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(共28張PPT)
5　能量量子化
核心素養點擊
物理觀念 (1)知道熱輻射、黑體輻射的概念。
(2)了解普朗克的能量子假設和愛因斯坦的光子假設。
(3)了解原子能級及能級躍遷理論。
科學態度與責任 通過對本節的學習，能體會到人類對自然界的認識是不斷發展的；認識到物理研究是一種對自然現象進行抽象的創造性工作。
1．填一填
(1)熱輻射的概念：物體具有的與 有關的輻射電磁波的方式。
(2)熱輻射規律：物體在室溫時，熱輻射的主要成分是波長 的電磁波，當溫度升高時，熱輻射中波長較 的成分越來越強。
(3)黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的 而不發生 的物體。
(4)黑體輻射規律：黑體雖然不反射電磁波，但是卻可以向外輻射電磁波，而且輻射電磁波的強度按 的分布只與它的 有關。
溫度
較長
短
電磁波
反射
波長
溫度
2．判斷
(1)物體在常溫下也在不斷地輻射電磁波。 ( )
(2)黑體就是指黑色的物體。 ( )
(3)黑體不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波。 ( )
√
×
√
3．選一選
所謂黑體是指能全部吸收入射的電磁波的物體。顯然，自然界不存在真正的黑體，但許多物體在某些波段上可近似地看成黑體。如圖所示，用不透明的材料制成的帶小孔的空腔，可近似地看作黑體。這是利用了 (　　)
A．控制變量法 B．比值法
C．類比法 D．理想化方法
解析：黑體實際上是一種物理模型，把實際物體近似看作黑體，用到的是理想化方法，D正確。
答案：D　
1．填一填
(1)能量子
①定義：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的 倍。這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
②能量子的大小：ε＝ ，其中ν是電磁波的 ，h是一個常量，稱為普朗克常量，h＝6.626 070 15×10－34 J·s。
③普朗克認為微觀粒子的能量是 的，是不連續(分立)的。
④愛因斯坦的光子說：光是一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為 ，這些能量子被叫作 。
整數
hν
頻率
量子化
hν
光子
(2)能級
①定義：原子的能量是 的，這些 的能量值叫作能級。
②原子的穩定性：原子處于能量最低的狀態時最穩定，原子處于能量較高的狀態時不穩定，會自發地向能量較低的能級躍遷，放出 。
③能級躍遷規律：原子從高能級態向低能級態躍遷時放出的光子的能量，_____前后兩個能級之差。
④原子的發射光譜的特征：原子的能級是分立的，放出的光子的能量也是分立的，因此，原子的發射光譜只有一些 的亮線。
量子化
量子化
光子
等于
分立
2．判斷
(1)普朗克認為帶電微粒的能量是量子化的。 ( )
(2)原子處于最低能級時最穩定。 ( )
(3)原子發生能級躍遷時要放出光子。 ( )
√
√
×
[問題驅動]
用紅外線熱像儀可以監測人的體溫，只要被測者從儀器前走過，便可知道他的體溫是多少，你能說出這其中的原理嗎？
提示：根據輻射規律可知，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都增加；隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。被測者會輻射紅外線，輻射強度以及波長的分布情況與溫度有關，溫度高時輻射強且較短波長的成分強。人的體溫的高低，直接決定了他輻射的紅外線的頻率和強度，通過監測被測者輻射的紅外線的情況就可知道這個人的體溫。　　　　
【重難釋解】
1．對黑體的理解
(1)絕對的黑體實際上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替。如圖所示，如果在一個空腔壁上開一個小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內表面會發生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個帶小孔的空腔就可以近似為一個絕對黑體。
(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；有些可看作黑體的物體由于有較強的輻射，看起來還會很明亮，如開有小孔的煉鋼爐。一些發光的物體（如太陽、白熾燈燈絲）也被當作黑體來處理。
2．一般物體與黑體的比較
名稱 熱輻射特點 吸收、反射特點
一般物體 輻射電磁波的情況與溫度有關，與材料的種類及表面狀況有關 既吸收又反射，其能力與材料的種類及入射波長等因素有關
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 完全吸收各種入射電磁波，不反射
3．黑體輻射的實驗規律
(1)溫度一定時，黑體輻射強度隨波長的分布有一個極大值。
(2)隨著溫度的升高
①各種波長的輻射強度都有增加；
②輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，如圖所示。
　　
