资源简介

6.1　量子论初步
学习目标
1.通过任务1及其活动,知道热辐射、黑体与黑体辐射的概念。(物理观念)
2.通过任务2及其活动,知道黑体辐射的实验规律,并能对相关的图像进行分析。(科学探究、科学思维)
3.通过任务3及其活动,知道能量子的概念,并能体会量子化观念在微观领域中的重要性。(物理观念、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:在很多地方都会用红外热像仪监测人的体温,只要被测者从仪器前走过,便可知道他的体温是多少。红外热像仪的原理来自热辐射,尝试解释原因。


思考2:普朗克的能量量子化的观点与我们对宏观世界中能量的认识有什么不同 请在宏观概念中,举一些我们周围不连续的实例。


思考3:一般物体的热辐射与黑体辐射有什么区别


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)黑体就是黑色的物体。 (　　)
(2)能够完全吸收入射的各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。 (　　)
(3)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与温度、材料的种类有关,与表面状况无关。 (　　)
(4)普朗克的能量子假说,使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。 (　　)
(5)能量子的能量不是任意的,其大小与电磁波的频率成正比。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　热辐射　黑体与黑体辐射
如图,把黑色的铁块投进火炉中,刚开始铁块只是发热,并不发光。随着温度升高,会发现铁块慢慢变红,开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红,直至呈现黄白色。
1.什么是热辐射 热辐射的波长跟物体温度有什么关系


2.为什么我们能看见本身不辐射可见光的物体 什么是黑体


3.你认为现实世界中有没有理想的黑体


4.课本中提到“在研究热辐射规律时,人们特别注意对黑体辐射的研究”。你认为这是为什么呢


1.热辐射
事实上,我们周围的一切物体都在以①　　的形式向外辐射能量,而且辐射强度波长如何分布与物体的②　　相关,物体学上把这种辐射称为热辐射。
2.黑体与黑体辐射
(1)一般来说,物体在热辐射的同时还会吸收和反射外来的电磁波。如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而③　　,这种物体就是绝对黑体,简称黑体。
(2)对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与④　　有关外,还与材料的种类及表面状况有关;而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的⑤　　有关。
应用　对黑体的认识
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.黑体是黑色的且其自身辐射电磁波
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除了与温度有关,还与材料的种类及其表面状况有关
D.黑体是一种理想化的模型,实际物体中没有绝对黑体
特别提醒:黑体看上去不一定是黑的,只有当其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,如炼钢炉口上的小孔、一些发光物体(太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体处理。
任务2　黑体辐射的实验规律
　　19世纪后半叶,根据辐射强度、波长分布与温度的关系测定钢水的温度的需求推动了黑体辐射的研究。
1.如图所示,图中画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系。请据此图总结出黑体辐射与温度的关系。
2.为解释黑体辐射的实验规律,科学家做了大量工作,请列举几个著名科学家以及他们的研究成果。



　　黑体辐射的实验规律
随着温度的升高,黑体辐射的各种波长的电磁波辐射强度都有⑥　　,并且辐射强度的极大值随温度的升高而向波长⑦　　的方向移动。
应用　黑体辐射的实验规律的应用
(多选)黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A.T1>T2
B.T1C.随着温度的升高,黑体的辐射强度都有所降低
D.随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短方向移动
峰值的高低与温度有什么关系


