第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步第5節(jié)能量量子化

核心素養(yǎng)學習重點物理觀念(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、能級躍遷、原子發(fā)射光譜等概念。理解能量的量子化與能量的連續(xù)性存在著根本顛覆性的概念沖突；理解物理學家提出能量量子化理論是對客觀世界本質(zhì)的尊重和近代物理學發(fā)展的必然要求，也是當今現(xiàn)代化社會、現(xiàn)代化科技發(fā)展的動力源泉和根基?？茖W思維根據(jù)黑體輻射的實驗規(guī)律，分析黑體輻射的強度與波長的關(guān)系。

核心素養(yǎng)學習重點科學探究由黑體輻射實驗結(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過程。理解能量的量子化與能量的連續(xù)性存在著根本顛覆性的概念沖突；理解物理學家提出能量量子化理論是對客觀世界本質(zhì)的尊重和近代物理學發(fā)展的必然要求，也是當今現(xiàn)代化社會、現(xiàn)代化科技發(fā)展的動力源泉和根基?？茖W態(tài)度與責任(1)根據(jù)能量子提出的過程，領(lǐng)會這一科學突破過程中的思想。(2)初步認識量子力學的建立在科技中的重要作用。素養(yǎng)能力提升課后知能作業(yè)探究點課堂效果反饋探究點熱輻射能量子●新知導學情境：(1)把鐵塊投進火爐中，剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的升高，鐵塊會慢慢變紅，開始發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。為什么會有這樣的變化呢？(2)如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，會怎樣？

[提示][提示](1)輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。常溫下我們看到不發(fā)光的物體顏色就是物體表面反射光所致。(2)物體看起來是黑色的?！窕A(chǔ)梳理一、熱輻射1．概念：一切物體都在輻射__________，且輻射與物體的________有關(guān)，所以叫熱輻射。2．特點：溫度升高時，熱輻射中波長較______的成分越來越______。3．黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的__________而不發(fā)生反射。電磁波溫度短強電磁波二、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__________，這個最小的能量值______叫__________。2．大?。害牛絖_______，其中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__________組成，能量大小為________，光的能量子稱作________。三、能級1．原子的能量是__________的，量子化的能量值叫________。2．原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時________光子，光子的能量等于前后兩個能級________。整數(shù)倍ε能量子hν能量子hν光子量子化能級放出之差[判斷正誤](1)一切物體都在輻射電磁波。(

)(2)一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)。(

)(3)黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)。(

)(4)黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波。(

)(5)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。(

)(6)原子從低能級向高能級躍遷時放出光子。(

)(7)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。(

)(8)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：(1)√

(2)×

(3)√

(4)√

(5)×

(6)×

(7)√

(8)√●重難解讀一、熱輻射和黑體輻射1．黑體實際上是不存在的，只是一種理想情況。2．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。3．黑體同其他物體一樣也在輻射電磁波，黑體的輻射規(guī)律最為簡單，黑體輻射強度只與溫度有關(guān)。4．黑體輻射的實驗規(guī)律隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，如右圖所示。二、能量子1．普朗克的能量子概念：普朗克認為微觀世界中帶電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，當帶電粒子輻射或吸收能量時，也只能以這個最小能量值為單位一份一份地吸收或輻射，這樣的一份最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν，其中h叫作普朗克常量，實驗測得h＝6.63×10－34J·s，ν為電磁波的頻率。2.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。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。類型一熱輻射和黑體輻射典題1：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(guān)外，還與材料的種類和表面情況有關(guān)

[思維點撥][思維點撥]本題考查了關(guān)于黑體輻射的知識，關(guān)鍵是熟悉黑體輻射的特點，注意掌握黑體輻射的規(guī)律是解題的關(guān)鍵。熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象；黑體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)，是實際物體的理想化模型；能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，這樣的物體稱為黑體。答案：D解析：任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的能量越多，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(guān)，與構(gòu)成黑體的材料、形狀無關(guān)，而一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類和表面情況有關(guān)，故D正確。

[規(guī)律方法][規(guī)律方法]熱輻射不一定需要高溫，任何溫度都能發(fā)生熱輻射，只是溫度低時輻射弱，溫度高時輻射強。在一定溫度下，不同物體所輻射的光譜的成分有顯著不同。

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(guān)，與材料的種類、表面狀況有關(guān)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(guān)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(guān)完全吸收各種入射電磁波，不反射跟蹤訓練1：下列關(guān)于熱輻射和黑體輻射的說法不正確的是(

)A．一切物體都在輻射電磁波B．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波C．黑體輻射強度的極大值跟溫度無關(guān)D．一般物體輻射電磁波的強度與溫度有關(guān)答案：C解析：一切物體都在輻射電磁波，故A正確；黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波，故B正確；隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，故C錯誤；一般物體輻射電磁波的強度與溫度有關(guān)，故D正確。故選C。類型二能量子典題2：光是一種電磁波，波長分別是650nm、610nm、590nm、550nm的紅、橙、黃、綠4種單色光中，能量子最小的是(

