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能量量子化第十三章

電磁感應(yīng)與電磁波初步目錄素養(yǎng)目標(biāo)01課程導(dǎo)入02新課講解03總結(jié)歸納04課堂練習(xí)05素養(yǎng)目標(biāo)1.知道熱輻射、了解黑體輻射2.知道能量是量子化的，知道能量子的概念3.知道能級(jí)、能級(jí)躍遷、原子發(fā)射光譜等概念4.根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，分析黑體輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系5.由黑體輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)論與光的電磁理論的矛盾，探究能量子的概念建立的科學(xué)過(guò)程6.根據(jù)能量子提出的過(guò)程，領(lǐng)會(huì)這一科學(xué)突破過(guò)程中的思想7.初步認(rèn)識(shí)量子力學(xué)的建立在科技中的重要作用據(jù)報(bào)道，河北省五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)芦@得者王志剛目測(cè)鋼水溫度和實(shí)測(cè)溫度之差只有5℃?？椿鹧娴念伾顪\就能知道鋼水的溫度，這樣令人驚奇的能力，背后有沒(méi)有科學(xué)依據(jù)呢？熱輻射一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。物體輻射的是電磁波，我們可以回想一下，電磁波產(chǎn)生的原因是什么呢？電磁波是變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)相互激發(fā)產(chǎn)生的。熱輻射物體內(nèi)變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)是怎么產(chǎn)生的呢？提示：一切物體內(nèi)都存在不停運(yùn)動(dòng)的帶電微粒，帶電微粒的振動(dòng)產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，就會(huì)向外輻射電磁波。熱輻射有什么特點(diǎn)呢？大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，物體輻射的電磁波，其輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同，溫度升高時(shí)，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)我們看到鐵塊的顏色是明亮的黃色時(shí)，就可以判斷它的溫度比發(fā)暗紅色的鐵塊的溫度高。煉鋼工人正是通過(guò)觀察鐵塊的顏色來(lái)判斷其溫度的。1400K800K1000K1200K人體向外輻射的電磁波不在可見(jiàn)光的范圍內(nèi)，人眼觀察不到，但測(cè)溫槍可以探測(cè)到，從而顯示出人體的溫度高低。

根據(jù)這個(gè)原理，我們也可以推測(cè)遙遠(yuǎn)的恒星的溫度高低。思考一下，夜空中的星星有的偏紅，有的偏藍(lán)，哪種星星的溫度更高一點(diǎn)呢？夜晚，我們能看到明亮的月球，是否可以認(rèn)為月球和同樣發(fā)出明亮可見(jiàn)光的鋼水的溫度差不多呢？

月球表面的溫度很低，我們看到的明亮的月光是月球表面反射的太陽(yáng)光，并不是月球自身輻射的電磁波。什么是黑體呢？白色物體幾乎反射所有波長(zhǎng)的可見(jiàn)光而呈白色，黑色的物體幾乎不反射可見(jiàn)光而呈黑色。如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就叫作黑體。黑體雖然不反射電磁波，但卻可以向外輻射電磁波。黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與它的溫度有關(guān)。黑體雖然是一個(gè)模型，但在現(xiàn)實(shí)生活中，有很多物體，它們反射的電磁波和輻射的電磁波相比很少的話，我們就可以把它們當(dāng)成是黑體。開(kāi)孔的黑盒子遠(yuǎn)處的窗口煙煤遙遠(yuǎn)的恒星煙煤反射周圍的光很少，可以忽略，主要是輻射光(大部分在非可見(jiàn)光范圍內(nèi)，肉眼看不到)，所以可以視為黑體。我們能看到發(fā)出紅色光線的遙遠(yuǎn)恒星，一點(diǎn)也不黑，為什么仍然稱之為黑體呢？黑體并不是黑色的，是否稱為黑體，主要看它是否反射周圍的光，遙遠(yuǎn)的恒星周圍的光可以忽略，只有輻射光，沒(méi)有反射光，所以可以稱之為黑體。開(kāi)孔的黑盒子和遠(yuǎn)處的窗口也能接收到周圍的光，為什么仍然稱之為黑體呢？開(kāi)孔的黑盒子和遠(yuǎn)處的窗口雖然能接收到周圍的光，但它們接收的光在各自內(nèi)部經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次折射后，能量被吸收了，因此它們幾乎都不會(huì)反射周圍的光，可以稱之為黑體。不透明體外來(lái)各種波長(zhǎng)的輻射能反射某些波長(zhǎng)的輻射能吸收某些波長(zhǎng)的輻射能（隨物而異）發(fā)射各種波長(zhǎng)的熱輻射能（隨物而異）T一處于某溫度（隨物而異）

