資源簡介

第十三章　第5節
課后知能作業
基礎鞏固練
1．關于對黑體的認識，下列說法正確的是(　　)
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度按波長的分布只與溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關
C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關
D．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個空腔就成了一個黑體
答案：B
解析：黑體能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射，這樣的物體稱為黑體，但不一定黑色的，故A錯誤；黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與材料種類及表面狀況無關，故C錯誤，B正確；如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，就相當于吸收了所有電磁波，因此小孔成了一個黑體，故D錯誤。故選B。
2．關于黑體輻射的實驗規律如圖所示，下列說法正確的是(　　)
A．黑體能夠完全透射照射到它上面的光波
B．隨著溫度降低，各種波長的光輻射強度都有所增加
C．隨溫度升高，輻射強度極大值向波長較長的方向移動
D．黑體的輻射強度只與它的溫度有關，與形狀和黑體材料無關
答案：D
解析：能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體，不反射也不透射，A錯誤；由圖可知，隨溫度的降低，各種波長的光輻射強度都有所減小，B錯誤；隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，C錯誤；一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關，還與材料的種類及表面情況有關，但黑體輻射電磁波的情況只與溫度有關，D正確。故選D。
3．以下宏觀概念，哪些是“量子化”的(　　)
A．木棒的長度 B．物體的質量
C．物體的動量 D．學生的個數
答案：D
解析：所謂“量子化”應該是不連續的，一份一份的，綜上所述，D正確。故選D。
4．下列關于能量量子化說法正確的是(　　)
A．愛因斯坦最早提出了能量量子化假說
B．普朗克認為微觀粒子能量是連續的
C．頻率為ν的光的能量子為hν
D．電磁波波長越長，其能量子越大
答案：C
解析：能量子假說是由普朗克最早提出來的，故A錯誤；根據普朗克能量量子化假說，微觀粒子能量不連續，故B錯誤；能量子的能量ε＝hν＝h所以電磁波波長越長，其能量子越小。故C正確，D錯誤。故選C。
5．2022年10月12日，神舟十四號乘組航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲在中國空間站進行太空授課。若本次直播通信使用電磁波的波長范圍為λ1≤λ≤λ2，則該電磁波中能量子最大值為(　　)
A．hλ2 B．
C． D．
答案：C
解析：由電磁波能量子公式ε＝hν＝h可知，電磁波的波長越小，能量越大，因此該電磁波中能量子最大值為εmax＝，A、B、D錯誤，C正確。故選C。
6．關于電磁振蕩與電磁波，下列說法正確的是(　　)
A．雷達的最大偵察距離等于電磁波在雷達發射相鄰兩個脈沖的時間間隔內傳播的距離
B．黑體可以吸收一切光，普朗克在研究黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說，黑體的熱輻射實質上是電磁輻射
C．紅外線有很強的穿透本領，醫學上常用于透視人體，過強的紫外線照射有利于人體的皮膚健康
D．根據麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場一定能產生磁場，變化的磁場也一定能產生變化的電場
答案：B
解析：雷達的最大偵察距離應等于電磁波在雷達發射相鄰兩個脈沖的時間間隔內傳播距離的一半，A錯誤；黑體可以吸收一切光，黑體輻射本質上是電磁輻射，普朗克最早提出了能量子假說，他認為能量是一份一份的，每一份是一個能量子，B正確；X射線有很高的穿透本領，醫學上常用于透視人體，過強的紫外線照射對人體的皮膚有害，C錯誤；變化的電場一定能產生磁場，變化的磁場一定能產生電場，但均勻變化的磁場只能產生恒定電場，D錯誤。故選B。
能力提升練
7．科學家設想在未來的宇航事業中利用太陽帆來加速星際飛船。設某飛船所在地每秒每單位面積接收的光子數為n，光子平均波長為λ，太陽帆板面積為S，反射率為100%，光子動量p＝。設太陽光垂直射到太陽帆板上，飛船總質量為m，則飛船加速度的表達式為(　　)
A． B．
C． D．
答案：D
解析：Δt時間內太陽帆板接收的光子數為N＝nS·Δt，這些光子的總動量大小p1＝nS·Δt·，反射后光子的總動量大小p2＝p1，則飛船所受力F＝，聯立得F＝，由牛頓第二定律得a＝＝，故D正確。故選D。
