13.5能量量子化（教學(xué)課件+課后練習(xí)）高二物理同步備課系列（人教版2019必修第三冊）

第5節(jié)

能量量子化第十三章

人教版

高中物理必修三熱輻射01能量子02能級03總結(jié)提升0419世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律——能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中，他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。課堂引入于是，1900年，在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上,著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言:“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！薄_爾文

但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云.”課堂引入黑體輻射實(shí)驗(yàn)

后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。黑體輻射實(shí)驗(yàn)光的速度兩朵烏云01而關(guān)于黑體輻射的問題正是我們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。把鐵塊投進(jìn)火爐中，剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的升高，鐵塊會慢慢變紅，開始發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)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？問題與思考02熱輻射PART01

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(guān)，所以叫作熱輻射。物體在室溫時(shí)，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(dāng)溫度升高時(shí)，熱輻射中波長較短的成分越來越強(qiáng)。

隨著溫度的升高，鐵塊從發(fā)熱，再到發(fā)光，鐵塊的顏色也不斷發(fā)生變化。熱輻射01

常溫下我們看到不發(fā)光的物體顏色就是物體表面反射光所致。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(fā)生反射，會怎樣？

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。提出問題02思考與討論

一座建設(shè)中樓房還沒有安裝窗子，盡管室內(nèi)已粉刷，如果從遠(yuǎn)處觀察，把窗內(nèi)的亮度與樓外墻的亮度相比，你會發(fā)現(xiàn)什么？為什么？

黑體：如果某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，這物體稱為黑體。近似黑體

研究黑體輻射是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。黑體輻射只與溫度有關(guān)。黑體03黑體輻射：對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。黑體輻射實(shí)驗(yàn)：隨著溫度的升高各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動。012341700K1500K1300K1100K輻射強(qiáng)度黑體輻射04實(shí)驗(yàn)瑞利線維恩線維恩的半經(jīng)驗(yàn)公式：短波符合，長波不符合。2.瑞利—金斯公式波符合，短波荒唐。

——紫外災(zāi)難為了得出同實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，德國物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試。黑體輻射理論解釋05能量子PART021900年底，普朗克作出了這樣的大膽假設(shè)：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的大小為

是電磁波的頻率，h是一個常量，后人稱之為普朗克常量，其值為微觀宏觀連續(xù)分立的，量子化能量子01宏觀世界的連續(xù)性

借助于能量子的假說，普朗克得出的黑體輻射的強(qiáng)度按波長的分布公式，與實(shí)驗(yàn)符合的非常好。

能量子的觀點(diǎn)與宏觀世界中我們對能量的認(rèn)識有很大不同，例如，一個宏觀的單擺，小球在擺動的過程中，受到摩擦阻力的作用，能量不斷減小，能量的變化是連續(xù)的。而普朗克的假設(shè)則認(rèn)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。能量子01普朗克的能量子假設(shè),使人類對微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識,對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。成為物理學(xué)發(fā)展史上一個重大轉(zhuǎn)折點(diǎn);普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征;不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對自然規(guī)律的認(rèn)識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。能量量子化假說的意義02

光本身就是一個個不可分割的能量子，后來被叫做光子，其能量為：

愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：愛因斯坦與光子03能級PART03

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能級（energylevel）。分立軌道1

2

3

4E4E3E2E1定態(tài)躍遷E4E3E2E1能級01

原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)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(fā)射光譜只有一些分立的亮線。氦原子光譜能級差02玻爾理論對氫光譜的解釋：玻爾從上述假設(shè)出發(fā)，利用經(jīng)典理論和量子理論結(jié)合，計(jì)算出了氫的電子的軌道半徑和對應(yīng)的能量值（能級）。氫原子能級-13.6-3.4-1.51-0.8504132∞nE/eV氫原子的能級03

20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。

核能的利用，計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的制造，激光技術(shù)等的應(yīng)用都離不開量子力學(xué)。是量子力學(xué)引領(lǐng)我們邁入了現(xiàn)代社會，讓我們享受到非富多彩的現(xiàn)代生活。量子力學(xué)與現(xiàn)代生活04宇宙浩瀚無垠，神秘莫測。古人通過肉眼觀察星空，繪制星圖。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明拓展了人類的視野，使人們對天體的了解更加清楚。聆聽宇宙05聆聽宇宙05黑體：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。一切物體都在輻射電磁波，輻射與物體的溫度有關(guān)。輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。熱輻射

ε叫能量子，簡稱量子，

能量是量子化的，只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。能量子

ε=hνh=6.626×10-34J/s?！绽士顺Ａ抗獗旧砭褪怯梢粋€個不可分割的能量子組成的這些能量子后來被叫作光子。原子能量的量子化能級課堂小結(jié)總結(jié)提升PART04【練習(xí)1】（多選）以下關(guān)于輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)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(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時(shí)，說明它的溫度不太高C．當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會呈現(xiàn)赤紅色，說明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng)D．早、晚時(shí)分太陽呈現(xiàn)紅色，而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色，說明中午時(shí)分太陽溫度最高【參考答案】BC課堂練習(xí)【練習(xí)2】（2022春·湖南常德·高二漢壽縣第一中學(xué)?？茧A段練習(xí)）如圖所示為黑體輻射的規(guī)律，由此圖象得到下列結(jié)論正確的是（）A．隨著溫度的降低，各種波長的輻射強(qiáng)度都增大B．隨著溫度的降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)D．黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長無關(guān)【參考答案】C課堂練習(xí)【練習(xí)3】（多選）對宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀的研究被譽(yù)為是宇宙學(xué)研究進(jìn)入精密科學(xué)時(shí)代的起點(diǎn)。下列與宇宙微波背景輻射的黑體譜相關(guān)的說法中正確的是（）A．微波是指波長在10-3m到10m之間的電磁波B．微波和聲波一樣都只能在介質(zhì)中傳播C．黑體的熱輻射實(shí)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【參考答案】ACD課堂練習(xí)【練習(xí)4】（2022春·遼寧朝陽·高二階段練習(xí)）2022年5月5日，我國成功利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了地球上1200公里間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，這次實(shí)驗(yàn)的成功，意味著我國在量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)領(lǐng)域向前邁出了重要的一步。下列關(guān)于量子化的說法正確的是（

）A．愛因斯坦首先提出了“能量子”的概念

B．物體的長度是量子化的C．對于宏觀帶電物體，其電荷量是量子化的 D．能量子與電磁波的頻率成反比【參考答案】C課堂練習(xí)【練習(xí)5】由中國健康發(fā)展研究中心發(fā)布《國民視覺健康報(bào)告》白皮書顯示，我國學(xué)生的近視患病率在逐年增加。課業(yè)負(fù)