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5　能量量子化
定位·学习目标
1.通过学习热辐射、能量子和能级的概念,培养物理观念。
2.体会能量子提出的过程,培养献身科学的时代精神,形成科学态度与责任。
知识点一　热辐射
探究新知
1.热辐射
(1)定义:一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫作热辐射。
(2)特点:当温度升高时,热辐射中波长较短的成分越来越强。
2.黑体
(1)定义:如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就叫作黑体。
(2)特点:黑体不反射电磁波,但是却可以向外辐射电磁波。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)热辐射中,温度低的物体辐射电磁波的波长较长。(　√　)
(2)黑体一定是黑色的。(　×　)
(3)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。(　×　)
知识点二　能量子　能级
探究新知
1.能量子
(1)普朗克的假设:振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。
(2)能量子:这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(3)能量子公式:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s。
(4)光子:光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为 hν,这些能量子称为光子。
2.能级
(1)能级:微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统,原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。
(2)能级特点。
①原子处于能量最低的状态,是最稳定的。
②原子受到高速运动的电子的撞击,有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出光子。
③原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量,等于前后两个能级之差。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　√　)
(2)原子从高能态向低能态跃迁时辐射任意频率的光子。(　×　)
(3)原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁,从较高能级跃迁到较低能级会放出光子。(　√　)
要点一　热辐射和黑体辐射
情境探究
煤烟很接近黑体,其吸收率为99%,即投射到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收,把一定量的煤烟置于阳光下照射,它的温度是否一直在上升
答案:不会。煤烟吸收能量的同时还伴随着能量的辐射,最终将趋于平衡,温度不再升高。
要点归纳
1.对黑体的理解
(1)绝对的黑体实际上是不存在的,但可以用某装置近似地代替。如图所示,如果在一个空腔壁上开一个小孔,那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,这个带小孔的空腔就成了一个绝对黑体。
(2)黑体不一定是黑的,只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的;有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射,看起来还会很明亮。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)可被当作黑体来处理。
2.一般物体与黑体的比较
项目 热辐射特点 吸收、反射特点
一般 物体 辐射电磁波的情况与温度有关,与材料的种类及表面状况有关 既吸收又反射,其能力与材料的种类及入射波长等因素有关
黑体 辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关 完全吸收各种入射电磁波,不反射
典例研习
[例1] (热辐射和黑体辐射的理解)下列说法正确的是(　D　)
A.只有温度高的物体才会有热辐射
B.黑体只是从外界吸收能量,从不向外界辐射能量
C.黑体可以看起来很明亮,是因为黑体可以反射电磁波
D.一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类和表面情况有关
解析:任何物体在任何温度下都存在辐射,温度越高辐射的能力越强,故A错误;能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体叫作黑体,黑体不反射电磁波,但可以向外辐射电磁波,故B、C错误;黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,与构成黑体的材料、形状无关,而一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类和表面情况有关,故D正确。
要点二　能量子　能级
情境探究
如图所示为我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“墨子号”的成功发射使我国在量子通信技术领域走在了世界前列。那么,量子通信的理论基础是什么 该理论的提出背景又是什么
答案:量子通信的理论基础来源于德国物理学家的能量量子化假设。该假设提出的背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律。
要点归纳
1.能量子
(1)普朗克的能量子概念。
①能量子:普朗克认为微观世界中带电粒子的能量是不连续的,只能是某一最小能量值的整数倍,当带电粒子辐射或吸收能量时,也只能以这个最小能量值为单位一份一份地吸收或辐射,这样的一份最小能量值ε叫作能量子,ε=hν,其中h叫作普朗克常量,实验测得h=6.63×10-34 J·s,ν为电磁波的频率。
②能量的量子化:在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫作能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的。
