人教版高中物理新教材同步講義 必修第三冊(cè) 第13章　5　能量量子化（含解析）

5能量量子化[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解熱輻射和黑體的概念.2.初步了解微觀世界的量子化特征，知道普朗克常量.3.了解原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)．一、熱輻射1．概念：一切物體都在輻射電磁波，且這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫熱輻射．2．特點(diǎn)：溫度升高時(shí)，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越強(qiáng)．3．黑體：能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射．二、能量子1．概念：振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，這個(gè)最小的能量值ε叫能量子．2．大?。害牛絟ν，其中h＝6.63×10－34J·s.3．愛因斯坦光子說(shuō)：光是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成，能量大小為hν，光的能量子稱為光子．三、能級(jí)1．原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能級(jí)．2．原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出光子，光子的能量等于前后兩個(gè)能級(jí)之差．判斷下列說(shuō)法的正誤．(1)紅外線的顯著作用是熱作用，溫度較低的物體不能輻射紅外線．(×)(2)黑體一定是黑色的．(×)(3)熱輻射只能產(chǎn)生于高溫物體．(×)(4)當(dāng)原子從能量較高的能態(tài)躍遷到能量較低的能態(tài)時(shí)，會(huì)放出任意能量的光子．(×)一、熱輻射和黑體輻射1．黑體實(shí)際上是不存在的，只是一種理想情況．2．黑體不一定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見光非常微弱時(shí)看上去才是黑的；有些可看成黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來(lái)還會(huì)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(guī)律最為簡(jiǎn)單，黑體輻射強(qiáng)度只與溫度有關(guān)．4．一般物體和黑體的熱輻射、反射、吸收的特點(diǎn)熱輻射不一定需要高溫，任何溫度都能發(fā)生熱輻射，只是溫度低時(shí)輻射弱，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)．在一定溫度下，不同物體所輻射的光譜的成分有顯著不同．熱輻射特點(diǎn)吸收、反射的特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，與材料的種類、表面狀況有關(guān)既吸收又反射，其能力與材料的種類及入射波的波長(zhǎng)等因素有關(guān)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)完全吸收各種入射電磁波，不反射例1(多選)下列敘述正確的是()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(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)D．黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波答案ACD解析根據(jù)熱輻射定義知，A正確；根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知，一般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、表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)，B錯(cuò)誤，C正確；根據(jù)黑體定義知，D正確．例2(多選)關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)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(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)D．如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體答案BD解析黑體能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，并且不會(huì)有任何的反射與透射，這樣的物體稱為黑體，但不一定是黑色的，故A錯(cuò)誤；黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與材料種類及表面狀況無(wú)關(guān)，故C錯(cuò)誤，B正確；如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，就相當(dāng)于吸收了所有電磁波，因此空腔成了一個(gè)黑體，故D正確．二、能量子1．普朗克的能量子概念(1)能量子：普朗克認(rèn)為微觀世界中帶電粒子的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，當(dāng)帶電粒子輻射或吸收能量時(shí)，也只能以這個(gè)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(shí)驗(yàn)測(cè)得h＝6.63×10－34J·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(xù)變化，只能取分立值，這種現(xiàn)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(nèi)取值是不連續(xù)的．2．愛因斯坦的光子說(shuō)光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)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的光子的能量為ε＝hν.例3(多選)(2021·江蘇南通中學(xué)期中)對(duì)于帶電微粒在輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說(shuō)法正確的是()A．