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(共31张PPT)
5　能量量子化
素养 目标定位
目标素养
1.通过黑体辐射的实验了解什么是热辐射及热辐射的特性,知道什么是黑体与黑体辐射
2.了解黑体辐射的实验规律,知道黑体辐射的强度与波长的关系
3.知道能量子概念,知道能量是量子化的。知道光的能量是不连续的
4.了解原子的能级,知道原子的能量也是量子化的
5.会运用能量子公式求解相关问题
知识概览
课前 基础认知
一、热辐射
1.热辐射。
我们周围的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。当温度升高时,热辐射中波长较短的电磁波的成分越来越强。
2.黑体。
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。
黑体辐射的特点:
①一般材料的物体,辐射电磁波的情况,除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。
②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。随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
微思考1黑体是指黑颜色的物体吗
提示:黑体不是指黑颜色的物体,是指能完全吸收电磁波的
物体。
二、能量子
1.普朗克的假设。
振动着的带电微粒能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2.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=6.626 070 15×10-34 J·s。(一般取h=6.63×10-34 J·s)
3.能量的量子化。
在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是
分立的。这种现象叫能量的量子化。
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 ,h为普朗克常量。这些能量子被叫光子。
三、能级
原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作能级。
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。由于原子的能级是分立的,所以放出的光子能量也是分立的,因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
微思考2 电子由高能量状态跃迁到低能量状态时,释放出的光子的频率可以是任意值吗
提示:不可以。因各定态轨道的能量是固定的,由hν=Em-En可知,跃迁时释放出的光子的频率,也是一系列固定值。
课堂 重难突破
一 热辐射
问题探究
有一个成语叫作“炉火纯青”,原意说的是古代炼丹时候的温度控制,温度高低主要是靠看火焰的颜色,温度低的时候,是偏红的,温度最高的时候,才呈现青色,所以炉火纯青表示温度已经足够高了。怎样用热辐射来解释温度与颜色的关系
提示:黑体辐射与温度之间有着密切的关系,热辐射的光谱是连续光谱,辐射光谱的性质与温度有关。在室温下,大多数物体辐射不可见的红外光。但当物体被加热到500 ℃左右时,开始发出暗红色的可见光。随着温度的不断上升,波长较短的辐射越来越多,大约在1 500 ℃时就会变成明亮的白炽光。这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量,在不同光谱区域的分布是不均匀的,而且温度越高,光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高。因此,火焰颜色也随之而改变。
归纳总结
1.对黑体的理解。
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,这个带小孔的空腔可以近似为一个绝对黑体。
2.一般物体与黑体的比较。
比较项 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
典型例题
【例1】 (多选)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,是因为黑体可以有较强的辐射
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
答案:CD
解析:任何物体在任何温度下都存在辐射,温度越高单位时间内辐射的能量越多,选项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,有些黑体有较强的辐射,看起来也可以很明亮,选项B错误,C正确。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,选项D正确。
二 能量子
问题探究
宏观物体和微观物体的能量都是不连续的,对吗
提示:不对。宏观物体的能量可以认为是连续的,微观物体的能量是分立的。
归纳总结
1.普朗克的量子化理论。
(1)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。即能量的辐射或者吸收只能是一份一份的。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)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=6.626 070 15×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
(3)普朗克理论成就:
①借助于能量子的假说,普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合之好令人击掌叫绝。
②普朗克在1900年把能量子列入物理学,正确地破除了“能量连续变化”的传统观念,成为新物理学思想的基石之一。
2.爱因斯坦的光子说。
(1)内容。
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,频率为ν的光的能量子为hν,这些能量子称为光子。
(2)光子能量。
公式为ε=hν,其中ν指光的频率。
典型例题
【例2】 人体表面辐射本领的最大值落在波长为940 μm处,它对应的是何种辐射 能量子的值为多大
答案:红外辐射　2.12×10-22 J
解析:查表可得波长为940 μm的辐射为红外辐射
成果验收站
1.(多选)关于对黑体的认识,下列说法正确的是(　　)
A.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的
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
答案:CD
解析:黑体自身辐射电磁波,不一定是黑的,选项A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,选项B错误,C正确。小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此这个带小孔的空腔可以近似为一个黑体,选项D正确。
2.(多选)以下关于辐射强度与波长关系的说法正确的是(　　)
A.物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波
B.当铁块呈现黑色时,说明它的温度不太高
C.当铁块的温度较高时会呈现赤红色,说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强
D.早、晚时分太阳呈现红色,而中午时分呈现白色,说明中午时分太阳温度最高
答案:BC
解析:物体在某一温度下能辐射不同波长的电磁波,选项A错误。铁块呈现黑色,是由于它的辐射强度的极大值对应的波长段在红外部分,甚至波长更长,说明它的温度不太高,当铁块的温度较高时铁块呈现赤红色,说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强,选项B、C正确。大气对不同波长光的散射作用不同,早、晚太阳光穿过大气层的距离更长,短波的蓝紫光被大量散射,长波的红光更容易到达人眼;中午穿过大气层的距离较短,各颜色光散射少,混合呈白色,和太阳本身的温度无关,选项D错误。
3.(多选)以下宏观概念中,是“量子化”的有(　　)
A.物体的带电荷量 B.物体的质量
C.物体的动量 D.学生的个数
答案:AD
解析:所谓“量子化”应该是不连续的,是一份一份的,选项A、D正确。
5.近年来,在军事行动中,士兵都佩戴“红外夜视仪”,在夜间也能看清目标。这主要是因为(　　)
A.“红外夜视仪”发射出强大的红外线,照射被视物体
B.一切物体均在不停地辐射红外线
C.一切高温物体均在不停地辐射红外线
D.红外线属于可见光
答案:B
解析:一切物体都在不停地向外辐射红外线,不同物体辐射出来的红外线不同,采用“红外夜视仪”可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置,不受白天和夜晚的影响,即可确认出目标从而采取有效的行动,选项B正确。

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