8．(多選)關于原子的能級，下列說法正確的是(　　)
A．原子從基態躍遷到激發態要放出光子，放出光子的能量等于前后兩個能級的能量差
B．原子不能從低能級向高能級躍遷
C．原子吸收能量后可以從低能級躍遷到高能級
D．原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后兩個能級的能量差
答案：CD
解析：原子從基態躍遷到激發態要吸收光子，吸收的光子的能量等于前后兩個能級的能量差，故A錯誤；原子吸收能量后可以從低能級躍遷到高能級，故B錯誤，C正確；原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后兩個能級的能量差值，故D正確。故選CD。
9．(多選)下列有關黑體和黑體輻射的說法中正確的是(　　)
A．黑體的熱輻射實際上是電磁輻射
B．能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射的物體叫作黑體
C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布與它的溫度、材料的種類及表面狀況有關
D．黑體的溫度升高時可以輻射出任何頻率的電磁波(包括可見光和不可見光)
答案：ABD
解析：黑體的熱輻射實際上是電磁輻射，故A正確；能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射的物體叫作黑體，故B正確；黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與它的溫度有關，故C錯誤；黑體輻射的強度與溫度有關，溫度越高，黑體輻射的強度越大，隨著溫度升高，可以輻射出任何頻率的電磁波，故D正確。故選ABD。
10．(多選)某光源放出波長在500～600 nm之間的各種光子，若已知該光源的發光功率為1 mW，則它每秒鐘發射的光子數可能是(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)(　　)
A．2.0×1015 B．3.0×1015
C．2.6×1015 D．1.5×1015
答案：BC
解析：每秒內該光源發光的能量E光源＝Pt＝1×10－3 J，而波長為λ的光子的能量為E光子＝，則每秒鐘發射的光子數為n＝＝，代入數值得2.5×1015≤n≤3.0×1015，故B、C正確。故選BC。
11．(多選)在電磁波中，波長按從長到短排列的是(　　)
A．無線電波、可見光、紅外線
B．無線電波、可見光、γ射線
C．紅光、黃光、綠光
D．紫外線、X射線、γ射線
答案：BCD
解析：電磁波譜按波長從長到短的排列順序依次是無線電波→紅外線→可見光(紅、橙、黃、綠、青、藍、紫)→紫外線→X射線→γ射線，由此可知B、C、D正確。故選BCD。
12．(多選)對宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀的研究被譽為是宇宙學研究進入精密科學時代的起點。下列與宇宙微波背景輻射的黑體譜相關的說法中正確的是(　　)
A．微波是指波長在10－3 m到10 m之間的電磁波
B．微波和聲波一樣都只能在介質中傳播
C．黑體的熱輻射實際上是電磁輻射
D．普朗克在研究黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說
答案：ACD
解析：微波是電磁波中按波長分類波長較小的一種，微波是指波長在10－3 m到10 m之間電磁波，故A正確；微波是電磁波，電磁波既能在介質中傳播也能在真空中傳播，而聲波是機械波，只能在介質中傳播，故B錯誤；黑體向外輻射的是熱量，是以光子的形式輻射的，而光是電磁波，所以黑體的熱輻射實際上是電磁輻射，故C正確；普朗克在研究黑體輻射的過程中提出了黑體輻射的能量是一份一份的，從而提出了能量子的假說，故D正確。
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第十三章　電磁感應與電磁波初步
第5節　能量量子化
核心素養 學習重點
物理觀念 (1)知道熱輻射、了解黑體輻射。
(2)知道能量是量子化的，知道能量子的概念。
(3)知道能級、能級躍遷、原子發射光譜等概念。 理解能量的量子化與能量的連續性存在著根本顛覆性的概念沖突；理解物理學家提出能量量子化理論是對客觀世界本質的尊重和近代物理學發展的必然要求，也是當今現代化社會、現代化科技發展的動力源泉和根基。
科學思維 根據黑體輻射的實驗規律，分析黑體輻射的強度與波長的關系。
核心素養 學習重點
科學探究 由黑體輻射實驗結論與光的電磁理論的矛盾，探究能量子的概念建立的科學過程。 理解能量的量子化與能量的連續性存在著根本顛覆性的概念沖突；理解物理學家提出能量量子化理論是對客觀世界本質的尊重和近代物理學發展的必然要求，也是當今現代化社會、現代化科技發展的動力源泉和根基。
科學態度
