高中物理人教必修三第5節(jié) 能量量子化

1、第5節(jié)能量量子化核心素養(yǎng)物理觀念科學思維科學探究1.了解黑體輻射和能量子的概念。2.了解黑體輻射的實驗規(guī)律。3.知道能量子。4.了解能級、躍遷、能量量子化以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念。5.會計算原子躍遷時吸收或輻射光子的能量。1.了解黑體輻射、一般輻射的特點。2.理解能量量子化、軌道量子化，初步了解量子理論。1.探究黑體輻射的實驗規(guī)律。2.探究量子理論形成的原因。知識點一熱輻射觀圖助學曬太陽使身體變暖，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？1.熱輻射(1)定義：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，所以叫熱輻射。(2)特點：熱輻射強度按波長的分

2、布情況隨物體的溫度不同而有所不同。2.黑體(1)定義：某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就叫作黑體。(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溫度有關。思考判斷(1)熱輻射只能產生于高溫物體。()(2)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體。()(3)溫度越高，黑體輻射電磁波的強度越大。()(4)黑體是一種客觀存在的物質。()知識點二能量子1.定義：普朗克認為，振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數倍，當帶電微粒輻射或吸收能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的，這個不可再分的最小能量值叫作能量子。2.能量子大小：

3、h，其中是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量。h6.6261034 Js(一般取h6.631034 Js)。3.能量的量子化：普朗克的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不連續(xù)(分立)的。愛因斯坦把能量子假設進行了推廣，認為電磁場本身就是不連續(xù)的，光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為的光的能量子為h，h為普朗克常量。這些能量子后來被叫作光子。思考判斷(1)微觀粒子的能量只能是能量子的整數倍。()(2)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比。()知識點三能級1.能級：微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫作

4、能級。2.能級躍遷：通常情況下，原子處于能量最低的狀態(tài)，這是最穩(wěn)定的。氣體放電管中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(tài)。這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地向能量較低的能級躍遷，放出光子。原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差。思考判斷(1)處于基態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地向其他能級躍遷，放出光子。()(2)不同的原子具有相同的能級，原子躍遷時輻射的光子頻率是相同的。()熱輻射的波長與溫度有關，波長與顏色有關。鐵塊在火爐中的顏色隨溫度的升高而變化。依次是暗紅、赤紅、橘紅、黃白。黑體是理想化的模型。由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分

5、立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。核心要點 對熱輻射、黑體和黑體輻射的理解觀察探究如圖所示，一個閉合的空腔，在空腔表面開一個小孔，小孔就可以模擬一個黑體，觀察從外面射來的電磁波的傳播情況，思考：什么是黑體？答案經小孔射入空腔，要在腔壁上經過多次反射，在多次反射過程中，外面射來的電磁波幾乎全部被腔壁吸收，最終不能從空腔射出。這個閉合的空腔類似于黑體，黑體實際上是不存在的，只是一種理想模型。探究歸納1.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，如煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也被當作黑

6、體來處理。2.黑體同其他物體一樣也在輻射電磁波，黑體的輻射規(guī)律最為簡單，黑體輻射強度只與溫度有關。試題案例例1 近年來軍事行動中，士兵都配戴“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(fā)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。故只有B正確。答案B針對訓練1 (多選)下列敘述正確的是()A.一切物體都在輻射電磁

7、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正確；根據熱輻射和黑體輻射的特點知一般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，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關，B錯誤，C正確；根據黑體定義知D正確。答案ACD核心要點 對能量子的理解觀察探究某激光器能發(fā)射波長為的激光，那么激光能量子的能量可以取任意值嗎？是連續(xù)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(fā)射功率為P，那么每秒鐘發(fā)射多少個能量子？答案能量子的能量不是

8、連續(xù)的，而是一份一份的。heq f(c,)。個數neq f(P,)eq f(P,hc)。探究歸納1.意義：可以非常合理地解釋某些電磁波的輻射和吸收的實驗現象。2.量子化現象：在微觀世界中物理量分立取值的現象稱為量子化現象。3.光子的能量與入射光的強度光子的能量即一個光子的能量，其值為h(為光子的頻率)，可見光子的能量由光的頻率決定。入射光的強度指單位時間內照射到單位面積上的總能量，等于光子能量h與入射光子數n的乘積，即光強等于nh。4.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(xù)的，能量變化是連續(xù)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。試題案例例2 (多選)關于對