以某一個(gè)最小能量值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(shù)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答案ABD解析根據(jù)普朗克能量子假說(shuō)，帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，能量的輻射、吸收要一份份地進(jìn)行，故選A、B、D.例4(多選)(2021·西安一中月考)某光源放出波長(zhǎng)為500～600nm的各種光子，若已知該光A．2.0×1015 B．3.0×1015C．2.6×1015 D．1.5×1015答案BC解析每秒內(nèi)該光源發(fā)光的能量E光源＝Pt＝1×10－3J，而波長(zhǎng)為λ的光子的能量為E光子＝eq\f(hc,λ)，則每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)為n＝eq\f(E光源,E光子)＝eq\f(E光源λ,hc)，代入數(shù)值，得2.5×1015<n≤3.0×1015，故選B、C.三、能級(jí)1．能級(jí)原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級(jí)．2．能級(jí)之間的躍遷處于低能級(jí)的原子受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊，有可能躍遷到較高的能量狀態(tài)，處于高能級(jí)的原子是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地向能量較低的能級(jí)躍遷，放出光子．拓展延伸①能級(jí)越低，原子越穩(wěn)定．②除受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊外，當(dāng)吸收一定大小的光子的能量(等于躍遷前后的兩能級(jí)之差)時(shí)，原子也能躍遷到高能級(jí)．3．原子的發(fā)射光譜(1)光譜特征如圖所示是氦原子的光譜，原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線．(2)光譜分立的原因原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量，等于前后兩個(gè)能級(jí)之差，因?yàn)樵拥哪芗?jí)是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的．例5(多選)下列說(shuō)法正確的是()A．原子的能量是連續(xù)的，原子的能量從某一能量值變?yōu)榱硪荒芰恐?，可以連續(xù)變化B．原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)放出光子C．原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)放出光子，且光子的能量等于前后兩個(gè)能級(jí)之差D．由于能級(jí)的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線答案CD解析原子的能量是量子化的，原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)向外放出光子．光子的能量hν＝E初－E末，由于原子的能級(jí)是分立的，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線，故C、D正確．針對(duì)訓(xùn)練(多選)關(guān)于原子的能級(jí)躍遷，下列說(shuō)法正確的是()A．原子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末兩個(gè)能級(jí)的能量差B．原子不能從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷C．原子吸收光子后從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，放出光子后從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)D．原子躍遷時(shí)無(wú)論是吸收光子還是放出光子，光子的能量都等于始、末兩個(gè)能級(jí)的能量差的絕對(duì)值答案CD考點(diǎn)一熱輻射和黑體輻射1．黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)分布的影響因素是()A．溫度 B．材料C．表面狀況 D．以上都正確答案A解析黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，故選項(xiàng)A正確，B、C、D錯(cuò)誤．2．關(guān)于熱輻射的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)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(qiáng)C．輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況只與物體的溫度有關(guān)，與材料種類及表面狀況無(wú)關(guān)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答案B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(qiáng)，A錯(cuò)誤，B正確；選項(xiàng)C是黑體輻射的特性，C錯(cuò)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(cuò)誤．3．(多選)下列說(shuō)法正確的是()A．物體在某一溫度下只能輻射某一固定波長(zhǎng)的電磁波B．當(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時(shí)，說(shuō)明它的溫度不太高C．