與責任 (1)根據能量子提出的過程，領會這一科學突破過程中的思想。
(2)初步認識量子力學的建立在科技中的重要作用。
探究點　熱輻射　能量子
●新知導學
情境：(1)把鐵塊投進火爐中，剛開始鐵塊只是發熱，并不發光。隨著溫度的升高，鐵塊會慢慢變紅，開始發光。鐵塊依次呈現暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。為什么會有這樣的變化呢？
(2)如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射，會怎樣？
?[提示]
[提示]
(1)輻射強度按波長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光的物體顏色就是物體表面反射光所致。
(2)物體看起來是黑色的。
●基礎梳理
一、熱輻射
1．概念：一切物體都在輻射__________，且輻射與物體的________有關，所以叫熱輻射。
2．特點：溫度升高時，熱輻射中波長較______的成分越來越______。
3．黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的__________而不發生反射。
電磁波
溫度
短
強
電磁波
二、能量子
1．概念：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的__________，這個最小的能量值______叫__________。
2．大小：ε＝________，其中h＝6.63×10－34 J·s。
3．愛因斯坦光子說：光是由一個個不可分割的__________組成，能量大小為________，光的能量子稱作________。
三、能級
1．原子的能量是__________的，量子化的能量值叫________。
2．原子從高能態向低能態躍遷時________光子，光子的能量等于前后兩個能級________。
整數倍
ε
能量子
hν
能量子
hν
光子
量子化
能級
放出
之差
[判斷正誤]
(1)一切物體都在輻射電磁波。(　　)
(2)一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關。(　　)
(3)黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關。(　　)
(4)黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波。(　　)
(5)原子的能量是連續的，原子的能量從某一能量值變為另一能量值，可以連續變化。(　　)
(6)原子從低能級向高能級躍遷時放出光子。(　　)
(7)原子從高能級向低能級躍遷時放出光子，且光子的能量等于前后兩個能級之差。(　　)
(8)由于能級的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的發射光譜只有一些分立的亮線。(　　)
答案：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)×　(7)√　(8)√
●重難解讀
一、熱輻射和黑體輻射
1．黑體實際上是不存在的，只是一種理想情況。
2．黑體不一定是黑的，只有當自身輻射的可見光非常微弱時看上去才是黑的；有些可看成黑體的物體由于有較強的輻射，看起來還會很明亮，如煉鋼爐口上的小孔。
3．黑體同其他物體一樣也在輻射電磁波，黑體的輻射規律最為簡單，黑體輻射強度只與溫度有關。
4．黑體輻射的實驗規律
隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，如右圖所示。
二、能量子
1．普朗克的能量子概念：普朗克認為微觀世界中帶電粒子的能量是不連續的，只能是某一最小能量值的整數倍，當帶電粒子輻射或吸收能量時，也只能以這個最小能量值為單位一份一份地吸收或輻射，這樣的一份最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν，其中h叫作普朗克常量，實驗測得h＝6.63×10－34 J·s，ν為電磁波的頻率。
2.能量的量子化：在微觀世界中能量不能連續變化，只能取分立值，這種現象叫作能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范圍內取值是不連續的。
三、能級
1．能級
原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級。
原子具有確定能量的穩定狀態，稱為定態。能量最低的狀態叫作基態，其他的狀態叫作激發態。
2．能級之間的躍遷
處于低能級的原子受到高速運動的電子的撞擊，有可能躍遷到較高的能量狀態，處于高能級的原子是不穩定的，會自發地向能量較低的能級躍遷，放出光子。
類型一　熱輻射和黑體輻射
典題1：下列說法正確的是(　　)
A．只有溫度高的物體才會有熱輻射
B．黑體只是從外界吸收能量，從不向外界輻射能量