9、能量子的認識，下列說法正確的是()A.振動著的帶電微粒的能量只能是某一能量值B.帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數倍C.能量子與電磁波的頻率成正比D.這一假說與現實世界相矛盾，因而是錯誤的解析由普朗克能量子假說可知帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數倍，A錯誤，B正確；最小能量值h，C正確；能量子假說反映的是微觀世界的特征，不同于宏觀世界，并不是與現實世界相矛盾，故D錯誤。答案BC例3 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6.631034 Js，光速為3.0108 m/s，

10、則人眼能察覺到綠光時所接收到的最小功率是()A.2.31018 W B.3.81019 WC.7.01010 W D.1.21018 W思路點撥c光的頻率eq o(,sup7(h)能量子的能量eq o(,sup7(EPt)每秒內發(fā)射能量子的總能量eq o(,sup7(En)能量子的個數。解析因只要每秒有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Peq f(E,t)，式中E6 ，又hheq f(c,)，可解得Peq f(66.6310343108,530109) W2.31018 W。答案A方法總結解決此類題目的關鍵是熟練掌握h和c及EPtn等關系式。針對訓練2 硅光電

11、池是將光輻射的能量轉化為電能。若有N個波長為0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.heq f(c,0) B.Nheq f(c,0)C.Nh0 D.2Nh0解析一個光子的能量hheq f(c,0)，則N個光子的總能量ENheq f(c,0)，選項B正確。答案B針對訓練3 神光“”裝置是我國規(guī)模最大、國際上為數不多的高功率固體激光系統(tǒng)，利用它可獲得能量為2400 J、波長為0.35 m的紫外激光，已知普朗克常量h6.631034 Js，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heq f(c,)，該紫外激光中所含

12、光子數為neq f(E,)eq f(2 400,6.631034f(3.0108,0.35106)個4.21021個。答案4.21021個核心要點 對能級及能級躍遷的理解要點歸納1.當電子在不同軌道上運動時，原子處于不同的狀態(tài)，原子在不同的狀態(tài)中具有不同的能量，即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(wěn)定狀態(tài)，稱為定態(tài)。能量最低的狀態(tài)叫作基態(tài)，其他的能量狀態(tài)叫作激發(fā)態(tài)。2.處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會自發(fā)地向較低能級躍遷，經過一次或幾次躍遷到達基態(tài)。當原子從能量較高的定態(tài)(其能量記為Em)躍遷到能量較低的定態(tài)(其能量記為En，mn)時，會放出能量為h的光子，該

13、光子的能量hEmEn，能級差越大，放出光子的頻率就越高。試題案例例4 氫原子基態(tài)的能量為E113.6 eV。大量氫原子處于某一激發(fā)態(tài)。由這些氫原子可能發(fā)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(fā)態(tài)能量為_eV(保留2位有效數字)。解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En0.54 eV。答案0.541.(對熱輻射的理解)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

14、.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，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；常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色，故B正確，A、C、D錯誤。答案B2.(對黑體輻射規(guī)律的理解)(多選)以下關于輻射強度與波長的關系的說法中正確的是()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.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

15、解析由輻射強度隨波長變化關系圖知：隨著溫度的升高各種波長的波的輻射強度都增加，而熱輻射不是僅輻射一種波長的電磁波。故B、C項正確。答案BC3.(對能量子的理解及h的應用)(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(xù)的C.認為微觀粒子的能量是量子化的、連續(xù)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，故A、D正確，B、C錯誤。答案AD4.(對能級躍遷的理解)氫原子從能級m躍遷到能級n時輻射紅光的頻率為1，從能級n躍遷到能級k時吸收紫光的頻率為2，

16、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h1h2B.輻射光子的能量為h1h2C.吸收光子的能量為h2h1D.輻射光子的能量為h2h1解析由題意可知：EmEnh1，EkEnh2。因為紫光的頻率大于紅光的頻率，所以21，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EkEmh2h1，故只有D項正確。答案D5.(對能量量子化理解及h的應用)紅寶石激光器發(fā)射的激光是不連續(xù)的一道道的閃光，每道閃光稱為一個脈沖?，F有一紅寶石激光器，發(fā)射功率為P1.0106 W，所發(fā)射的光脈沖持續(xù)時間t1.01011 s，波長為693.4 nm(1 nm

17、109 m)，求：(1)每個光脈沖的長度；(2)每個光脈沖含有的光子數。(已知h6.631034 Js，結果保留2位有效數字)解析(1)光脈沖的長度即光在一個脈沖時間內傳播的距離，根據sct可知每個光脈沖的長度sct31081.01011 m3.0103 m。(2)根據EPt可知每個光脈沖含有的能量為E1.01061.01011 J105 J而每個光子的能量hheq f(c,)故每個光脈沖含有的光子數neq f(E,)3.51013個。答案(1)3.0103 m(2)3.51013個基礎過關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.以上都正確解析影響黑體