當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)赤紅色，說(shuō)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(yáng)呈現(xiàn)紅色，而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色，說(shuō)明中午時(shí)分太陽(yáng)溫度最高答案BC解析物體在某一溫度下能輻射不同波長(zhǎng)的電磁波，A錯(cuò)誤；鐵塊呈現(xiàn)黑色，是由于它的輻射強(qiáng)度的極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)段在紅外部分，甚至波長(zhǎng)更長(zhǎng)，說(shuō)明它的溫度不太高，當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)鐵塊呈現(xiàn)赤紅色，說(shuō)明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng)，故B、C正確；太陽(yáng)早、晚時(shí)分呈現(xiàn)紅色，而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色，是大氣吸收與反射了部分光的原因，不能說(shuō)明中午時(shí)分太陽(yáng)溫度最高，D錯(cuò)誤．考點(diǎn)二能量子4．普朗克在1900年將“能量子”引入物理學(xué)，開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元．在下列宏觀概念中，具有“量子化”特征的是()A．人的個(gè)數(shù) B．物體所受的重力C．物體的動(dòng)能 D．物體的長(zhǎng)度答案A解析依據(jù)普朗克量子化觀點(diǎn)，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(xiàng)，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤．5．下列有關(guān)光子的說(shuō)法不正確的是()A．在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個(gè)光子B．光子是具有質(zhì)量、能量和體積的實(shí)物微粒C．光子的能量跟它的頻率有關(guān)D．紫光光子的能量比紅光光子的能量大答案B解析光是在空間傳播的電磁波，是不連續(xù)的，是一份一份的能量，每一份叫作一個(gè)光子，A正確；光子沒有靜止質(zhì)量，也沒有具體的體積，B錯(cuò)誤；根據(jù)E＝hν可知光子的能量與光子的頻率有關(guān)，紫光的頻率大于紅光的頻率，所以紫光光子的能量比紅光光子的能量大，C、D正確．6．(多選)(2021·重慶一中期中)下列說(shuō)法正確的是()A．微觀粒子的能量變化是跳躍式的B．能量子與電磁波的頻率成正比C．紅光的能量子比綠光的大D．電磁波波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其能量子越大答案AB解析微觀粒子的能量變化是跳躍式的，選項(xiàng)A正確；由ε＝hν可知，能量子與電磁波的頻率成正比，選項(xiàng)B正確；紅光的頻率比綠光的小，由ε＝hν可知，紅光的能量子比綠光的小，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電磁波波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其頻率越小，能量子越小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．7．(2021·湖北武昌實(shí)驗(yàn)中學(xué)期中)某激光器能發(fā)射波長(zhǎng)為λ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)射的光子數(shù)為()A.eq\f(λP,hc)B.eq\f(hP,λc)C.eq\f(cPλ,h)D．λPhc答案A解析每個(gè)光子的能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ)，激光器每秒發(fā)射的總能量為P，則激光器每秒發(fā)射的光子數(shù)n＝eq\f(P,ε)＝eq\f(λP,hc).故選A.考點(diǎn)三能級(jí)8．一個(gè)氫原子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)．該氫原子()A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量減少C．吸收光子，能量增加D．吸收光子，能量減少答案B解析由原子的能級(jí)躍遷規(guī)律知，氫原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，輻射一定頻率的光子，氫原子能量減少，光子的能量由這兩個(gè)能級(jí)的能量差決定．故選B.9．(多選)(2021·銀川一中期中)下列關(guān)于氦原子光譜和能級(jí)的說(shuō)法正確的是()A．氦原子光譜中的亮線是由于氦原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)釋放出光子形成的B．氦原子光譜不是連續(xù)的，是一些分立的亮線，說(shuō)明了氦原子的能級(jí)是量子化的C．原子能量越高原子越穩(wěn)定D．原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷會(huì)放出光子，光子能量等于兩個(gè)能級(jí)之差答案ABD10．(2021·海南中學(xué)期中)一盞電燈發(fā)光功率為100W，假設(shè)它發(fā)出的光向四周均勻輻射，光的平均波長(zhǎng)λ＝6.0×10－7m，光速c＝3×108m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，在距電燈10m遠(yuǎn)處，以電燈為球心的球面上，1m2的面積每秒通過(guò)的光子數(shù)約為()A．2×1017個(gè) B．2×1016個(gè)C．2×1015個(gè) D．2×1023個(gè)答案A解析功率為100W的電燈每秒產(chǎn)生光能E＝100J，設(shè)電燈每秒發(fā)射的能量子數(shù)為n，E＝nhν＝nheq\f(c,λ)，在以電燈為球心的半徑為10m的球面上，1m2的面積每秒通過(guò)的能量子數(shù)n′＝eq\f(Eλ,4πR2hc)≈2.4×1017個(gè)．故選A.11．(2021·天津市南開中學(xué)期中)人眼對(duì)綠光最為敏感，正常人的眼睛接收到波長(zhǎng)為530nm的綠光時(shí)，只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺．普朗克常量為6.63×10－34J·s，光速為3.0×108m/s，則人眼能察覺到綠光時(shí)所接收到的最小功率是()A．2.3×10－18W B．3.8×10－19WC．7.0×10－10W D．1.2×10－18W答案A解析因每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，所以察覺到綠光所接收到的最小功率P＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，又因?yàn)棣牛絟