2025年高中物理新教材同步 必修第三冊 第13章　5　能量量子化

5能量量子化[學習目標]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(難點)。3.了解原子的能級結構(重點)。一、熱輻射1．熱輻射(1)定義：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。(2)特點：當溫度升高時，熱輻射中波長較短的電磁波的成分越來越強。2．黑體定義：能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體。(2)特點①黑體不反射電磁波，但可以向外輻射電磁波。②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。說明：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；有些可看成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。例1(多選)關于對黑體的認識，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只與溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關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答案BD解析黑體能完全吸收入射的各種波長的電磁波，并且不會有任何的反射，但黑體不一定是黑色的，故A錯誤；黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與材料種類及表面狀況無關，故C錯誤，B正確；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，最終不能從空腔射出，就相當于吸收了所有電磁波，因此空腔成了一個黑體，故D正確。熱輻射特點吸收、反射的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、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的波長等因素有關黑體輻射電磁波的強弱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，不反射二、能量子1．概念：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，這個不可再分的最小的能量值ε叫作能量子。2．大?。害牛絟ν，其中普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。3．愛因斯坦光子說：光是由一個個不可分割的能量子組成，頻率為ν的光的能量子為hν，光的能量子稱為光子。說明：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。例2(2023·湖北省黃岡中學高二月考)關于能量量子化，下列說法正確的是()A．能量子假設最早是由愛因斯坦提出來的B．微觀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C．電磁波的波長越長，其能量子越大D．能量子假說與宏觀世界中對能量的認識相矛盾，因而它一定是錯誤的觀點答案B解析能量子假設最早是由普朗克提出的，故A錯誤；微觀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，故B正確；根據(jù)ε＝hν＝eq\f(hc,λ)可知，電磁波的波長越長，其能量子越小，故C錯誤；能量子假說與宏觀世界中對能量的認識相矛盾，但它的觀點是正確的，故D錯誤。例3可見光波長的大致范圍是400～760nm。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3×108m/s，則波長為400nm、760nm的可見光發(fā)生電磁輻射的能量子ε的值分別是多少？(結果保留3位有效數(shù)字)答案4.97×10－19J2.62×10－19J解析由能量子ε＝hν＝heq\f(c,λ)得，波長為400nm的可見光發(fā)生電磁輻射的能量子為ε1＝heq\f(c,λ1)＝eq\f(6.63×10－34×3×108,400×10－9)J≈4.97×10－19J波長為760nm的可見光發(fā)生電磁輻射的能量子為ε2＝heq\f(c,λ2)＝eq\f(6.63×10－34×3×108,760×10－9)J≈2.62×10－19J。三、能級1．能級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)，其他的狀態(tài)叫作激發(fā)態(tài)。2．能級之間的躍遷處于低能級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)，處于高能級的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地向能量較低的能級躍遷，放出光子。說明(1)能級越低，原子越穩(wěn)定。(2)除受到高速運動的電子的撞擊外，當吸收一定大小的光子的能量(等于躍遷前后的兩能級之差)時，原子也能從低能級躍遷到高能級。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)躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差，因為原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。例4一個氫原子從低能級躍遷到高能級，該氫原子()A．吸收光子，吸收光子的能量等于兩能級之差B．吸收光子，能量減少C．放出光子，能量增加D．放出光子，放出光子的能量等于兩能級之差答案A解析氫原子能級越高對應的能量越大，當氫原子從較低能級向較高能級躍遷時，吸收光子，能量增加，吸收光子的能量等于兩能級之差，故A正確，B、C、D錯誤。例5(多選)下列說法正確的是()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．原子從低能級向高能級躍遷時放出光子C．