1、第1节能量量子化1了解黑体、热辐射和黑体辐射的概念，了解黑体辐射的规律。2了解能量子的概念，了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。3了解能量子概念的提出过程，体会物理学发展的艰辛。4了解科学家探索微观世界规律的方法，培养热爱科学的科学态度与责任。一、黑体与黑体辐射1热辐射(1)定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体温度有关，所以叫热辐射。(2)特性：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。2黑体(1)定义：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，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。(2)黑体辐射特点：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。二、
2、黑体辐射的实验规律1如图所示，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加。2辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动。三、能量子1定义：普朗克认为，带电微粒辐射或吸收能量时，只能是辐射或吸收某个最小能量值的整数倍，这个不可再分的最小能量值叫做能量子。2大小：h，其中是电磁波的频率，h是普朗克常量，数值h6.6261034 Js。(一般h取6.631034 Js)判一判(1)黑体就是黑色的物体。()(2)黑体是一种理想模型，生活中并不存在。但有些情况物体可近似看成黑体。()(3)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。()提示：(1)(2)(
3、3)想一想(1)热辐射在高温下才能发生吗？提示：任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。(2)投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？提示：投在炉中的铁块一开始是黑色，过一会儿随着温度的升高，铁块逐渐变为红色，这是因为同一物体热辐射的强度与温度有关。(3)一般物体的热辐射与黑体辐射有什么区别？提示：课堂任务黑体辐射1对黑体的理解(1)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。如图所示，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，这个小孔就成了一个绝对黑体。(2)黑
4、体看上去不一定是黑的，有些可看成黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮。2黑体辐射的实验规律在一定温度下，黑体辐射的各种波长的电磁波强度是一定的，且各种波长的电磁波强度不同，有一种波长的电磁波强度最大；随着温度的升高，黑体辐射的各种波长的电磁波的强度增加，并且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。例1(多选)下列叙述正确的是()A一切物体都在辐射电磁波B一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波(1)黑体辐射有什么特殊性？提示：黑体辐射只与温度有关，而一般物体辐射还与材料种类和表面状况有关。(2)黑体
5、辐射时只辐射可见光吗？提示：不是。黑体可以辐射各种波长的电磁波。规范解答根据热辐射的定义，A正确；因为一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，故B错误，C正确；根据黑体的定义知D正确。完美答案ACD一般物体与黑体的比较(多选)如图所示为T1、T2温度时黑体辐射强度与波长的关系，则下列选项正确的是()AT1T2BT1T2C随温度升高，各种波长的辐射强度都减小D随温度升高，辐射强度的极大值向较短波长方向移动答案AD解析温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，A正确，B、C错误；随着温度的升高，辐射强度的极大值向较短波长方向移动，D正确。课堂任
6、务能量量子化1能量子黑体的空腔壁是由大量振子(振动着的带电微粒)组成的，其能量只能是某一最小能量值的整数倍。例如可能是或2、3、。当振子辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地进行。这个不可再分的最小能量值叫做能量子，h，其中是电磁波的频率，h是普朗克常量(h6.6261034 Js)。2能量的量子化在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化。3能量量子化的理解(1)物体在发射或吸收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。(2)在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量
7、变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。(3)能量子的能量h，其中，h是普朗克常量，是电磁波的频率。例2太阳光垂直射到地面上时，地面上1 m2接收的太阳光的功率为1.4 kW，其中可见光部分约占45%。假如认为可见光的波长约为0.55 m，日地间距离R1.51011 m。普朗克常量h6.61034 Js，估算：(1)地面上1 m2面积上每秒接收到的可见光光子数？(2)太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少？(1)已知波长和波速v，如何求频率？提示：由波速公式v可得：。(2)发光功率与单个光子能量的关系？提示：发光功率Pn，其中n为单位时间发出的光子数目，为单个光子能量。规
8、范解答(1)设地面上垂直于阳光的1 m2面积上每秒钟接收的可见光光子数为n，则有P45%nh。解得n个1.751021个。(2)设想一个以太阳为球心，以日地间距离为半径的大球面包围着太阳。大球面接收的光子数即等于太阳辐射的全部光子数。则所求可见光光子数Nn4R21.75102143.14(1.51011)2个4.91044个。完美答案(1)1.751021个(2)4.91044个解有关能量子问题的技巧(1)熟练掌握能量子的计算公式：h。(2)把握宏观能量EPt与微观能量子的关系：En。(3)正确建立模型。某激光器能发射波长为的激光，发射功率为P，c表示光速，h表示普朗克常量，则激光器每秒发射的
9、光的能量子数为()A. B. C. DPhc答案A解析光的能量子计算公式为h，设每秒(t1 s)激光器发出的光能量子数为n，则Ptn，解得n，故A正确，B、C、D错误。A组：合格性水平训练1(热辐射)很多地方用红外线热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走，便可知道他的体温是多少，关于其原理，下列说法正确的是()A人的体温会影响周围空气温度，仪器通过测量空气温度便可知道人的体温B仪器发出的红外线遇人反射，反射情况与被测者的温度有关C被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较短波长的成分强D被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐
