高中物理人教版選修3-5課件第十七章1能量量子化

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能量量子化課標闡釋思維脈絡1.知道熱輻射、黑體和黑體輻射的概念,知道黑體輻射的實驗規(guī)律2.知道普朗克提出的能量子假說

一、黑體與黑體輻射1.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,所以叫做熱輻射。2.黑體: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,這種物體就是絕對黑體,簡稱黑體。3.一般材料的物體的輻射規(guī)律:除與溫度有關外,還與材料的種類及表面狀況有關。必備知識

4.黑體輻射的實驗規(guī)律:黑體輻射電磁波的強度按波長的分布與黑體的溫度有關,如圖所示。(1)隨著溫度的升高,各種波長的輻射強度都增加。(2)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。黑體輻射的實驗規(guī)律

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ε的整數(shù)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ε叫做能量子。2.能量子大小:ε=hν,其中ν是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。h=6.626×10-34J·s(一般取h=6.63×10-34J·s)。3.能量的量子化:在微觀世界中能量是量子化的,或者說微觀粒子的能量是分立的。自我檢測

1.思考辨析。(1)熱的物體向外輻射電磁波,冷的物體只吸收電磁波。

(

)解析:任何物體在任何溫度下都會發(fā)生熱輻射,這是由于物體中分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。答案:×(2)黑體只吸收電磁波,不反射電磁波,看上去是黑的。

(

)解析:由于黑體自身輻射電磁波,所以看上去不一定是黑的。答案:×(3)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,與材料的種類及表面狀況無關。

(

)解析: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,與其他因素無關。答案:√2.探究討論。(1)黑體是理想化的物理模型,那么現(xiàn)實中可以近似看作黑體的都必須一定是黑色的物體嗎?答案:黑體是理想化的物理模型,但并不是只有看上去是黑色的物體才能被近似當成黑體,有些可以看作黑體的物體由于自身有較強的輻射,看起來還會很明亮,如煉鋼爐口上的小口。(2)在火爐旁邊有什么感覺?投入爐中的鐵塊顏色怎樣變化?說明了什么問題?答案:在火爐旁會感到熱,這是由于火爐不斷地向外輻射能量。投入爐中的鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色,直至成為黃白色,這表明同一物體熱輻射的強度與溫度有關。探究一探究二黑體與黑體輻射問題探究1.煤煙很接近黑體,其吸收率為99%,即投射到煤煙的輻射能量幾乎全部被吸收,把一定量的煤煙置于陽光下照射,問它的溫度是否一直在上升?要點提示:不會,因為隨著能量不斷吸收,還伴隨著能量的輻射,最終將趨于平衡。探究一探究二2.很多地方用紅外熱像儀監(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,你知道其中的道理嗎?要點提示:根據(jù)熱輻射規(guī)律可知,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。因此通過監(jiān)測被測者輻射的紅外線的情況就知道這個人的體溫。探究一探究二名師精講對黑體和黑體輻射的理解

(1)對黑體的理解:絕對的黑體實際上是不存在的,但可以用某裝置近似地代替。如圖所示,如果在一個空腔壁上開一個小孔,那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)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。(2)對黑體輻射的理解:任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的本領。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的,也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關,因而被稱為熱輻射。探究一探究二(3)一般物體與黑體的比較

項目熱輻射特點吸收、反射特點一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關,與材料的種類及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長等因素有關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完全吸收各種入射電磁波,不反射探究一探究二(4)對熱輻射的理解①在任何溫度下,任何物體都會發(fā)射電磁波,并且其輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同,這是熱輻射的一種特性。在室溫下,大多數(shù)物體輻射的是不能引起視覺的波長較長的電磁波——紅外光。很多物體被加熱到500℃左右時,開始發(fā)出暗紅色的可見光。隨著溫度的不斷上升,物體逐漸亮起來,而且熱輻射中較短波長的成分越來越多,即能引起視覺的電磁波越來越多,大約在1500℃時變成明亮的白熾光。這說明同一物體在一定溫度下所輻射的能量在不同光譜區(qū)域的分布是不均勻的,而且溫度越高光譜中與能量最大的輻射相對應的頻率也越高。探究一探究二黑體是理想化的物理模型,對入射電磁波只吸收不反射。②在一定溫度下,不同物體所輻射的光譜成分有顯著的不同。例如,將鋼加熱到約800℃時,就可觀察到明亮的紅色光,但在同一溫度下,熔化的水晶卻不輻射可見光。探究一探究二典例剖析【例題1】

