13.5能量量子化題型1熱輻射1．熱輻射(1)定義：我們周圍的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。(2)特點(diǎn)：當(dāng)溫度升高時(shí)，熱輻射中波長較短的電磁波的成分越來越強(qiáng)。2．黑體定義：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。(2)特點(diǎn)①黑體不反射電磁波，但可以向外輻射電磁波。②黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。說明黑體不一定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見光非常微弱時(shí)看上去才是黑的；有些可看成黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來還會(huì)很明亮，如煉鋼爐口上的小孔?！纠}精講】1．下列說法不正確的是（）A．只有溫度高的物體才會(huì)有熱輻射 B．黑體可以向外界輻射能量 C．黑體也可以看起來很明亮，是因?yàn)楹隗w也可以有較強(qiáng)的輻射 D．普朗克引入能量子的概念得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與實(shí)驗(yàn)符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元【答案】A【解答】解：A、任何物體任何溫度都存在熱輻射，只是溫度越高，輻射能量越大，故A錯(cuò)誤；BC、黑體是能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，黑體也會(huì)向外輻射電磁波，因?yàn)樗环瓷潆姶挪?，所以研究它輻射電磁波（能量）時(shí)就不會(huì)受反射電磁波的影響，向外輻射能量的強(qiáng)度按照波長的分布只依賴于黑體的溫度，當(dāng)溫度足夠高，輻射能量足夠強(qiáng)時(shí)，看起來就會(huì)很亮，故BC正確；D、普朗克引入能量子的概念得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，故D正確；故選：A。2．為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律，物理學(xué)家定義了一種理想物體——黑體，以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。關(guān)于黑體和黑體輻射理論，下列說法正確的是（）A．愛因斯坦為了解釋黑體輻射現(xiàn)象，第一次提出了能量量子化理論和光子說 B．黑體向外輻射的是熱量，是以光子的形式輻射的 C．一般物體輻射電磁波的情況只與物體的溫度有關(guān) D．黑色的物體簡稱黑體，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長的方向移動(dòng)【答案】B【解答】解：A、愛因斯坦為了解釋光電效應(yīng)的規(guī)律，提出了光子說，普朗克為了解釋黑體輻射現(xiàn)象，第一次提出了能量量子化理論，故A錯(cuò)誤；B、黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射，是以光子的形式輻射的，故B正確；C、一般物體輻射電磁波的情況與物體的溫度、物體的材料有關(guān)，而黑體輻射電磁波的情況只與物體的溫度有關(guān)，故C錯(cuò)誤；D、黑體輻射的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，溫度越高，黑體輻射的強(qiáng)度越大，隨著溫度的升高，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)，故D錯(cuò)誤。故選：B。3．普通物體輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的，具有一定的分布規(guī)律，這種分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，下列說法正確的是（）A．黑體輻射強(qiáng)度按波長的分布只跟黑體溫度有關(guān)，與黑體材料無關(guān) B．當(dāng)溫度降低時(shí)，各種波長的電磁波輻射強(qiáng)度均有所增加 C．當(dāng)溫度升高時(shí)，輻射強(qiáng)度峰值向波長較大的方向移動(dòng) D．黑體不能夠完全吸收照射到它上面的所有電磁波【答案】A【解答】解：A、一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，還與材料的種類及表面情況有關(guān)；但黑體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)，故A正確；B、由圖可知，隨溫度的降低，各種波長的光輻射強(qiáng)度都有所減小，故B錯(cuò)誤；C、隨著溫度的升高，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)，故C錯(cuò)誤；D、能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體，因此黑體能夠完全透射照射到它上面的光波，故D錯(cuò)誤。