熱輻射的輻射強(qiáng)度與溫度、物體種類及其表面情況有關(guān)，太復(fù)雜了！怎么去研究熱輻射的客觀規(guī)律呢？實(shí)際物體熱輻射的復(fù)雜性視頻：研究黑體輻射研究黑體輻射的實(shí)驗(yàn)裝置加熱空腔使其溫度升高，空腔就成了不同溫度下的黑體，小孔向外的輻射就為黑體輻射。

對(duì)于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)。012341700K1500K1300K1100K輻射強(qiáng)度黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)結(jié)論：隨著溫度的升高

各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；

輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。黑體輻射理論解釋維恩瑞利金斯

科學(xué)家們開(kāi)始依據(jù)經(jīng)典物理熱學(xué)和電磁學(xué)的知識(shí)尋求黑體輻射的理論解釋。實(shí)驗(yàn)瑞利線維恩線2.瑞利—金斯公式：長(zhǎng)波符合，短波荒唐。

——紫外災(zāi)難為了得出同實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試兩種理論：1.維恩的半經(jīng)驗(yàn)公式：短波符合，長(zhǎng)波不符合。1.什么是熱輻射？熱輻射的波長(zhǎng)跟物體溫度有什么關(guān)系？[答案]

一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。溫度越高，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越強(qiáng)。2.為什么我們能看見(jiàn)本身不輻射可見(jiàn)光的物體？什么是黑體？[答案]

物體會(huì)吸收和反射外界射來(lái)的電磁波，我們能看見(jiàn)本身不輻射可見(jiàn)光的物體就是由于物體反射了可見(jiàn)光。如果物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這樣的物體叫作黑體。課堂思辯3.為什么在研究熱輻射時(shí)，人們特別注重對(duì)黑體輻射的研究？[答案]

因?yàn)楹隗w不反射電磁波，其發(fā)出的電磁波完全是由其自身輻射的，沒(méi)有與反射的電磁波混合在一起，所以它輻射的電磁波分布規(guī)律只與其溫度有關(guān)。課堂思辯(多選)在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度。如圖所示，這是黑體的輻射強(qiáng)度與其輻射光波長(zhǎng)的關(guān)系圖像，則下列說(shuō)法正確的是(

)A．T1>T2B．T1<T2C．隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度都有所降低D．隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短方向移動(dòng)AD經(jīng)典例題答案：AD解析：一般材料的物體輻射能的多少?zèng)Q定于物體的溫度、輻射光的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短和發(fā)射的面積，而黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)的物體，黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)；實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有所增加，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。從題圖中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，選項(xiàng)A、D正確。能量子

要測(cè)定一車西瓜的質(zhì)量，我們可以稱出每個(gè)西瓜的質(zhì)量，然后加起來(lái)。也可用其他辦法，但就是不能用西瓜的密度乘以車廂的體積，因?yàn)檫@樣得到的結(jié)果誤差太大，原因是西瓜之間有許多空隙，西瓜是不連續(xù)的。日常生活中不連續(xù)的實(shí)例很多。實(shí)際上，在微觀世界里能量也是不連續(xù)的。ρ西瓜

