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(共38張PPT)
第5章　初識電磁場與電磁波
第4節　初識光量子與量子世界
核心素養：1.了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射. 2.初步了解 微觀世界的量子化特征. 3.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. 4.由黑體輻射實驗結論與光的電磁理論的矛盾，領會這一科學突破過程中科學 家的思想.
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研習任務一　熱輻射的特點
合作　討論
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？
提示：輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度變化而有所不同.
核心　歸納
1. 黑體
定義：如果某種物體在任何溫度下能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反 射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體.
實際上黑體只是一種理想情況，如在一個空腔壁上開一個很小的孔，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，這個小孔就成了 一個絕對黑體，如圖所示.
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. 一般物體和黑體的熱輻射、反射、吸收的特點不同，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.
熱輻射的特點 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
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，是因為黑體可以有較強的輻射
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
CD
[解析]　任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的能力越強，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，B錯 誤，C正確；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，D正確.
黑體完全吸收電磁波而不反射，同時其本身也輻射電磁波；黑體輻射電磁波的強 度按波長的分布只與溫度有關，與其他因素無關.
一般材料的物體，輻射電磁波的情況不僅與溫度有關，還與材料的種類及表面狀 況有關.
A. 黑體是真實存在的
B. 普朗克引入能量子的概念，得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，與實驗符合 得非常好，并由此開創了物理學的新紀元
C. 隨著溫度升高黑體輻射的各波長的強度有些會增強，有些會減弱
D. 黑體輻射無任何實驗依據
解析：黑體并不是真實存在的，故A錯誤；普朗克引入能量子的概念，得出黑體輻射 的強度按波長分布的公式，與實驗符合得非常好，并由此開創了物理學的新紀元，故 B正確；隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都會增強，故C錯誤；黑體輻射是有 實驗依據的，故D錯誤.
B
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研習任務二　能量子和能級
合作　討論
如圖所示為我國首顆量子通信衛星“墨子號”.“墨子號”的成功發射使我國在 量子通信技術領域走在了世界前列.那么，量子通信的理論基礎是什么？該理論的提 出背景又是什么？
提示：量子通信的理論基礎來源于德國物理學家的能量量子化假設.該假設提出 的背景是經典電磁理論解釋不了黑體輻射實驗的實驗規律.
教材　認知
一、光的量子化
1. 光的本質：19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋創立的經典電磁場理論揭示出 “光是一種 ”.
2. 光電效應：用光照射金屬使金屬發射出 的現象.
3. 光子：不可再分的 能量值.
4. 波粒二象性：光既具有 性，又具有 性.光在一定的條件下，突出 地表現出微粒性，實質為不連續性；在另一些條件下，又突出地表現波動性.
電磁波　
電子　
最小　
波動　
粒子　
二、初識量子世界
1. 量子假說認為，物質輻射（或吸收）的能量E只能是最小能量單位的整數倍， 即 （n＝1，2，3，…）.一份能量就是一個能量子，能量子的能量ε與頻率ν 成正比，即 .
2. 如果一個物理量存在最小的 的基本單位，那么該物理量是量子化的.
[思考]　能量子還能分割嗎？
提示：不可再分割，是最小的能量值.
E＝nε　
ε＝hν　
不可分割　
核心　歸納
1. 普朗克的能量子概念
（1）能量子：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.
2. 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的光子的能量子為ε＝hν.
3. 能級及能級躍遷
（1）能級：微觀世界的能量取分立值的觀念也適用于原子系統，原子的能量是量子 化的，這些量子化的能量值叫作能級.
（2）原子處于能量最低的狀態是最穩定的.
（3）原子獲得能量有可能躍遷到較高的能量狀態，這些狀態的原子是不穩定的，會 自發地向能量較低的能級躍遷.
（4）原子從高能級向低能級躍遷放出的光子的能量等于前后兩個能級之差，原子從 低能級躍遷到高能級吸收光子的能量也等于前后兩個能級之差.
A. 103 Hz B. 106 Hz
C. 109 Hz D. 1012 Hz
C
A. 宏觀物體的長度是量子化的
B. 愛因斯坦借助于能量子假說完美的解釋了黑體輻射規律
C. 能量子假說與宏觀世界中對能量的認識相矛盾，因此它一定是錯誤的觀點
D. 激光中頻率為ν的光子的能量為hν
解析：宏觀物體的長度是連續的，選項A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，選項B錯誤；能量子假說與宏觀世界中對能量的認識相矛盾，但它 的觀點是正確的，選項C錯誤；激光中頻率為ν的光子的能量為hν，選項D正確.