對黑體的認識,下列說法正確的是(

)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度按波長的分布除與黑體的溫度有關外,還與材料的種類及表面狀況有關C.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,與材料的種類及表面狀況無關D.如果在一個空腔壁上開一個很小的孔,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,這個空腔就成了一個黑體探究一探究二解析:由于黑體自身輻射電磁波,所以看上去不一定是黑的,所以選項A錯誤;由于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,所以選項B錯誤,選項C正確;小孔只吸收電磁波,不反射電磁波,因此是小孔成了一個黑體,而不是空腔成了一個黑體,所以選項D錯誤。答案:C規(guī)律總結要把握黑體的含義,即黑體完全吸收電磁波而不反射電磁波,同時本身也輻射電磁波,因而黑體并不一定是黑的。要理解黑體輻射的特點,即黑體輻射的電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關,與其他因素無關。探究一探究二變式訓練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(jù)熱輻射的定義知,選項A正確;根據(jù)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,而黑體輻射只與黑體的溫度有關,故選項B錯誤,選項C正確;根據(jù)黑體的定義知選項D正確。答案:ACD探究一探究二對能量子的認識問題探究1.德國物理學家普朗克對黑體輻射問題進行了系統(tǒng)的理論研究,于1900年推導出了普朗克公式。德國物理學家魯本斯把它與實驗數(shù)據(jù)進行了比較,發(fā)現(xiàn)與實驗結果“令人滿意地相符”。但所有推導都是建立在一個最重要的假設基礎之上,這個假設是什么呢?要點提示:能量量子化假設。探究一探究二2.普朗克的能量量子化的觀點與宏觀世界中我們對能量的認識有什么不同?要點提示:宏觀世界中我們認為能量是連續(xù)變化的,普朗克的“能量子”觀點則認為能量是一份一份的,每一份是一個最小能量單位,即能量不是連續(xù)的。宏觀世界中我們認為能量是連續(xù)變化的是因為每一個能量子的能量都很小,宏觀變化中有大量的能量子,就可以看作是連續(xù)的。而研究微觀粒子時,單個的能量子能量就顯示出不連續(xù)性。探究一探究二名師精講1.普朗克的量子化假設(1)能量子: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……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ε叫作能量子。(2)能量子公式:ε=hνν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h=6.63×10-34J·s。(3)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。探究一探究二2.在宏觀尺度內(nèi)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。

物體在發(fā)射或接收能量的時候,只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過渡到另一狀態(tài),而不可能停留在不符合這些能量的任何一個中間狀態(tài)。探究一探究二典例剖析【例題2】光是一種電磁波,可見光的波長的大致范圍是400~700nm。求400nm、700nm電磁輻射的能量子的值各是多少?【思考問題】

求解本題的關鍵是什么?提示:根據(jù)已知條件求每一個能量子的能量。答案:4.97×10-19J

2.84×10-19

J規(guī)律總結這類習題數(shù)量級比較大,注意運算當中提高運算準確率。探究一探究二變式訓練2(多選)對于帶電微粒的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解析:帶電微粒的輻射和吸收能量時是以最小能量值——能量子ε的整數(shù)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,選項C錯誤。答案:ABD1231.(多選)下列關于黑體輻射的實驗規(guī)律敘述正確的是(

)A.隨著溫度的升高,各種波長的輻射強度都有所增加B.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C.黑體熱輻射的強度與波長無關D.黑體輻射無任何規(guī)律解析:黑體輻射的規(guī)律為隨著溫度的升高各種波長的輻射強度都增加,同時輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。故A、B對。答案:AB1232.二氧化碳能強烈吸收紅外長波輻射,這種長波輻射的波長范圍約是1.4×10-3~1.6×10-3m,相應的頻率范圍是

,相應的光子能量的范圍是

。(已知普朗克常量h=6.6×10-34J·s,真空中的光速c=3.0×108m/s。結果取兩位有效數(shù)字)

解析:由c=λν得

。則求得頻率范圍為1.9×1011~2.1×1011

Hz。又由ε=hν得能量范圍為1.3×10-22~1.4×10-22

J。答案:1.9×1011~2.1×1011

Hz

1.3×10-