(2)爱因斯坦的光子说。
光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,这些能量子被称为光子。频率为ν的光子的能量为ε=hν。
2.能级
(1)原子的能量是量子化的,量子化的能量值叫能级。
(2)原子从高能态向低能态跃迁时放出光子,光子的能量等于前后两个能级之差。
(3)放出的光子的能量是分立的,所以原子的发射光谱是一些分立的亮线。
典例研习
[例2] (能量子的理解和计算)小灯泡的功率P=1 W,设其发出的光向四周均匀辐射,平均波长 λ=10-6 m,求小灯泡每秒钟辐射的光子数是多少 (h=6.63×10-34 J·s)
解析:每秒钟小灯泡发出的能量为E=Pt=1 J,
1个光子的能量ε=hν== J=1.989×10-19 J,
小灯泡每秒钟辐射的光子数为
n==个≈5×1018个。
答案:5×1018个
1.关于对黑体的认识,下列说法正确的是(　C　)
A.黑体不仅能吸收电磁波,也能反射电磁波
B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,与材料的种类及表面状况无关
D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体
解析:能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为黑体,故A错误;黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故B错误,C正确;如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,就相当于吸收了所有电磁波,这个空腔就可以近似为一个绝对黑体,故D错误。
2.普朗克在1900年将“能量子”引入物理学,开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中,具有“量子化”特征的是(　A　)
A.人的个数 B.人的质量
C.物体的动能 D.物体的长度
解析:在量子力学中,物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化,具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化。A正确,B、C、D错误。
3.(多选)下列说法正确的是(　CD　)
A.原子的能量是连续的,原子的能量从某一能量值变为另一能量值,可以连续变化
B.原子从低能级向高能级跃迁时放出光子
C.原子从高能级向低能级跃迁时放出光子,且光子的能量等于前、后两个能级之差
D.由于能级的存在,原子放出的光子的能量是分立的,所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线
解析:原子的能量是量子化的,原子从高能级会自发地向低能级跃迁,向外放出光子。光子的能量hν=E初-E末,由于能级的分立性,放出的光子的能量也是分立的,所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线,故C、D正确。
4.现在市场上常用来激光打标的是355 nm紫外纳秒固体激光器,该激光器单光子能量高,能直接打断某种材料的分子键,使之从材料表面脱离。据此判断,打断该材料分子键需要的能量约为(取普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,真空光速c=3×108 m/s)(　B　)
A.10-22 J B.10-19 J
C.10-16 J D.10-13 J
解析:打断该材料分子键需要的能量为该激光器单光子能量,则该激光的光子能量为ε=hν=,解得ε≈5.6×10-19 J,故选B。
课时作业
1.对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。关于黑体辐射,下列说法正确的是(　D　)
A.温度低于0 ℃的物体不会辐射电磁波
B.黑体不会辐射电磁波
C.爱因斯坦提出的能量子假说,能够很好地解释黑体辐射规律
D.黑体辐射的能量是不连续的,只能是某一最小能量值的整数倍
解析:一切物体都会辐射电磁波,绝对零度的物体才可能没有辐射,温度越高,辐射的电磁波越强,故选项A错误;黑体虽然不反射电磁波,但是黑体会向外辐射电磁波,故选项B错误;普朗克借助于能量子假说,完美地解释了黑体辐射规律,故选项C错误;普朗克假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍,从而很好地解释了黑体辐射的实验现象,故选项D正确。
2.普朗克在研究黑体辐射的基础上,提出了能量子理论,开创了物理学的新纪元。关于量子,下列说法正确的是(　D　)
A.是类似于质子、电子的微观粒子
B.是一种高科技材料
C.是一个数量级的常量
D.表示微观世界的不连续性观念
解析:普朗克引入能量子的概念,得出黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合得非常好,并由此开创了物理学的新纪元。量子不是类似于质子、电子的微观粒子,不是一种高科技材料,不是一个数量级的常量,它表示微观世界的不连续性观念。故选D。
3.一个氢原子从高能态跃迁到低能态时,该氢原子(　B　)
A.吸收光子,能量减小
B.放出光子,能量减小
C.放出光子,能量不变
D.吸收光子,能量不变
解析:一个氢原子从高能态跃迁到低能态,放出光子,能量减小,故B正确,A、C、D错误。
4.以下关于光子的说法正确的是(　D　)
A.光子的能量跟它的频率无关
B.紫光光子的能量比红光光子的能量小
C.光子是具有质量、能量和体积的实物微粒
D.在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个
光子
解析:根据ε=hν,可知光子的能量与光子的频率成正比,在可见光范围内,紫光的频率最大,红光的频率最小,可知紫光光子的能量比红光光子的能量大,选项A、B错误;光子具有能量,但没有静止质量,也没有具体的体积,它不是实物粒子,选项C错误;光是在空间传播的电磁波,是不连续的,是一份一份的能量,每一份叫作一个光子,选项D
正确。
5.2023年9月21日,神舟十六号乘组航天员在中国空间站进行太空授课。若本次直播通信使用电磁波的波长范围为λ1≤λ≤λ2,则该电磁波中能量子最大值为(　C　)
A.hλ2 B. C. D.