D
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課后提素養
√
√
√
×
√
D. 以上均不正確
A
A. 原子的能量是不可改變的
B. 原子的能量狀態是不連續的
C. 原子具有分立的能級
D. 原子從高能態向低能態躍遷，放出的光子能量取決于兩個能級的差值
解析：原子的能量是量子化的，亦即原子的能量狀態是不連續的、具有分立的能級， 當原子在這些能級之間發生躍遷時，只能吸收或者放出能量與能級差值相同的光子， 故選項B、C、D正確.
BCD
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：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，A錯 誤，B正確；選項C是黑體輻射的特性，C錯誤；除光源外，常溫下看到的物體的顏色 是反射光的顏色，D錯誤.
B
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
B
A. 物體在某一溫度下只能輻射某一固定波長的電磁波
B. 當鐵塊呈現黑色時，說明它的溫度不太高
C. 當鐵塊的溫度較高時會呈現赤紅色，說明此時輻射的電磁波中該顏色的光的光照 強度最強
D. 早、晚時分太陽呈現紅色，而中午時分呈現白色，說明中午時分太陽溫度最高
BC
解析：物體在某一溫度下能輻射不同波長的電磁波，選項A錯誤；黑體輻射的強度與 溫度有關，溫度越高，則輻射強度的極大值也就越大；當鐵塊呈現黑色時，是由于它 的輻射強度的極大值對應的波長段在紅外部分，甚至波長更長，說明它的溫度不太 高，選項B正確；當鐵塊的溫度較高時會呈現赤紅色，說明此時輻射的電磁波中該顏 色的光的光照強度最強，選項C正確；太陽早、晚時分呈現紅色，而中午時分呈現白 色，是大氣的吸收與反射了部分光的原因，不能說明中午時分太陽溫度最高，選項D 錯誤.
A. 紅外線測溫槍利用了一切物體都在不停地發射紅外線，而且發射紅外線 強度與溫度有關，溫度越高發射紅外線強度就越大
B. 高溫物體輻射紅外線，低溫物體不輻射紅外線
C. 紅外線也屬于電磁波，其波長比紅光短
D. 愛因斯坦最早提出“熱輻射是一份一份的、不連續的”觀點
解析：一切物體都在不停的發射紅外線，而且發射紅外線強度與溫度有關，溫度越高 發射紅外線強度就越大，紅外線測溫槍就是利用這一特點工作的，A正確，B錯誤； 紅外線屬于電磁波，波長比紅光長，C錯誤；普朗克在研究黑體輻射時，最早提出 “熱輻射是一份一份的、不連續的”觀點，D錯誤.
A
A. 1個 B. 3個
C. 30個 D. 300個
B
A. 物體的質量 B. 物體所受的力
C. 導體中的電流 D. 東北虎的個數
解析：所謂“量子化”，一定是不連續的，是一份一份的.
A. 紅光 B. 橙光
C. 黃光 D. 綠光
解析：由E＝hν可知，紅光的頻率最小，其光子能量值最小.
D
A
1
2
3
4
5
6
7
8
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為電磁波的頻率，h為普朗克常量
D. 能量子假說認為能量是連續的
解析：能量子假說認為能量是不連續的，是以能量子為最小單位一份一份進行 的，能量子的大小ε＝hν，ν為輻射電磁波的頻率，h為普朗克常量，故D錯誤， A、B、C正確.
ABC
1
2
3
4
5
6
7
8
A. 溫度高的物體向外輻射電磁波，溫度低的物體只吸收不輻射電磁波
B. 愛因斯坦為解釋黑體輻射的規律，提出了“能量子”
C. 黑體輻射電磁波的強度按波長的分布情況只與溫度有關
D. 常溫下我們看到物體是因為物體在不斷輻射電磁波
解析：A錯：溫度高的物體和溫度低的物體都向外輻射電磁波.B錯：普朗克為解釋黑 體輻射的規律，提出了“能量子”.C對：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布情況 只與溫度有關.D錯：常溫下我們看到物體是因為物體在不斷反射可見光，不是物體 輻射電磁波.
C
1
2
3
4
5
6
7
8
A. T1＞T2
B. T1＜T2
C. 隨著溫度的升高，黑體的輻射強度有所降低
D. 隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動
解析：一般材料的物體的輻射與溫度、材料及表面狀況有關，而黑體輻射的強度按波 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.從題圖中可看出，λ1＜λ2，則T1＞T2.
A
1
2
3
4
5
6
7
8
[能力提升]
A. 4∶5，4∶5 B. 5∶4，4∶5
C. 5∶4，5∶4 D. 4∶5，5∶4
B
1
2
3
4
5
6
7
8
A. 2.1×1021個 B. 4.2×1021個
C. 2.1×1015個 D. 4.2×1015個
B
1
2
3
4
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6
7
8
8. 氦氖激光器發射波長為632.8 nm的單色光，這種光的一個光子的能量為多少？若 該激光器的發光功率為20 mW，則每秒發射多少個光子？
答案：3.14×10－19 J　6.37×1016 個
1
2
3
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5
6
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8

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