C．黑體可以看起來很明亮，是因為黑體可以反射電磁波
D．一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料的種類和表面情況有關
?[思維點撥]
[思維點撥]
本題考查了關于黑體輻射的知識，關鍵是熟悉黑體輻射的特點，注意掌握黑體輻射的規律是解題的關鍵。熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象；黑體輻射電磁波的情況只與溫度有關，是實際物體的理想化模型；能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，這樣的物體稱為黑體。
答案：D
解析：任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的能量越多，故A錯誤；能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發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，有些黑體有較強的輻射，看起來也可以很明亮，故B、C錯誤；黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關，與構成黑體的材料、形狀無關，而一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料的種類和表面情況有關，故D正確。
?[規律方法]
[規律方法]
熱輻射不一定需要高溫，任何溫度都能發生熱輻射，只是溫度低時輻射弱，溫度高時輻射強。在一定溫度下，不同物體所輻射的光譜的成分有顯著不同。
熱輻射特點 吸收、反射的特點
一般
物體 輻射電磁波的情況與溫度有關，與材料的種類、表面狀況有關 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
黑體 輻射電磁波的強弱按波長的分布只與黑體的溫度有關 完全吸收各種入射電磁波，不反射
跟蹤訓練1：下列關于熱輻射和黑體輻射的說法不正確的是(　　)
A．一切物體都在輻射電磁波
B．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波
C．黑體輻射強度的極大值跟溫度無關
D．一般物體輻射電磁波的強度與溫度有關
答案：C
解析：一切物體都在輻射電磁波，故A正確；黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波，故B正確；隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，故C錯誤；一般物體輻射電磁波的強度與溫度有關，故D正確。故選C。
類型二　能量子
典題2：光是一種電磁波，波長分別是650 nm、610 nm、590 nm、550 nm的紅、橙、黃、綠4種單色光中，能量子最小的是(　　)
A．紅光　　　　 B．橙光
C．黃光　　　　 D．綠光
?[思維點撥]
[思維點撥]
本題考查光子能量公式，只要知道公式中各量的含義就可以輕松得出結果。
答案：A
解析：根據光的能量公式ε＝hν，ν為光的頻率，頻率越小能量越小。又根據c＝λν，波長越長，頻率越小。紅、橙、黃、綠4種單色光波長依次減小，則頻率依次升高，所以能量最小的是紅光，故A正確，B、C、D錯誤。故選A。
?[規律方法]
[規律方法]
愛因斯坦的光子說：光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，這些能量子被稱為光子。頻率為ν的光子的能量為ε＝hν。
跟蹤訓練2：(多選)1900年德國物理學家普朗克在研究黑體輻射時提出了一個大膽的假說，即能量子假說，下列說法屬于能量子假說內容的是(　　)
A．物質發射(或吸收)能量時，能量不是連續的，而是一份一份進行的
B．能量子假說中將每一份能量單位，稱為“能量子”
C．能量子假說中的能量子的能量ε＝hν，ν為帶電微粒的振動頻率，h為普朗克常量
D．能量子假說認為能量是連續的，是不可分割的
答案：ABC
解析：能量子假說認為，物質發射(或吸收)能量時，能量不是連續的，而是一份一份進行的，每一份能量單位，稱為“能量子”，能量子的能量ε＝hν，ν為帶電微粒的振動頻率，h為普朗克常量，故A、B、C符合題意，D不符合題意。故選ABC。
類型三　能級
典題3：(多選)玻爾在他提出的原子模型中所做的假設有(　　)
A．原子處在具有一定能量的定態中，雖然電子做變速運動，但不向外輻射能量
B．原子的不同能量狀態與電子沿不同的圓形軌道繞核運動相對應，而電子的可能軌道的分布是不連續的
C．電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，輻射(或吸收)一定頻率的光子
D．電子躍遷時輻射的光子的頻率等于電子繞核做圓周運動的頻率
?[思維點撥]
[思維點撥]
本題考查對量子化的認識，量子化在高中要求較低，只需明確量子化的定義即可。