故選：A。4．利用分光技術(shù)和熱電偶等設(shè)備，可以測出黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長分布的情況。1700K和1500K兩種溫度下的黑體，其輻射強(qiáng)度按波長分布的情況是（）A． B． C． D．【答案】D【解答】解：隨著溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加，同時(shí)最大輻射強(qiáng)度向左側(cè)移動(dòng)，即向波長較短的方向移動(dòng)，故ABC錯(cuò)誤，D正確。故選：D。5．下面說法正確的是（）A．只要有電場和磁場，就能產(chǎn)生電磁波 B．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度與溫度有關(guān) C．電磁波可以攜帶信息，但是不具有能量 D．光譜中，可見光從紅光到紫光波長越來越長【答案】B【解答】解：A.周期性變化的電場和磁場，才能產(chǎn)生電磁波，故A錯(cuò)誤；B.普朗克等對黑體輻射研究發(fā)現(xiàn)黑體輻射的電磁波的強(qiáng)度按波長分布只與溫度有關(guān)，一般物體的熱輻射除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)，故B正確；C.電磁波可以攜帶信息，也具有能量，故C錯(cuò)誤；D.光譜中，可見光從紅光到紫光波長越來越短，故D錯(cuò)誤。故選：B。題型2能量子1．概念：振動(dòng)著的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)最小的能量值ε叫能量子。2．大?。害牛絟ν，其中h＝6.63×10－34J·s。3．愛因斯坦光子說：光是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成，能量大小為hν，光的能量子稱為光子。說明能量的量子化：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?！纠}精講】1．關(guān)于能量量子化，下列說法正確的是（）A．安培提出了能量子理論 B．法拉第提出了能子量子理論 C．微觀粒子的能量是連續(xù)的 D．微觀粒子的能量是不連續(xù)的【答案】D【解答】解：AB．普朗克提出能量量子理論，而非安培或者法拉第，故AB錯(cuò)誤；CD．根據(jù)普朗克能量量子化觀點(diǎn)，微觀粒子的能量是不連續(xù)的，故C錯(cuò)誤，D正確。故選：D。2．正電子發(fā)射斷層掃描（PET）是一種核成像技術(shù)，其原理是放射性元素原子核衰變放出正電子與患者體內(nèi)的電子發(fā)生湮滅，探測器記錄各處放出”光子的情況，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生清晰的圖像，若一對速率相同的正、負(fù)電子正碰后湮滅生成兩個(gè)γ光子，則下列說法正確的是（）A．兩個(gè)光子的頻率可以不同 B．兩個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)方向可能相同 C．一對正負(fù)電子湮滅后也可能只生成一個(gè)光子 D．增大正、負(fù)電子的速率，生成的光子的波長變短【答案】D【解答】解：A.兩個(gè)光子的能量相同，頻率一定相同，故A錯(cuò)誤；B.根據(jù)動(dòng)量守恒，兩個(gè)光子的動(dòng)量一定大小相等，方向相反，故B錯(cuò)誤；C.一對正負(fù)電子湮滅后，不可能只生成一個(gè)光子，否則不滿足總動(dòng)量為零，動(dòng)量守恒，故C錯(cuò)誤；D.增大正、負(fù)電子的速率，生成的光子能量變大，根據(jù)E=hc故選：D。3．物理學(xué)中有很多關(guān)于“通量”的概念，如磁通量、輻射通量等，其中輻射通量Φ表示單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的輻射能，其單位為J/s，一束平行光垂直照射在面積為S的紙板上。已知在t時(shí)間內(nèi)有n個(gè)光子照到單位面積上，光速為c，波長為λ，普朗克常量為h，則該束光的輻射通量為（）A．nhcSλt B．nhcλtS C．nhλctS【答案】A【解答】解：設(shè)該束光輻射的時(shí)間為t，則該束光照射在紙板上的光子數(shù)為N＝nS，一個(gè)光子的能量為e＝hν，則N個(gè)光子的輻射能為E＝Ne，由ν與λ的關(guān)系可知ν=cλ，所以N個(gè)光子的輻射能為E=nShcλ，則該束光的輻射通量為Φ=故選：A。4．郭守敬望遠(yuǎn)鏡是我國建造的全球最大光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，通過觀測并獲取了氫原子光譜中巴耳末系的譜線信息。已知巴耳末系中的四條譜線Hα、Hβ、Hγ、Hδ的波長依次減小，則這四條譜線所對應(yīng)的單個(gè)光子能量最高的是（）A．Hα B．Hβ C．Hγ D．Hδ【答案】D【解答】解：根據(jù)巴耳末公式1λ=R(122已知四條譜線Hα、Hβ、Hγ、Hδ得波長依次減小，故Hδ光子能量最高，故D正確，ABC錯(cuò)誤。故選：D。5．徐州質(zhì)子重離子醫(yī)院是全國第二家同時(shí)擁有質(zhì)子和重離子治療系統(tǒng)的醫(yī)院。