)A．紅光 B．橙光C．黃光 D．綠光

[思維點撥][思維點撥]本題考查光子能量公式，只要知道公式中各量的含義就可以輕松得出結(jié)果。答案：A解析：根據(jù)光的能量公式ε＝hν，ν為光的頻率，頻率越小能量越小。又根據(jù)c＝λν，波長越長，頻率越小。紅、橙、黃、綠4種單色光波長依次減小，則頻率依次升高，所以能量最小的是紅光，故A正確，B、C、D錯誤。故選A。

[規(guī)律方法][規(guī)律方法]愛因斯坦的光子說：光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，這些能量子被稱為光子。頻率為ν的光子的能量為ε＝hν。跟蹤訓練2：(多選)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(zhì)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的能量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(zhì)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”，能量子的能量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。故選ABC。類型三能級典題3：(多選)玻爾在他提出的原子模型中所做的假設(shè)有(

)A．原子處在具有一定能量的定態(tài)中，雖然電子做變速運動，但不向外輻射能量B．原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓形軌道繞核運動相對應(yīng)，而電子的可能軌道的分布是不連續(xù)的C．電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，輻射(或吸收)一定頻率的光子D．電子躍遷時輻射的光子的頻率等于電子繞核做圓周運動的頻率

[思維點撥][思維點撥]本題考查對量子化的認識，量子化在高中要求較低，只需明確量子化的定義即可。答案：ABC解析：玻爾的原子模型提出了三條假設(shè)：即軌道假設(shè)，定態(tài)假設(shè)和躍遷假設(shè)；可知A、B、C三項都是玻爾提出來的假設(shè)，其核心是原子定態(tài)概念的引入與能級躍遷學說的提出，也就是“量子化”概念，原子的不同能量狀態(tài)與電子繞核運動不同的圓軌道相對應(yīng)，是經(jīng)典理論與量子化概念的結(jié)合。故A、B、C正確；根據(jù)玻爾理論，電子躍遷時輻射的光子的頻率滿足：hν＝Em－En，與電子繞核做圓周運動的頻率無關(guān)。故D錯誤。

[規(guī)律方法][規(guī)律方法](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。跟蹤訓練3：蛇是老鼠的天敵，它是通過接收熱輻射來發(fā)現(xiàn)老鼠的。假設(shè)老鼠的體溫為37℃，它發(fā)出的最強的熱輻射的波長為λm，根據(jù)熱輻射理論，λm與輻射源的絕對溫度T的關(guān)系近似為λm·T＝2.90×

10－3m·K，普朗克常量h＝6.626×10－34J·s。那么老鼠發(fā)出最強的熱輻射的波長和老鼠發(fā)出的這種最強的熱輻射每份能量子(又叫作光子)的能量分別是(

)A．7.8×10－5m

1.89×10－20J B．9.4×10－6m

2.11×10－20JC．1.16×10－4m

2.11×10－18J D．9.7×10－8m

1.10×10－20

J答案：B素養(yǎng)能力提升拓展整合?啟智培優(yōu)課堂效果反饋內(nèi)化知識?對點驗收1．下列關(guān)于電磁波、能量子和熱輻射的說法正確的是(

)A．在真空中，頻率越高的電磁波傳播速度越大B．麥克斯韋提出變化的電場產(chǎn)生磁場C．頻率越高的電磁波傳播的能量子的能量越低D．高溫物體會發(fā)生熱輻射，低溫物體不會熱輻射答案：B解析：真空中，所有電磁波的傳播速度都相同，故A錯誤；變化的電場產(chǎn)生磁場是麥克斯韋提出的，故B正確；由E＝hν，其中h是定值，可得頻率越高的電磁波傳播的能量子的能量越高，故C錯誤；高溫、低溫物體都會發(fā)生熱輻射，不過是輻射強度不同，故D錯誤。故選B。2．對宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀的研究被譽為是宇宙學研究進入精密科學時代的起點。關(guān)于黑體輻射，下列說法正確的是(

)A．溫度低于0℃的物體不會輻射電磁波B．黑體不會輻射電磁波C．愛因斯坦提出的能量子假說，能夠很好地解釋黑體輻射規(guī)律D．黑體輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小能量值的整數(shù)倍答案：D解析：一切物體都會輻射電磁波，絕對零度的物體才可能沒有輻射，溫度越高，輻射的電磁波越強，故A錯誤；黑體是一種理想化模型，黑體能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射，但是黑體會向外輻射電磁波，故B錯誤；普朗克借助于能量子假說，完美的解釋了黑體輻射規(guī)律，故C錯誤；普朗克假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現(xiàn)象，故