原子從高能級向低能級躍遷時放出光子，且光子的能量等于前后兩個能級之差D．由于能級的存在，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，原子從高能級向低能級躍遷時向外放出光子，放出的光子的能量等于前后兩個能級之差，由于能級的分立性，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。課時對點練[分值：60分]1～7題、9、10題每題5分，8題9分，共54分考點一熱輻射和黑體輻射1．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．以上都正確答案A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，故選項A正確，B、C、D錯誤。2．下列說法正確的是()A．只有溫度高的物體才會有熱輻射B．黑體只是從外界吸收能量，從不向外界輻射能量C．黑體可以看起來很明亮，是因為黑體可以反射電磁波D．一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料的種類和表面狀況有關答案D解析任何物體在任何溫度下都存在熱輻射，溫度越高輻射的能力越強，故A錯誤；能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫作黑體，黑體不反射電磁波，但可以向外輻射電磁波，有些黑體有較強的輻射，看起來也可以很明亮，故B、C錯誤；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，與構成黑體的材料、形狀及表面狀況無關，而一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料的種類和表面狀況有關，故D正確。3．(多選)下列說法正確的是()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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)紅色，而中午時分呈現(xiàn)白色，說明中午時分太陽溫度最高答案BC解析物體在某一溫度下能輻射不同波長的電磁波，A錯誤；鐵塊呈現(xiàn)黑色，是由于它的輻射強度的極大值對應的波長段在紅外部分，甚至波長更長，說明它的溫度不太高，當鐵塊的溫度較高時鐵塊呈現(xiàn)赤紅色，說明此時輻射的電磁波中該顏色的光強度最強，故B、C正確；太陽早、晚時分呈現(xiàn)紅色，而中午時分呈現(xiàn)白色，是大氣吸收與反射了部分光的原因，不能說明中午時分太陽溫度最高，D錯誤。4．生活中常利用紅外體溫計測量體溫，下列說法正確的是()A．當體溫超過37.3℃時人體才輻射紅外線B．當體溫超過周圍空氣溫度時人體才輻射紅外線C．紅外體溫計是依據(jù)體溫計發(fā)射紅外線來測體溫的D．紅外體溫計是依據(jù)人體溫度越高，輻射的紅外線強度越大來測體溫的答案D考點二能量子5．(多選)(2024·河南省新鄭中學高二調研)1900年德國物理學家普朗克在研究黑體輻射時提出了一個大膽的假說，即能量子假說，下列說法屬于能量子假說內(nèi)容的是()A．物質發(fā)射(或吸收)能量時，能量不是連續(xù)的，而是一份一份進行的B．能量子假說中將每一份能量單位，稱為“能量子”C．能量子假說中的能量子ε＝hν，ν為帶電微粒的振動頻率，h為普朗克常量D．能量子假說認為能量是連續(xù)的，是不可分割的答案ABC解析能量子假說認為，物質發(fā)射(或吸收)能量時，能量不是連續(xù)的，而是一份一份進行的，每一份能量單位，稱為“能量子”，能量子ε＝hν，ν為帶電微粒的振動頻率，h為普朗克常量，故A、B、C符合題意，D不符合題意。6．(多選)對于帶電微粒輻射和吸收能量時的特點，下列說法正確的是()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答案ABD解析帶電微粒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A、B、D正確，C錯誤。7．(2023·遼陽市高二期末)2022年的諾貝爾物理學獎同時授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩、美國物理學家約翰·克勞澤及奧地利物理學家安東·塞林格，以獎勵他們在量子糾纏、驗證違反貝爾不等式及量子信息科學方面所作出的杰出貢獻。現(xiàn)在量子化已開始進入我們的生活，下面哪些物理量是量子化的()A．一個可變電容器的電容B．一段導體的電阻C．一個物體的帶電荷量D．電場中兩點間的電勢差答案C解析所謂量子化就是指數(shù)據(jù)是分立的不連續(xù)的，即一份一份的。可變電容器的電容可以通過正對面積的連續(xù)變化實現(xiàn)連續(xù)變化，A錯誤；導體的電阻可通過長度的連續(xù)變化實現(xiàn)連續(xù)變化，B錯誤；物體的帶電荷量必須是元電荷的整數(shù)倍，是量子化的，C正確；電場中兩點的電勢差可以隨著位置的變化而連續(xù)變化，D錯誤。8．(9分)某裝置是高功率固體激光系統(tǒng)，利用它可獲得能量為2400J、波長λ為0.35μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108m/s，則該紫外激光所含光子數(shù)約為多少個？(結果保留2位有效數(shù)字)答案4.2×1021個解析每個激光光子的能量為ε＝heq\f(c,λ)該紫外激光中所含光子數(shù)為n＝eq\f(E,ε)代入數(shù)據(jù)可得n≈4.2×1021個?？键c三能級9．一個氫原子從較高能級躍遷到較低能級，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解析由原子的能級躍遷規(guī)律知，氫原子從高能級躍遷到低能級時，放出一定頻率的光子，氫原子能量減少，光子的能量由這兩個能級的能量差決定，故選B。10．(多選)(2023·寧夏銀川一中期中)下列關于氦原子光譜和能級的說法正確的是()A．氦原子光譜中的亮線是由于氦原子從高能級向低能級躍遷時釋放出光子形成的B．氦原子光譜不是連續(xù)的，是一些分立的亮線，說明了氦原子的能級是量子化的C．原子能量越高原子越穩(wěn)定D．氦原子從高能級向低能級