質(zhì)子重離子治療是一種先進(jìn)的放射治療技術(shù)，其核心原理是高能帶電粒子能更精準(zhǔn)殺傷腫瘤細(xì)胞。質(zhì)子和重離子（碳離子）均被加速到0.7倍光速時(shí)，質(zhì)子比重離子（）A．能量大 B．動(dòng)量大 C．物質(zhì)波波長大 D．電離能力強(qiáng)【答案】C【解答】解：因?yàn)橘|(zhì)子的質(zhì)量小于重離子的質(zhì)量，根據(jù)p＝mv可知，質(zhì)子的動(dòng)量小于重離子的動(dòng)量，根據(jù)Ek=1故選：C。6．太陽耀斑爆發(fā)是一種發(fā)生在太陽大氣層中的劇烈太陽活動(dòng)，2024年5月8日，太陽發(fā)生兩次X射線強(qiáng)耀斑。若太陽輻射到地球表面的效率為η，地球表面探測儀正對太陽的面積為S，探測儀到太陽中心的距離為L，探測儀單位時(shí)間內(nèi)探測到X射線的光子數(shù)為n。已知普朗克常量為h，X射線波長為λ，光速為c，太陽均勻地向各個(gè)方向輻射X射線，則太陽輻射X射線的總功率為（）A．4πnhcL2ηλ C．πnhcL2ηλ D．【答案】B【解答】解：X射線中每個(gè)光子的能量為E=hν=hcλ，太陽光均勻地向各個(gè)方向輻射X射線，設(shè)太陽單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射總光子數(shù)為N，則由nηN=S4πL2，解得故選：B。課時(shí)精練一．選擇題（共8小題）1．關(guān)于電磁波及能量量子化的有關(guān)認(rèn)識(shí)，以下說法正確的是（）A．只要有電場和磁場就能產(chǎn)生電磁波 B．愛因斯坦認(rèn)為電磁場是不連續(xù)的 C．紅外線具有較高的能量，常常利用其滅菌消毒 D．普朗克把能量子引入物理學(xué)，進(jìn)一步完善了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念【答案】B【解答】解：A．只有周期性變化的電場或磁場才能產(chǎn)生電磁波，恒定的電場和磁場不會(huì)產(chǎn)生電磁波，故A錯(cuò)誤；B．愛因斯坦把能量量子化假設(shè)進(jìn)行了推廣，認(rèn)為電磁場本身就是不連續(xù)的，故B正確；C．紫外線具有化學(xué)效應(yīng)，常常利用紫外線其滅菌消毒，故C錯(cuò)誤；D．普朗克把能量量子化引入物理學(xué)，進(jìn)一步破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，故D錯(cuò)誤。故選：B。2．人眼對綠光最為敏感，如果每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺。一光源以功率P均勻地向各個(gè)方向發(fā)射波長為λ的綠光，假設(shè)瞳孔在暗處的直徑為d，且不計(jì)空氣對光的吸收。普朗克常量為h，真空中光速為c，則眼睛能夠看到這個(gè)光源的最遠(yuǎn)距離為（）A．d2Pλ6hc B．d4Pλ6hc【答案】B【解答】解：設(shè)瞳孔與光源相距為r，在1s內(nèi)，r處單位面積上的能量為：E0瞳孔在1s內(nèi)接收到的能量為：E=E其中r=若此時(shí)剛好可以看到E=N?hc其中N為每秒射入瞳孔的光子的個(gè)數(shù)，為6個(gè)，由以上式子聯(lián)立可得r=d故選：B。3．關(guān)于電磁波、能量量子化、電磁感應(yīng)現(xiàn)象，下列說法正確的是（）A．麥克斯韋預(yù)言并證實(shí)了電磁波的存在 B．電磁波是一種客觀存在的物質(zhì) C．普朗克認(rèn)為微觀粒子的能量是連續(xù)的 D．奧斯特通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了“磁生電”是一種在變化、運(yùn)動(dòng)的過程中才能出現(xiàn)的現(xiàn)象【答案】B【解答】解：A、麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，但證實(shí)電磁波存在的實(shí)驗(yàn)是由赫茲完成的，故A錯(cuò)誤；B、電磁波是一種客觀存在的物質(zhì)，它以波的形式傳播，不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播，故B正確；C、普朗克認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，即能量不是連續(xù)的，而是以特定的最小單位（量子）存在，故C錯(cuò)誤；D、奧斯特通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，即“電生磁”，而“磁生電”即電磁感應(yīng)現(xiàn)象是由法拉第發(fā)現(xiàn)的，故D錯(cuò)誤。故選：B。4．近年來，江西省科學(xué)家發(fā)明硅襯底氮化鎵基系列發(fā)光二極管（LED），開創(chuàng)了國際上第三條LED技術(shù)路線。某氮化鎵基LED材料的簡化能級如圖所示，若能級差為2.20eV（約3.52×10﹣19J），普朗克常量h＝6.63×10﹣34J?s，則發(fā)光頻率約為（）A．6.38×1014Hz B．5.67×1014Hz C．5.31×1014Hz D．4.67×1014Hz【答案】C【解答】解：輻射光子能量為?＝3.52×10﹣19J，根據(jù)?