解析:由电磁波能量子公式ε=hν=h可知,电磁波的波长越小,能量越大,因此该电磁波中能量子最大值为εmax=,A、B、D错误,C正确。
6.糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因,可利用聚光到纳米级的激光束进行治疗。一台功率为10 W的氩激光器,能发出波长 λ=500 nm的激光,用它“点焊”视网膜,每次“点焊”需要2×10-3 J的能量,(普朗克常量h=6.6×10-34 J·s)求:
(1)每次“点焊”视网膜的时间;
(2)在这段时间内发出的激光光子的数量。
解析:(1)由E=W=Pt得,每次“点焊”时间t=,
代入数据得t=2×10-4 s。
(2)设每个光子的能量为ε0,
则ε0=hν=h,
设在这段时间内发出的激光光子的数量为n,
则由E=nε0,
联立得n=,
代入数据得n≈5×1015个。
答案:(1)2×10-4 s　(2)5×1015个(共29张PPT)
5　能量量子化
「定位·学习目标」
1.通过学习热辐射、能量子和能级的概念,培养物理观念。
2.体会能量子提出的过程,培养献身科学的时代精神,形成科学态度与责任。
探究·必备知识
1.热辐射
(1)定义:一切物体都在辐射 ,这种辐射与物体的 有关,所以叫作热辐射。
(2)特点:当温度升高时,热辐射中波长 的成分越来越强。
2.黑体
(1)定义:如果某种物体能够 入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就叫作黑体。
(2)特点:黑体不反射电磁波,但是却可以向外 电磁波。
「探究新知」
知识点一　热辐射
电磁波
温度
较短
完全吸收
辐射
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)热辐射中,温度低的物体辐射电磁波的波长较长。(　　)
(2)黑体一定是黑色的。(　　)
(3)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。(　　)
「新知检测」
√
×
×
「探究新知」
知识点二　能量子　能级
1.能量子
(1)普朗克的假设:振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的
。
(2)能量子:这个不可再分的 叫作能量子。
(3)能量子公式:ε= ,其中ν是电磁波的频率,h称为 ,
h= J·s。
(4)光子:光本身就是由一个个不可分割的 组成的,频率为ν的光的能量子为 ,这些能量子称为光子。
整数倍
最小能量值ε
hν
普朗克常量
6.63×10-34
能量子
hν
2.能级
(1)能级:微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统,原子的能量是 的。这些 的能量值叫作能级。
(2)能级特点。
①原子处于能量 的状态,是最稳定的。
②原子受到高速运动的电子的撞击,有可能跃迁到 的能量状态。这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量 的能级跃迁,放出光子。
③原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量,等于前后两个 　
。
量子化
量子化
最低
较高
较低
能级
之差
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　　)
(2)原子从高能态向低能态跃迁时辐射任意频率的光子。(　　)
(3)原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁,从较高能级跃迁到较低能级会放出光子。(　　)
「新知检测」
√
×
√
突破·关键能力
要点一　热辐射和黑体辐射
「情境探究」
煤烟很接近黑体,其吸收率为99%,即投射到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收,把一定量的煤烟置于阳光下照射,它的温度是否一直在上升
答案:不会。煤烟吸收能量的同时还伴随着能量的辐射,最终将趋于平衡,温度不再升高。
「要点归纳」
1.对黑体的理解
(1)绝对的黑体实际上是不存在的,但可以用某装置近似地代替。如图所示,如果在一个空腔壁上开一个小孔,那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,这个带小孔的空腔就成了一个绝对黑体。
(2)黑体不一定是黑的,只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的;有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射,看起来还会很明亮。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)可被当作黑体来处理。
2.一般物体与黑体的比较
项目 热辐射特点 吸收、反射特点
一般 物体 辐射电磁波的情况与温度有关,与材料的种类及表面状况有关 既吸收又反射,其能力与材料的种类及入射波长等因素有关
黑体 辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关 完全吸收各种入射电磁波,不反射
[例1] (热辐射和黑体辐射的理解)下列说法正确的是(　　)
A.只有温度高的物体才会有热辐射
B.黑体只是从外界吸收能量,从不向外界辐射能量
C.黑体可以看起来很明亮,是因为黑体可以反射电磁波
D.一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类和表面情况有关
「典例研习」
√
解析:任何物体在任何温度下都存在辐射,温度越高辐射的能力越强,故A错误;能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体叫作黑体,黑体不反射电磁波,但可以向外辐射电磁波,故B、C错误;黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,与构成黑体的材料、形状无关,而一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类和表面情况有关,故D正确。