[解析]　一般材料的物體輻射能的多少取決于物體的溫度(T)、輻射光的波長、時間的長短和發射的面積，而黑體是指在任何溫度下，能夠完全吸收入射的任何波長的電磁波而不發生反射，黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關。實驗表明，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有所增加，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。從題圖中可以看出，λ1＜λ2，T1＞T2，正確選項為A、D。
[答案]　AD
熟悉黑體輻射特點是解決問題的關鍵。隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都在增加，當黑體溫度升高時，輻射強度極大值向短波方向移動。
【素養訓練】
1．圖中描繪兩種溫度下黑體輻射強度與波長關系的圖像中，符合黑體輻射實驗規律的是 (　　)
解析：根據黑體輻射的實驗規律：隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都增加，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，可知選項A正確。
答案：A　
2．下列敘述錯誤的是 (　　)
A．一切物體都在輻射電磁波
B．一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關
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
D．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波
解析：根據熱輻射定義知A、D正確；根據熱輻射和黑體輻射的特點知一般材料的物體輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料種類和表面狀況有關，而黑體輻射只與黑體溫度有關，B錯誤，C正確。
答案：B　
3．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除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關
C．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
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
解析：黑體自身輻射電磁波，不一定是黑的，故選項A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，故選項B錯誤，C正確；黑體自身輻射電磁波，但不一定是黑色的， 故選項D錯誤。
答案：C　
【重難釋解】
1．每個能量子的能量ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率；光子的能量ε＝hν，其中ν是光的頻率。
2．能量子觀點與黑體輻射實驗的比較
普朗克能量子假設認為微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是分立的。借助于能量子的假說，普朗克得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，與實驗符合得很好。
3．對能量量子化的理解
(1)物體在發射或接收能量的時候，只能從某一狀態“飛躍”到另一狀態，而不可能停留在不符合這些能量的任何一個中間狀態。
(2)在宏觀尺度內研究物體的運動時我們可以認為：物體的運動是連續的，能量變化是連續的，不必考慮量子化；在研究微觀粒子時必須考慮能量量子化。
【素養訓練】
4．(多選)以下宏觀概念中，哪些是“量子化”的 (　　)
A．物體的帶電荷量
B．物體的質量
C．物體的動量
D．學生的個數
解析：所謂“量子化”應該是不連續的，是一份一份的，故選A、D。
答案：AD　
5．關于能量量子化，下列說法正確的是 (　　)
A．能量子假設最早是由愛因斯坦提出來的
B．微觀粒子的能量是不連續的，只能是某一最小能量值的整數倍
C．電磁波的波長越長，其能量子越大
D．能量子假說與宏觀世界中對能量的認識相矛盾，因而它一定是錯誤的觀點
答案：B　
6．(多選)對于帶電微粒輻射或吸收能量時的特點，以下說法正確的是
(　　)
A．以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸收
B．輻射或吸收的能量是某一最小值的整數倍
C．吸收的能量可以是連續的
D．輻射或吸收的能量是量子化的
解析：帶電微粒輻射或吸收能量時是以最小能量值——能量子ε的整數倍一份一份地輻射或吸收的，是不連續的。故A、B、D正確，C錯誤。
答案：ABD　PAGE
課時跟蹤檢測(二十六) 能量量子化
組—重基礎·體現綜合
1．對黑體輻射電磁波的波長分布的影響因素是(　　)
A．溫度 B．材料
C．表面狀況 D．以上都正確
解析：選A　影響黑體輻射電磁波的波長分布的因素是溫度，故選項A正確。
2．普朗克常量是自然界的一個基本常數，它的數值是(　　)
A．6.02×10－23 mol B．6.625×10－3 mol·s
C．6.626×10－34 J·s D．1.38×10－16 mol·s
解析：選C　普朗克常量是一個定值，由實驗測得它的精確數值為6.626×10－34 J·s，在記憶時關鍵要注意它的單位。