10、射强且较长波长的成分强答案C解析根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，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，人的体温的高低，直接决定了辐射的红外线的强度随波长的分布，通过监测被测者辐射的红外线的情况，就可知道这个人的体温，故C正确，A、B、D错误。2(对黑体辐射的理解)对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是()A温度 B材料C表面状况 D质量答案A解析黑体辐射随波长的分布只与温度有关，A正确。3(黑体辐射的规律)下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是()答案A解析随着温度的升高，辐射强度增加，辐射强度的极大值向着波长较短的方
11、向移动，A正确，B、C、D错误。4(综合)(多选)2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点，下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中，正确的是()A微波是指波长在103 m到10 m之间的电磁波B微波和声波一样都只能在介质中传播C黑体的热辐射实际上是电磁辐射D普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说答案ACD解析微波是指频率在30 MHz到300 GHz的电磁波，即波长在103 m到10 m的电磁波，故A项正确。物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波
12、的现象称为热辐射，所以黑体的热辐射实际上是电磁辐射，而电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，故B项错误，C项正确。普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说后，成功拟合了黑体辐射曲线，故D项正确。5(能量子)(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是()A振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值B带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍C能量子与电磁波的频率成正比D这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的答案BC解析根据普朗克能量子假说知，A错误，B、C正确；普朗克能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，D错误。6(综合)真空中，波长为6.0107 m的单
13、色光，问：(1)这一单色光的频率是多大？(2)此单色光的1个能量子的能量是多少焦？(普朗克常量h6.631034 Js)答案(1)5.01014 Hz(2)3.3151019 J解析(1)真空中光的传播速度为3108 m/s，根据公式 Hz5.01014 Hz。(2)1个能量子的能量h6.6310345.01014 J3.3151019 J。B组：等级性水平训练7(对热辐射的理解)关于热辐射，下列说法中正确的是()A一般物体的热辐射强度只与物体的温度有关B黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，所以黑体一定是黑的C一定温度下，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值D温度升高时，黑体辐射强度的极大值向波长
14、增大的方向移动答案C解析一般物体热辐射，除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，A错误；黑体不反射电磁波，但自身可能辐射电磁波，看起来不一定是黑的，B错误；黑体辐射强度随波长的分布仅与温度有关，随温度升高辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，C正确；D错误。8(能量子)红光和紫光相比()A红光能量子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大B红光能量子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大C红光能量子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小D红光能量子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小答案B解析红光的波长比紫光长，则红光的频率比紫光低，所以红光能量子的能量较
15、小；在同一种介质中紫光的折射率比红光大，则传播时红光的速度较大，故B正确，A、C、D错误。9(综合)人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的能量子射入瞳孔，眼睛就能察觉，普朗克常量为6.631034 Js，光速为3.0108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()A2.31018 W B3.81019 WC7.01018 W D1.21018 W答案A解析每秒有6个绿光的能量子射入瞳孔，所以察觉到绿光所接收到的最小功率为P W2.31018 W。10(综合)红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲。现有一红
16、宝石激光器，发射功率为P1.0106 W，所发射的光脉冲持续时间t1.01011 s，波长为693.4 nm，求：(普朗克常量h6.631034 Js，光速c3.0108 m/s，计算结果保留两位有效数字)(1)每个光脉冲的长度；(2)每个光脉冲含有的能量子数。答案(1)3.0103 m(2)3.51013个解析(1)光脉冲的长度即光的一个脉冲时间内传播的距离，可知每个光脉冲的长度为：sct3.01081.01011 m3.0103 m。(2)每个光脉冲的能量为WPt1.01061.01011 J1.0105 J。每个能量子的能量为h6.631034 J2.8681019 J。故每个光脉冲含有
17、的能量子数n3.51013个。11(综合)某广播电台发射功率为10 kW，在空气中所发射的电磁波的波长为187.5 m。(计算结果保留两位有效数字)(1)该电台每秒钟从天线发射多少个能量子？(2)若发射的能量子四面八方视为均匀的，求在离天线2.5 km处，直径为2 m的环状天线每秒接收的能量子的个数以及接收功率。答案(1)9.41030个(2)3.81023 个4.0104 W解析(1)每个能量子的能量h J1.06081027 J，则每秒钟电台发射上述波长的电磁波的能量子数：N9.41030个。(2)设环状天线每秒接收能量子数为n，以电台发射天线为球心，则半径为R的球表面积S4R2，而环状天线的面积Sr2，所以nN3.81023个。接收功率P收P4.0104 W。