×

V車廂

=m西瓜？

振動(dòng)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……，也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的大小為：ε是電磁波的頻率，h是一個(gè)常量，后人稱之為普朗克常量，其值為：

h

=

6.62607015×10-34J·s能量子微觀宏觀連續(xù)分立的，量子化德國(guó)物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試，進(jìn)行了激烈的思想斗爭(zhēng)。最后他不得不承認(rèn)：微觀世界的某些規(guī)律在我們宏觀世界看來(lái)可能非常奇怪。實(shí)驗(yàn)瑞利線維恩線普朗克理論值

借助于能量子的假說(shuō)，普朗克得出的黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布公式，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得非常好。普朗克的能量子假設(shè)，使人類對(duì)微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí)，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。成為物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)；普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征；不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開(kāi)創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。死后他的墓碑上只刻著他的姓名和

h=6.62610─34J·s

認(rèn)為電磁場(chǎng)本身就是不連續(xù)的。也就是說(shuō)，光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的這些能量子后來(lái)被叫作光子。愛(ài)因斯坦的光子概念（光子能量）愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)

愛(ài)因斯坦從普朗克的能量子說(shuō)中得到了啟發(fā)，他提出：

光本身就是一個(gè)個(gè)不可分割的能量子，后來(lái)被叫作光子，其能量為：能級(jí)

微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫作能級(jí)（energylevel）。分立軌道1

2

3

4E4E3E2E1定態(tài)躍遷E4E3E2E1能級(jí)原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量，等于前后兩個(gè)能級(jí)之差由于原子的能級(jí)是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線

20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。

核能的利用，計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的制造，激光技術(shù)等的應(yīng)用都離不開(kāi)量子力學(xué)。聆聽(tīng)宇宙：射電望遠(yuǎn)鏡

宇宙浩瀚無(wú)垠，神秘莫測(cè)。古人通過(guò)肉眼觀察星空，繪制星圖。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明拓寬了人類的視野，使人們對(duì)天體的了解更加清楚。聆聽(tīng)宇宙：射電望遠(yuǎn)鏡經(jīng)典例題人眼對(duì)綠光最為敏感，正常人的眼睛接收到波長(zhǎng)為530nm的綠光時(shí)，只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)。普朗克常量為6.63×10－34J·s，光速為3.0×108m/s，則人眼能察覺(jué)到綠光時(shí)所接收到的最小功率是(

)A．2.3×10-18W

B．3.8×10-19WC．7.0×10-10W D．1.2×10-18WA

經(jīng)典例題兩束能量相同的色光，都垂直地照射到物體表面，第一束光在某段時(shí)間內(nèi)打在物體表面的光子數(shù)與第二束光在相同時(shí)間內(nèi)打在物體表面的光子數(shù)之比為5∶4，則這兩束光的光子能量和波長(zhǎng)之比分別為(

)A．4∶5

4∶5 B．5∶4

4∶5C．5∶4

5∶4 D．4∶5

5∶4D

黑體輻射及能量子（1）黑體輻射：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與它的溫度有關(guān)。（2）能量子：帶電微粒的能量只能是某一最小能量值

的整數(shù)倍，這個(gè)不可再分的最小能量值

叫作能量子，它的大小為微觀粒子的能量是不連續(xù)的物體溫度越高，熱輻射強(qiáng)度越大，輻射的電磁波中波長(zhǎng)較短的成分越強(qiáng)1.關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)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(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān)D．如果在一個(gè)空腔壁上開(kāi)一個(gè)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(gè)空腔就成了一個(gè)黑體C答案：C解析：黑體自身輻射電磁波，不一定是黑的，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤，選項(xiàng)C正確；小孔只吸收電磁波，不反射電磁波，因此小孔成了一個(gè)黑體，而不是空腔，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。2.(多選)以下宏觀概念中，是“量子化”的有(

)A．物體的帶電荷量 B．物體的質(zhì)量C．物體的動(dòng)量 D．學(xué)生的個(gè)數(shù)AD答案：AD解析：所謂“