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(共24張PPT)
第5節 能量量子化
第十三章 電磁感應與電磁波初步
物理
學習目標
1.知道熱輻射、黑體、黑體輻射的概念。
2.了解普朗克的能量子假設。
3.了解愛因斯坦光子假設。
4.知道原子能級及能級躍遷理論。
學習重難點
難點:黑體的概念、原子能級及能級躍遷理論。
重點:普朗克的能量子假設。
曬太陽可以使身體變暖，是通過什么方式改變人體內能的？冬天在火爐旁烤手是通過什么方式改變人體內能的？
新知導入
一.熱輻射
我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關，所以叫作熱輻射。物體在室溫時，熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波，不能引起人的視覺。當溫度升高時，熱輻射中波長較短的成分越來越強。
隨著溫度的升高，鐵塊從發熱，再到發光，鐵塊的顏色也不斷發生變化。
新知講解
一、熱輻射
不透明體
外來各種波長的輻射能
反射某些波長的輻射能
吸收某些波長的輻射能
（隨物而異）
發射各種波長的熱輻射能
（隨物而異）
T
T
一
處
于
某
溫
度
（隨物而異）
熱輻射的輻射強度與溫度、物體種類及其表面情況有關，太復雜了！
怎么去研究熱輻射的客觀規律呢？
實際物體熱輻射的復雜性
思考與討論
一座建設中的樓房還沒有安裝窗子，盡管室內已粉刷，如果從遠處觀察，把窗內的亮度與樓外墻的亮度相比，你會發現什么？為什么？
黑體：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，這種物體就叫作黑體
近似黑體
研究黑體輻射是了解一般物體熱輻射性質的基礎。
黑體輻射
只與溫度有關。
二、能量子
普朗克能量子假說
能量
量子
經典
h = 6.626 10 ─34 J·s —— 普朗克常量
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
普朗克
牛頓以來物理學最偉大的發現之一
二、能量子
普朗克
能量量子化 ─ 物理學的新紀元
跨出了真正說明物質世界量子性的第一步
[思考與討論] 嘗試用普朗克的量子化觀點回答：某激光器能發射波長為λ的激光，那么激光能量子的能量可以取任意值嗎？是連續的還是一份一份的？設普朗克常量為h，那么每個激光能量子的能量是多少？如果激光發射功率為P，那么每秒鐘發射多少個能量子？
三.能級
微觀世界中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（energy level）。
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。由于原子的能級是分立的，所以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分立的亮線。
【例題1】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.黑體不會輻射電磁波
B.溫度低于0℃的物體不會輻射電磁波
C.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
D.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
典例探究
[例題分析]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，A、B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，C正確，D錯誤。
[例題解答]C
[針對訓練1]近年來軍事行動中,士兵都佩戴“紅外夜視儀”,在夜間也能清楚地看清目標,主要是因為(　　)
A.“紅外夜視儀”發射出強大的紅外線,照射被視物體
B.一切物體均在不停地輻射紅外線
C.一切高溫物體均在不停地輻射紅外線
D.紅外線屬于可見光
解析:一切物體都在不停地向外輻射紅外線,不同物體輻射出來的紅外線不同,采用“紅外夜視儀”可以清楚地分辨出物體的形狀、大小和位置,不受白天和夜晚的影響,即可確認出目標從而采取有效的行動，B正確。
答案:B
[例題2] 人眼對綠光較為敏感，正常人的眼睛接收到波長為530 nm的綠光時，只要每秒鐘有6個綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺。普朗克常量為6.63×10－34 J·s，光速為3.0×108 m/s，則人眼能察覺到綠光時所接收到的最小功率是(　　)
A.2.3×10－18 W B.3.8×10－19 W
C.7.0×10－10 W D.1.2×10－18 W
[例題解答]由c=λν可得光的頻率ν=,則能量子的能量ε=hν=h。因為只要每秒有6個綠光的光子射入瞳孔,眼睛就能察覺,所以察覺到綠光所接收的最小功率P=,式中E=6ε,可解得P=W≈ 2.3×10-18 W。
答案:A
[針對訓練2] 神光“Ⅱ”裝置是我國規模最大、國際上為數不多的高功率固體激光系統，利用它可獲得能量為2400 J、波長λ為0.35 μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，則該紫外激光所含光子數為多少個？(保留2位有效數字)
解析:每個激光光子的能量為ε=h,該紫外激光中所含光子數為n=≈4.2×1021。
答案:4.2×1021個
[例題3] 氫原子基態的能量為E1＝－13.6 eV。大量氫原子處于某一激發態,由這些氫原子可能發出的所有的光子中，頻率最大的光子能量為－0.96E1，在原子所在激發態能量為________eV(保留2位有效數字)。
[例題分析]頻率最大的光子能量為-0.96E1,即En-(-13.6 eV)=-0.96×(-13.6 eV),解得En=-0.54 eV。
[例題解答]-0.54
1.關于對熱輻射的認識,下列說法正確的是(　　)
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:一切物體都在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。對于一般材料的物體,輻射強度按波長的分布除與物體的溫度有關外,還與材料的種類和表面狀況有關,C錯誤。常溫下我們看到的物體的顏色是反射光的顏色,D錯誤。
答案:B
課堂練習
2.(多選)以下關于輻射強度與波長的關系的說法正確的是(　　)
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強度最強
D.太陽早、晚時分呈現紅色,而中午時分呈現白色,說明中午時分太陽溫度最高
解析:熱輻射不是僅輻射一種波長的電磁波,A錯設;太陽早、晚時分呈現紅色,而中午時分呈現白色,是因為大氣吸收與反射了部分光,不能說明中午時分太陽溫度最高，D錯誤。
答案:BC
3.(多選)關于“能量量子化”,下列說法正確的是(　　)
A.認為帶電微粒輻射或吸收能量時,是一份一份的
B.認為能量值是連續的
C.認為微觀粒子的能量是量子化的、連續的
D.認為微觀粒子的能量是分立的
解析:普朗克的理論認為帶電微粒輻射或吸收能量時,是一份一份的,微觀粒子的能量是量子化的,是分立的,A、D正確,B、C錯誤。
答案:AD
4.氫原子從能級m躍遷到能級n時輻射紅光的頻率為ν1,從能級n躍遷到能級k時吸收紫光的頻率為ν2,已知普朗克常量為h,若氫原子從能級k躍遷到能級m,則(　　)
A.吸收光子的能量為hν1+hν2
B.輻射光子的能量為hν1+hν2
C.吸收光子的能量為hν2-hν1
D.輻射光子的能量為hν2-hν1
解析:由題意可知Em-En=hν1,Ek-En=hν2。因為紫光的頻率大于紅光的頻率,所以ν2>ν1,即k能級的能量大于m能級的能量,氫原子從能級k躍遷到能級m時向外輻射能量,其值為Ek-Em=hν2-hν1,D正確。
答案:D
課堂小結
謝謝大家

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