任务3　量子论的诞生
　　为了得出和实验相符的黑体辐射公式,1900年底,德国物理学家普朗克提出了能量子假说。
1.普朗克能量子假说的内容是怎样的


2.能量子假说与传统观念有何差别

3.普朗克提出能量子对物理学的发展起到了什么作用

　　能量子
(1)为了得出与实验相符合的黑体辐射公式,普朗克提出振动的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的⑧　　倍,带电微粒辐射或接收能量时,也是以这个最小能量值ε为单位⑨　　地辐射或接收的,这个不可能再分割的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子的能量与电磁波的频率成正比,即ε=⑩　　。
(3)能量子的提出破除了“能量　　变化”的传统观念,成为新物理学思想的基石之一。
应用1　生活中的“量子化”
以下宏观概念,属于“量子化”的是(　　)
A.一棵树苗生长的高度
B.从车站开出的汽车驶过的路程
C.班里学生的个数
D.烧水时温度计的示数
应用2　能量子与光子辐射的球面模型
(2022·全国乙卷)一点光源以113 W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10-7 m的光,在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个。普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。R约为(　　)
A.1×102 m B.3×102 m
C.6×102 m D.9×102 m
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(多选)关于黑体和黑体辐射,下列说法正确的是 (　　)
A.黑体的热辐射实际上是电磁辐射
B.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
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与它的温度、材料的种类及表面状况有关
D.黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)
2.(任务2)有关黑体辐射的实验规律如图所示,以下判断错误的是 (　　)
A.在同一温度下,波长越短的电磁波辐射强度越大
B.在同一温度下,辐射强度最大的电磁波波长不是最长的,也不是最短的,而是处在最长波长与最短波长之间
C.温度越高,辐射强度的极大值就越大
D.温度越高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
3.(任务3)关于能量量子化,下列说法正确的是 (　　)
A.爱因斯坦最早提出了能量量子化假说
B.普朗克认为微观粒子能量是连续的
C.频率为ν的光的能量子为hν
D.电磁波波长越长,其能量子越大
4.(任务3)能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10-18 J,已知可见光的平均波长(λ=)约为0.6 μm,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则进入人眼的光子数至少为 (　　)
A.1个 B.3个 C.30个 D.300个
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:根据热辐射规律可知,人的体温的高低直接决定了人辐射的红外线的频率和强度。因此通过监测被测者辐射的红外线的情况可知道这个人的体温。
思考2:宏观世界中我们认为能量是连续变化的,普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的,每一份是一个最小能量值,即能量不是连续的。宏观概念中自然数,物体的数量等是不连续的。
思考3:一般物体的热辐射与温度、材料种类、表面状况等因素都有关。黑体辐射只与黑体的温度有关。
判断　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体温度有关,所以叫作热辐射。温度越高,热辐射中波长较短的成分越来越强。
2.物体会吸收和反射外界射来的电磁波,我们能看见本身不辐射可见光的物体就是由于物体反射了可见光。如果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,这样的物体叫作黑体。
3.现实世界中不存在理想的黑体。
4.一般物体都或多或少会反射各种波长的电磁波,因而其热辐射情况既与温度有关,又与材料及表面状况有关,而黑体的热辐射只与温度有关,可见只有黑体辐射反映的是物体本身热辐射与温度的关系,所以在研究热辐射规律时,人们特别注意对黑体辐射的研究。
知识生成　①电磁波　②温度　③不发生反射　④温度　⑤温度
应用探究
例1　D　
任务2
问题引领
1.从题图中可以看出三条规律。第一,任何温度下黑体都会同时辐射各种波长的电磁波;第二,随着温度的升高,黑体辐射的不同波长的电磁波的强度都有增加;第三,随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
2.德国物理学家维恩提出的公式在短波区与实验非常接近,在长波区则与实验偏离较大;英国物理学家瑞利提出的公式在长波区与实验基本一致,但在短波区与实验严重不符;德国物理学家普朗克做了多种尝试。1900年10月,普朗克找到了一个数学公式,它与实验吻合得非常完美。普朗克从电磁学、力学、统计物理学等物理学的基本理论出发,最终把这个公式推导出来。
知识生成　⑥增加　⑦较短
应用探究
例2　AD　【解析】实验表明,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有所增加,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。从题图中可看出,λ1<λ2,T1>T2,A、D两项正确。
任务3
问题引领
1.带电粒子辐射或吸收能量时是不连续的,只能一份一份地进行,或者说这些能量只能是某个最小能量值的整数倍,例如ε,2ε,3ε,…,这个不可再分的最小能量值叫作能量子,这就是能量子假说。
2.普朗克对微观带电微粒能量取值的假设和宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。通过观察宏观弹簧振子的运动中能量的变化,得出弹簧振子的能量值是连续的。而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。
3.普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点,提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能是量子化的新观点。这不仅成功地解决了黑体辐射中的难题,而且开创了物理学研究新局面,标志着人类对自然规律的认识已经从宏观领域进入微观领域,为量子力学的诞生奠定了基础。
知识生成　⑧整数　⑨一份一份　⑩hν　连续
应用探究
例2　C　
例3　B　【解析】一个光子的能量ε=hν,ν为光的频率,光的波长与频率满足c =λν,光源每秒发出的光子的个数n==,P为光源的功率,光子以球面波的形式传播,那么以光源为球心的球面上的光子数相同,此时距光源的距离为R处,每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个,那么此处的球面的表面积S=4πR2,则=3×1014,联立以上各式解得R≈3×102 m。
随堂检测·精评价
1.ABD　
2.A　【解析】在同一温度下,辐射强度最大的电磁波波长不是最长的,也不是最短的,而是处在最长波长与最短波长之间,A项错误,B项正确;黑体辐射的强度与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,则辐射强度的极大值也就越大,C项正确;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,D项正确。
3.C　
4.B　【解析】可见光的平均频率ν=,能量子的平均能量ε=hν,引起视觉效应时E=nε,联立解得n=3,B项正确。

展开更多......

收起↑