18、輻射電磁波的波長分布的因素是溫度，故選項A正確，B、C、D錯誤。答案A2.能正確解釋黑體輻射實驗規(guī)律的是（）A.能量的連續(xù)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根據黑體輻射的實驗規(guī)律，隨著溫度的升高，一方面各種波長的輻射強度都增加；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，A、C、D錯誤。答案B3.“非典”期間，很多地方用紅外線熱像儀監(jiān)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，關于其中原理，下列說法正確的是（）A.人的體溫會影響周圍空氣溫度，儀

19、器通過測量空氣溫度便可知道人的體溫B.儀器發(fā)出的紅外線遇人反射，反射情況與被測者的溫度有關C.被測者會輻射紅外線，輻射強度以及按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D.被測者會輻射紅外線，輻射強度以及按波長的分布情況與溫度有關，溫度高時輻射強且較長波長的成分強解析根據輻射規(guī)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。人的體溫的高低，直接決定了這個人輻射的紅外線的頻率和強度，通過監(jiān)測被測者輻射的紅外線的情況就可知道這個人的體溫，C正確，A、B、D錯誤。答案C4.普朗克在1900年將“能量子”引入物理學，開創(chuàng)了物理學

20、的新紀元。在下列宏觀概念中，具有“量子化”特征的是（）A.人的個數 B.物體所受的重力C.物體的動能 D.物體的長度解析依據普朗克量子化觀點，能量是不連續(xù)的，是一份一份地變化的，屬于“不連續(xù)的，一份一份”的概念的是A選項，故A正確，B、C、D錯誤。答案A5.某激光器能發(fā)射波長為的激光，發(fā)射功率為P，c表示光速，h為普朗克常量，則激光器每秒發(fā)射的光量子數為（）A.eq f(P,hc) B.eq f(hP,c) C.eq f(cP,h) D.Phc解析每個光量子的能量heq f(hc,)，每秒鐘發(fā)射的總能量為P，則neq f(Pt,)eq f(P,hc)，故A正確，B、C、D錯誤。答案A6.（多選

21、）對于帶電微粒輻射和吸收能量時的特點，以下說法正確的是（）A.以某一個最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收B.輻射和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(xù)的D.輻射和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的整數倍一份一份地輻射或吸收的，是不連續(xù)的，故選項A、B、D正確，C錯誤。答案ABD7.（多選）光子的發(fā)射和吸收過程是（）A.原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末兩個能級的能量差B.原子不能從低能級向高能級躍遷C.原子吸收光子后從低能級躍遷到高能級，放出光子后從較高能級躍遷到較低能級D.原子無論是吸收光子還是放出光子，吸

22、收的光子或放出的光子的能量恒等于始、末兩個能級的能量差值解析原子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，可自發(fā)地向低能級發(fā)生躍遷，以光子的形式放出能量，光子的吸收是光子發(fā)射的逆過程，原子在吸收光子后，會從較低能級向較高能級躍遷，但不管是吸收光子還是發(fā)射光子，光子的能量總等于兩能級之差，即hEmEn（mn），故選項A、B錯誤，C、D正確。答案CD8.能引起人的眼睛視覺效應的最小能量為1018 J，已知可見光的平均波長為0.6 m，普朗克常量h6.631034 Js，恰能引起人眼的感覺，進入人眼的光子數至少為（）A.1個 B.3個 C.30個 D.300個解析每個光子的能量為E0heq f(c,)，能引起人的眼睛視覺效

23、應的最小能量E為1018 J，由EnE0得能引起人眼的感覺，進入人眼的光子數至少為neq f(E,E0)eq f(E,hc)eq f(10186107,6.6310343108)個3個。故選B。答案B能力提升9.（多選）黑體輻射的實驗規(guī)律如圖所示，由圖可知（）A.隨溫度升高，各種波長的輻射強度都增加B.隨溫度降低，各種波長的輻射強度都增加C.隨溫度升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動D.隨溫度降低，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動解析由題圖可知，隨溫度升高，各種波長的輻射強度都增加，且輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，當溫度降低時，上述變化都將反過來，故A、C、D正確，B錯誤。答案ACD10.在自然界生態(tài)系統(tǒng)中，蛇與老鼠和其他生物通過營養(yǎng)關系構成食物鏈，在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用。蛇是老鼠的天敵，它是通過接收熱輻射來發(fā)現老鼠的。假設老鼠的體溫