·s。(一般h取6.63×10－34J·s)判一判(1)黑體就是黑色的物體。()(2)黑體是一種志向模型，生活中并不存在。但有些狀況物體可近似看成黑體。()(3)普朗克的能量子假說，使人類對微觀世界的本質(zhì)有了全新的相識，對現(xiàn)代物理學的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。()提示：(1)×(2)√(3)√想一想(1)熱輻射在高溫下才能發(fā)生嗎？提示：任何溫度的物體都發(fā)出肯定的熱輻射，只是輻射強度按波長的分布狀況隨物體的溫度而有所不同。(2)投在爐中的鐵塊一起先是什么顏色？過一會兒又是什么顏色？提示：投在爐中的鐵塊一起先是黑色，過一會兒隨著溫度的上升，鐵塊漸漸變?yōu)榧t色，這是因為同一物體熱輻射的強度與溫度有關(guān)。(3)一般物體的熱輻射與黑體輻射有什么區(qū)分？提示：eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(黑體輻射：只與黑體的溫度有關(guān),一般物體輻射\b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(溫度,材料種類,表面狀況)))?都有關(guān)))課堂任務(wù)黑體輻射1．對黑體的理解(1)肯定的黑體事實上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替。如圖所示，假如在一個空腔壁上開一個小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和汲取，最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個肯定黑體。(2)黑體看上去不肯定是黑的，有些可看成黑體的物體由于自身有較強的輻射，看起來還會很光明。2．黑體輻射的試驗規(guī)律在肯定溫度下，黑體輻射的各種波長的電磁波強度是肯定的，且各種波長的電磁波強度不同，有一種波長的電磁波強度最大；隨著溫度的上升，黑體輻射的各種波長的電磁波的強度增加，并且輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。例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度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D．黑體能夠完全汲取入射的各種波長的電磁波(1)黑體輻射有什么特別性？提示：黑體輻射只與溫度有關(guān)，而一般物體輻射還與材料種類和表面狀況有關(guān)。(2)黑體輻射時只輻射可見光嗎？提示：不是。黑體可以輻射各種波長的電磁波。[規(guī)范解答]依據(jù)熱輻射的定義，A正確；因為一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關(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)，故B錯誤，C正確；依據(jù)黑體的定義知D正確。[完備答案]ACD一般物體與黑體的比較eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])(多選)如圖所示為T1、T2溫度時黑體輻射強度與波長的關(guān)系，則下列選項正確的是()A．T1>T2B．T1<T2C．隨溫度上升，各種波長的輻射強度都減小D．隨溫度上升，輻射強度的極大值向較短波長方向移動答案AD解析溫度上升，各種波長的輻射強度都有增加，A正確，B、C錯誤；隨著溫度的上升，輻射強度的極大值向較短波長方向移動，D正確。課堂任務(wù)能量量子化1．能量子黑體的空腔壁是由大量振子(振動著的帶電微粒)組成的，其能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。例如可能是ε或2ε、3ε、…。當振子輻射或汲取能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地進行。這個不行再分的最小能量值ε叫做能量子，ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率，h是普朗克常量(h＝6.626×10－34J·s)。2．能量的量子化在微觀世界里，能量不能連續(xù)改變，只能取分立值，這種現(xiàn)象叫做能量的量子化。3．能量量子化的理解(1)物體在放射或汲取能量的時候，只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過渡到另一狀態(tài)，而不行能停留在不符合這些能量的任何一個中間狀態(tài)。(2)在宏觀尺度內(nèi)探討物體的運動時我們可以認為：物體的運動是連續(xù)的，能量改變是連續(xù)的，不必考慮量子化；在探討微觀粒子時必需考慮能量量子化。(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太陽光垂直射到地面上時，地面上1m2接收的太陽光的功率為1.4kW，其中可見光部分約占45%。假如認為可見光的波長約為0.55μm，日地間距離R＝1.5×1011m。普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，估算：(1)地面上1m2面積上每秒接收到的可見光光子數(shù)？(2)太陽每秒輻射出的可見光光子數(shù)為多少？(1)已知波長λ和波速v，如何求頻率？提示：由波速公式v＝λν可得：ν＝eq\f(v,λ)。(2)發(fā)光功率與單個光子能量的關(guān)系？提示：發(fā)光功率P＝n·ε，其中n為單位時間發(fā)出的光子數(shù)目，ε為單個光子能量。[規(guī)范解答](1)設(shè)地面上垂直于陽光的1m2面積上每秒鐘接收的可見光光子數(shù)為n，則有P×45%＝n·heq\f(c,λ)。解得n＝eq\f(0.45λP,hc)＝eq\f(0.45×0.55×10－6×1.4×103,6.6×10－34×3×108)個＝1.75×1021個。(2)設(shè)想一個以太陽為球心，以日地間距離為半徑的大球面包圍著太陽。大球面接收的光子數(shù)即等于太陽輻射的全部光子數(shù)。則所求可見光光子數(shù)N＝n·4πR2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2個≈4.9×1044個。[完備答案](1)1.75×1021個(2)4.9×1044個解有關(guān)能量子問題的技巧(1)嫻熟駕馭能量子的計算公式：ε＝hν＝eq\f(hc,λ)。(2)把握宏觀能量E＝Pt與微觀能量子ε的關(guān)系：E＝nε。(3)正確建立模型。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])某激光器能放射波長為λ的激光，放射功率為P，c表示光速，h表示普朗克常量，則激光器每秒放射的