3．硅光電池是利用光電效應將光輻射的能量轉化為電能。若有N個頻率為ν的光子打在光電池極板上，這些光子的總能量為(h為普朗克常量)(　　)
A．hν B.Nhν
C．Nhν D．2Nhν
解析：選C　光子能量與頻率有關，一個光子能量為ε＝hν，N個光子能量為Nhν，故C正確。
4．關于對熱輻射的認識，下列說法中正確的是(　　)
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
C．輻射強度按波長的分布情況只與物體的溫度有關，與材料種類及表面狀況無關
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：選B　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，選項A錯誤，選項B正確；選項C描述的是黑體輻射的特性，選項C錯誤；常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色，選項D錯誤。
5．一個氫原子從低能級躍遷到高能級，該氫原子(　　)
A．吸收光子，吸收光子的能量等于兩能級之差
B．吸收光子，能量減少
C．放出光子，能量增加
D．放出光子，能量減少
解析：選A　氫原子能級越高對應的能量越大，當氫原子從較低能級向較高能級躍遷時吸收光子，能量增加，吸收光子的能量等于兩能級之差，A正確，B、C、D錯誤。
6．硅光電池是將光輻射的能量轉化為電能。若有N個波長為λ0的光子打在硅光電池極板上，這些光子的總能量為(h為普朗克常量，c為真空中的光速)(　　)
A．h B．Nh
C．Nhλ0 D．2Nhλ0
解析：選B　由于單個光子的能量為ε＝hν，所以N個光子的總能量E總＝Nhν，又因為ν＝，解得E總＝Nh，故選B。
7．能正確解釋黑體輻射實驗規律的是(　　)
A．能量是連續的經典理論
B．普朗克提出的能量量子化理論
C．以上兩種理論體系任何一種都能解釋
D．牛頓提出的能量微粒說
解析：選B　根據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在增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，只能用普朗克提出的能量量子化理論才能得到較滿意的解釋，故B正確。
8．光是一種電磁波，可見光的波長的大致范圍是400～700 nm。400 nm、700 nm電磁輻射的能量子的值各是多少？(h＝6.63×10－34 J·s)
解析：根據公式ν＝和ε＝hν可知：
400 nm對應的能量子ε1＝h＝6.63×10－34× J≈4.97×10－19 J。
700 nm對應的能量子ε2＝h＝6.63×10－34× J≈2.84×10－19 J。
答案：4.97×10－19 J　2.84×10－19 J
B組—重應用·體現創新
9．(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
解析：選ACD　由電磁波譜知微波是波長10－3 m到10 m之間的電磁波，A正確；微波是一種電磁波，傳播不需要介質，B錯誤；黑體向外輻射電磁波，其強度按波長的分布只與它的溫度有關，C正確；普朗克研究黑體的熱輻射時提出了能量子假說，D正確。
10．兩束能量相同的色光，都垂直地照射到物體表面，第一束光在某段時間內打在物體上的光子數與第二束光在相同時間內打在物體表面上的光子數之比為4∶5，則這兩束光的光子能量和波長之比為(　　)
A．4∶5　4∶5 B．5∶4　4∶5
C．5∶4　5∶4 D．4∶5　5∶4
解析：選B　由E＝nε知，能量相同時n與ε成反比，所以光子能量比為5∶4；又根據ε＝hν＝h，所以波長之比為4∶5，B正確。
11．被譽為“中國天眼”的世界最大單口徑射電望遠鏡(簡稱FAST)可以接收來自宇宙深處的電磁波。中國天眼的存在，使得深空通訊能力延伸至太陽系外緣行星，對探索宇宙的起源和地外文明具有重要意義。如果為天眼配備一部發射功率為百萬瓦級(106 W)的發射機，其發射的無線電波波長為126 厘米。那么該發射機每秒鐘發射的光子數量的數量級約為(取真空中光速c＝3×108 m/s，普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s)(　　)
A．1023 B．1027
C．1030 D．1036
解析：選C　設單位時間為t0，發射機每秒鐘發射的光子數量為n，則光子的總能量為nt0h，每秒鐘的發射能量為Pt0，所以nt0h＝Pt0，代入數據，可得n≈ 6×1030(個)，故C正確。
12．在半徑r＝10 m的球殼中心有一盞功率為P＝40 W的鈉光燈(可視為點光源)，發出的鈉黃光的波長為λ＝0.59 μm，已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，真空中光速c＝3×108 m/s。試求每秒鐘穿過S＝1 cm2球殼面積的光子數目。
解析：鈉黃光的頻率
ν＝＝ Hz≈5.1×1014 Hz
則一個光子的能量
E0＝hν＝6.63×10－34×5.1×1014 J≈3.4×10－19 J
又鈉光燈在t＝1 s內發出光能
E＝Pt＝40×1 J＝40 J
那么在t＝1 s內穿過S＝1 cm2球殼面積的光能量
E1＝＝ J≈3.2×10－6 J
則每秒鐘穿過該球殼1 cm2面積的光子數
n＝＝≈9.4×1012(個)。
答案：9.4×1012個
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