＝hν解得ν＝5.31×1014Hz故C正確，ABD錯(cuò)誤。故選：C。5．熱輻射是指物體由于具有溫度而向外輻射電磁波的現(xiàn)象，輻射強(qiáng)度是指垂直于電磁波傳播方向上的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)所接收到的輻射能量。如圖所示，在研究某一黑體熱輻射時(shí)，得到了四種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系。圖中橫軸λ表示電磁波的波長，縱軸表示某種波長電磁波的輻射強(qiáng)度，則由圖可知，同一黑體在不同溫度下（）A．向外輻射同一波長的電磁波的輻射強(qiáng)度均增大 B．向外輻射的電磁波的總能量隨溫度升高而減小 C．輻射強(qiáng)度的極大值隨溫度升高而向波長較長的方向移動(dòng) D．輻射強(qiáng)度的極大值隨溫度升高而向波長較短的方向移動(dòng)【答案】D【解答】解：A、由輻射強(qiáng)度圖線可知，向外輻射相同波長的電磁波的輻射強(qiáng)度隨溫度的變化而不同，同一黑體在不同溫度下向外輻射相同波長的電磁波的輻射強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，故A錯(cuò)誤；B、從圖像可知，溫度升高時(shí)，輻射強(qiáng)度整體呈上升趨勢（尤其是短波部分），因此向外輻射的電磁波的總能量隨溫度升高而增大，故B錯(cuò)誤；CD、同一黑體在不同溫度下隨溫度的增加向外輻射的最大輻射強(qiáng)度的電磁波的波長向短波方向偏移，故C錯(cuò)誤，D正確。故選：D。6．某種元素的光譜線如圖所示，其中紅光和藍(lán)光相比，在真空中紅光具有較大的（）A．波長 B．速度 C．頻率 D．能量子【答案】A【解答】解：ACD．根據(jù)電磁波譜可知，在真空中紅光的波長較大，根據(jù)λ=c可知，紅光的頻率比藍(lán)光的頻率低，根據(jù)E＝hν可知紅光的能量比藍(lán)光的能量小，故A正確，CD錯(cuò)誤。B．電磁波在真空中的速度都相同，在真空中紅光的波速等于藍(lán)光的波速，為光速，故B錯(cuò)誤。故選：A。7．一對正負(fù)電子相遇后轉(zhuǎn)化為一對光子的過程稱為湮滅。已知電子質(zhì)量為m＝9.1×10﹣31kg，真空中光速c＝3×108m/s，普朗克常量為h＝6.63×10﹣34J?s。則一對靜止的正負(fù)電子覀滅后產(chǎn)生的每個(gè)光子的動(dòng)量大小為（）A．2.73×10﹣22kg?m/s B．2.73×10﹣21kg?m/s C．1.60×10﹣45kg?m/s D．1.60×10﹣44kg?m/s【答案】A【解答】解：一對靜止的正負(fù)電子湮滅后產(chǎn)生的光子動(dòng)量和為0，兩光子的頻率相同，動(dòng)量大小相同；結(jié)合愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝2mc2＝hν光子的動(dòng)量p=解得p＝2.73×10﹣22kg?m/s故A正確，BCD錯(cuò)誤。故選：A。8．被譽(yù)為“中國天眼”的大口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)660余顆新脈沖星，領(lǐng)先世界。天眼對距地球?yàn)長的天體進(jìn)行觀測，其接收光子的橫截面半徑為R。若天體射向天眼的輻射光子中，有η（η＜1）倍被天眼接收，天眼每秒接收到該天體發(fā)出的頻率為ν的N個(gè)光子。普朗克常量為h，則該天體發(fā)射頻率為ν光子的功率為（）測量序號(hào)Bx/μTBy/μTBz/μT1021﹣4520﹣20﹣463210﹣454﹣210﹣45A．4NL2hνR2η B．2N【答案】A【解答】解：設(shè)該天體發(fā)射頻率為ν的光子的功率為P，則t時(shí)間內(nèi)該天體向外輻射的光子的總能量為E＝Pt，以天體為圓心、L為半徑的球面面積為S1=4πL2，則地球上單位面積接收到的光子的能量為E0=E故選：A。二．多選題（共3小題）（多選）9．普通物體輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的，具有一定的分布規(guī)律，這種分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，下列說法正確的是（）A．黑體輻射強(qiáng)度按波長的分布只跟黑體溫度有關(guān)，與黑體材料無關(guān) B．當(dāng)溫度降低時(shí)，各種波長的電磁波輻射強(qiáng)度均有所增加 C．當(dāng)溫度升高時(shí)，輻射強(qiáng)度峰值向波長較短的方向移動(dòng) D．黑體不能夠完全吸收照射到它上面的所有電磁波【答案】AC【解答】解：A、一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，還與材料的種類及表面情況有關(guān)；但黑體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)，故A正確；B、當(dāng)溫度降低時(shí)，各種波長的電磁波輻射強(qiáng)度均有所減小，故B錯(cuò)誤；C、當(dāng)溫度升高時(shí)，輻射強(qiáng)度峰值向波長較短的方向移動(dòng)，故C正確；D、黑體之所以稱為黑體，就是能夠完全吸收照射到它上面的所有電磁波，故D錯(cuò)誤。故選：AC。（多選）10．