要点二　能量子　能级
「情境探究」
如图所示为我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“墨子号”的成功发射使我国在量子通信技术领域走在了世界前列。那么,量子通信的理论基础是什么 该理论的提出背景又是什么
答案:量子通信的理论基础来源于德国物理学家的能量量子化假设。该假设提出的背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律。
「要点归纳」
1.能量子
(1)普朗克的能量子概念。
①能量子:普朗克认为微观世界中带电粒子的能量是不连续的,只能是某一最小能量值的整数倍,当带电粒子辐射或吸收能量时,也只能以这个最小能量值为单位一份一份地吸收或辐射,这样的一份最小能量值ε叫作能量子,ε=hν,其中h叫作普朗克常量,实验测得h=6.63×10-34 J·s,ν为电磁波的频率。
②能量的量子化:在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫作能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的。
(2)爱因斯坦的光子说。
光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,这些能量子被称为光子。频率为ν的光子的能量为ε=hν。
2.能级
(1)原子的能量是量子化的,量子化的能量值叫能级。
(2)原子从高能态向低能态跃迁时放出光子,光子的能量等于前后两个能级之差。
(3)放出的光子的能量是分立的,所以原子的发射光谱是一些分立的亮线。
[例2] (能量子的理解和计算)小灯泡的功率P=1 W,设其发出的光向四周均匀辐射,平均波长 λ=10-6 m,求小灯泡每秒钟辐射的光子数是多少 (h=6.63×10-34 J·s)
「典例研习」
解析:5×1018个
检测·学习效果
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1.关于对黑体的认识,下列说法正确的是(　　)
A.黑体不仅能吸收电磁波,也能反射电磁波
B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,与材料的种类及表面状况无关
D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体
√
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解析:能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为黑体,故A错误;黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故B错误,C正确;如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,就相当于吸收了所有电磁波,这个空腔就可以近似为一个绝对黑体,故D错误。
2.普朗克在1900年将“能量子”引入物理学,开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中,具有“量子化”特征的是(　　)
A.人的个数 B.人的质量
C.物体的动能 D.物体的长度
√
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解析:在量子力学中,物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化,具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化。A正确,B、C、D错误。
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3.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.原子的能量是连续的,原子的能量从某一能量值变为另一能量值,可以连续变化
B.原子从低能级向高能级跃迁时放出光子
C.原子从高能级向低能级跃迁时放出光子,且光子的能量等于前、后两个能级之差
D.由于能级的存在,原子放出的光子的能量是分立的,所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线
√
√
1
2
3
4
解析:原子的能量是量子化的,原子从高能级会自发地向低能级跃迁,向外放出光子。光子的能量hν=E初-E末,由于能级的分立性,放出的光子的能量也是分立的,所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线,故C、D正确。
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2
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4.现在市场上常用来激光打标的是355 nm紫外纳秒固体激光器,该激光器单光子能量高,能直接打断某种材料的分子键,使之从材料表面脱离。据此判断,打断该材料分子键需要的能量约为(取普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,真空光速c=3×108 m/s)(　　)
A.10-22 J B.10-19 J
C.10-16 J D.10-13 J
√
解析:打断该材料分子键需要的能量为该激光器单光子能量,则该激光的光子能量为 解得ε≈5.6×10-19 J,故选B。
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