答案：ABC
解析：玻爾的原子模型提出了三條假設：即軌道假設，定態假設和躍遷假設；可知A、B、C三項都是玻爾提出來的假設，其核心是原子定態概念的引入與能級躍遷學說的提出，也就是“量子化”概念，原子的不同能量狀態與電子繞核運動不同的圓軌道相對應，是經典理論與量子化概念的結合。故A、B、C正確；根據玻爾理論，電子躍遷時輻射的光子的頻率滿足：hν＝Em－En，與電子繞核做圓周運動的頻率無關。故D錯誤。
?[規律方法]
[規律方法]
(1)能級越低，原子越穩定。
(2)除受到高速運動的電子的撞擊外，當吸收一定大小的光子的能量(等于躍遷前后的兩能級之差)時，原子也能躍遷到高能級。
(3)原子的發射光譜
①光譜特征
如圖所示是氦原子的光譜，原子的發射光譜只有一些分立的亮線。
②光譜分立的原因
原子從高能態向低能態躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差，因為原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。
跟蹤訓練3：蛇是老鼠的天敵，它是通過接收熱輻射來發現老鼠的。假設老鼠的體溫為37 ℃，它發出的最強的熱輻射的波長為λm，根據熱輻射理論，λm與輻射源的絕對溫度T的關系近似為λm·T＝2.90× 10－3 m·K，普朗克常量h＝6.626×10－34 J·s。那么老鼠發出最強的熱輻射的波長和老鼠發出的這種最強的熱輻射每份能量子(又叫作光子)的能量分別是(　　)
A．7.8×10－5 m　1.89×10－20 J
B．9.4×10－6 m　2.11×10－20 J
C．1.16×10－4 m　2.11×10－18 J
D．9.7×10－8 m　1.10×10－20 J
答案：B
素養能力提升
拓展整合 啟智培優
課堂效果反饋
內化知識 對點驗收
1．下列關于電磁波、能量子和熱輻射的說法正確的是(　　)
A．在真空中，頻率越高的電磁波傳播速度越大
B．麥克斯韋提出變化的電場產生磁場
C．頻率越高的電磁波傳播的能量子的能量越低
D．高溫物體會發生熱輻射，低溫物體不會熱輻射
答案：B
解析：真空中，所有電磁波的傳播速度都相同，故A錯誤；變化的電場產生磁場是麥克斯韋提出的，故B正確；由E＝hν，其中h是定值，可得頻率越高的電磁波傳播的能量子的能量越高，故C錯誤；高溫、低溫物體都會發生熱輻射，不過是輻射強度不同，故D錯誤。故選B。
2．對宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀的研究被譽為是宇宙學研究進入精密科學時代的起點。關于黑體輻射，下列說法正確的是(　　)
A．溫度低于0 ℃的物體不會輻射電磁波
B．黑體不會輻射電磁波
C．愛因斯坦提出的能量子假說，能夠很好地解釋黑體輻射規律
D．黑體輻射的能量是不連續的，只能是某一最小能量值的整數倍
答案：D
解析：一切物體都會輻射電磁波，絕對零度的物體才可能沒有輻射，溫度越高，輻射的電磁波越強，故A錯誤；黑體是一種理想化模型，黑體能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射，但是黑體會向外輻射電磁波，故B錯誤；普朗克借助于能量子假說，完美的解釋了黑體輻射規律，故C錯誤；普朗克假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的，只能取能量基本單位的整數倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現象，故D正確。故選D。
3．人們認識量子論的第一步始于對黑體輻射實驗規律的解釋，下圖畫出了T1、T2兩種溫度下黑體的輻射強度與其輻射光波長的關系，下列說法正確的是(　　)
A．T1B．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關
C．隨著溫度升高，波長短的輻射強度增大，波長長的輻射強度減小
D．愛因斯坦提出的能量子假說很好地解釋了黑體輻射的實驗規律
答案：B
解析：由圖像的含義可知，隨溫度的升高，黑體輻射的強度的峰值朝波長較短的方向移動，故T1>T2，故A錯誤；由黑體輻射的特點可知，黑體輻射電磁波的強度按波長的分布僅與溫度有關，故B正確；由圖可知，隨著溫度升高，波長短的輻射強度增大，波長長的輻射強度增大，故C錯誤；普朗克提出了能量子，并用其很好的解釋了黑體輻射的實驗規律，故D錯誤。故選B。
4．第五代移動通信技術，簡稱5G,5G將開啟萬物互聯時代：車聯網、物聯網、智慧城市、自動駕駛技術等將逐一實現。5G應用 3 300 MHz～5 000 MHz頻段的無線電波傳送信號，相比于現有的4G (1 880 MHz～2 635 MHz頻段)而言，5G所應用的無線電波(　　)
A．在真空中的波長更長
B．在真空中的波長更短
C．在真空中的傳播速度更小
D．在真空中的傳播速度更大
答案：B

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