1、5能量量子化 第十三章 电磁感应与电磁波初步 核心素养明目标 核心素养学习目标 物理观念(1)知道热辐射、了解黑体辐射。(2)知道能量是量子化的，知道能量子的概念。(3)知道能级、能级跃迁、原子发射光谱等概念。科学思维根据黑体辐射的实验规律，分析黑体辐射的强度与波长的关系。核心素养学习目标 科学探究由黑体辐射实验结论与光的电磁理论的矛盾，探究能量子的概念建立的科学过程。科学态度与责任(1)根据能量子提出的过程，领会这一科学突破过程中的思想。(2)初步认识量子力学的建立在科技中的重要作用。自主预习探新知 NO.1知识点一 知识点二 知识点三 知识点一 热辐射 1热辐射(1)定义：我们周围的一切物
2、体都在辐射_。这种辐射与物体的_有关，所以叫作热辐射。(2)特点：当温度升高时，热辐射中波长_的成分越来越强。电磁波温度较短2黑体(1)定义：某种物体能够_吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。(2)特点：黑体不反射电磁波，但可以_电磁波。黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的_有关。完全向外辐射温度一般材料的物体，辐射电磁波的情况不仅与温度有关，还与材料的种类及表面状况有关。1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)温度越高，物体辐射的电磁波越强。()(2)辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关。()(3)黑体辐射电磁波的强度按波
3、长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。()知识点二 能量子 1普朗克的假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的_。2能量子：这个不可再分的_能量值 叫作能量子。3能量子公式：h，其中 是电磁波的频率，h 称为_。h_ Js。4光子：光本身就是由一个个不可分割的_组成的，频率为 的光的能量子为_，这些能量子被叫作光子。整数倍最小普朗克常量6.6261034能量子h2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。()(2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。()知识点三 能级 1定义：微观世界中能量取分立值的观念也适用
4、于原子系统，原子的能量是_的，这些_的能量值叫作能级。量子化量子化2特点(1)原子处于能量最低的状态，是最_的。(2)原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到_的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量_的能级跃迁，放出光子。(3)原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个_。稳定较高较低能级之差(1)能级越低，原子越稳定。(2)除受到高速运动的电子的撞击外，当吸收一定大小的光子的能量(等于跃迁前后的两能级之差)时，原子也能跃迁到高能级。3：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)电子吸收某种频率条件的光子时会从较低的能量状态跃迁到较高的能量状态。()(2)原子从
5、高能态向低能态跃迁时辐射任意频率的光子。()(3)原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁，从较高能级跃迁到较低能级会放出光子。()合作探究提素养 NO.2考点1 考点2 考点3 考点 1 对黑体和黑体辐射的理解 煤烟很接近黑体，其吸收率为 99%，即投射到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收，把一定量的煤烟置于阳光下照射，问它的温度是否一直在上升？提示：不会。煤烟吸收能量的同时还伴随着能量的辐射，最终将趋于平衡；温度不再升高。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
6、射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。(2)黑体不一定是黑的，只有当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。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体来处理。2一般物体与黑体的比较 热辐射特点吸收、反射特点 一般 物体辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关 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完全吸收各种入射电磁波，不反射 3黑体辐射的实验规律(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。(2)随着温度的升高 各种波长的辐射
7、强度都有增加；辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。如图所示。【典例 1】(多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图所示，这是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像，则下列说法正确的是()AT1T2 BT1T2 C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 AD 一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度、辐射光的波长、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的物体，黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关；实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度
8、都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。从题图中可以看出，1T2，选项 A、D 正确。熟悉黑体辐射特点是解决问题的关键。随着温度的升高，各种波长的辐射本领都在增加，当黑体温度升高时，辐射强度极大值向短波方向移动。跟进训练 1关于对黑体的认识，下列说法正确的是()A黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的 B黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关 C黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关 D如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体
9、 C 黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，故选项 A 错误；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，故选项 B错误，选项 C 正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而不是空腔，故选项 D 错误。考点 2 能量子的理解和计算 普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同？提示：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认为能量是一份一份的，每一份是一个最小能量单位，即能量是不连续的。1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，这种现象叫作能量的量子化。2能量子观点与黑体辐射实验的比较 普朗克能量子假设认为微观粒子的能
10、量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。借助于能量子的假说，普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得很好。3对能量量子化的理解(1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”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。【典例 2】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 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为 6.631034 Js，光速为 3.0108 m/s，则
11、人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()A2.31018 W B3.81019 W C7.01010 WD1.21018 W A 因每秒有 6 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，所以察觉到绿光所接收的最小功率 PEt，式中 E6，t1 s，又 hhc，可解得 P66.63103431085301091 W2.31018 W，故 A正确。有关能量子问题的解题技巧(1)熟练掌握能量子的计算公式：hhc。(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。跟进训练 2(多选)以下宏观概念中，是“量子化”的有()A物体的带电荷量B物体的质量 C物体的动量D学生的个数 AD 所
12、谓“量子化”应该是不连续的，是一份一份的，故 A、D 正确。考点 3 能级 能级跃迁 玻尔认为，电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动，如氢原子中电子运动轨道的最小半径是 0.531010 m，其他的轨道半径只能是2.121010 m、4.771010 m 等，轨道半径不可能是介于这些值之间的中间值，经典物理学的观点是怎样的？提示：根据经典理论，随着不断向外辐射能量，电子的能量减少，电子绕原子核运行的轨道半径连续地减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造地球卫星受到阻力作用不断损失能量后，要落到地面上的一样。1能级(1)电子在可能的轨道上运动时，虽然是变速运动，但它并不
13、释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称之为定态。(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的，具有的能量也是不连续的，这样的能量值，称为能级，量子数 n 越大，表示能级越高。(3)原子的能量包括：原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。2能级跃迁：原子从一种定态(设能量为 E2)跃迁到另一种定态(设能量为 E1)时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定。【典例 3】两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，第一束光在某段时间内打在物体表面的光子数与第二束光在相同时间内打在物体表面的光子数之比为 54，则这两束光的光子能量和波长之比分别为()A45 45
14、B54 45 C54 54D45 54 D 两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，在相同时间内打在物体表面的光子数之比为 54，根据 ENE0 可得两束光光子能量之比为 45；再根据 E0hhc知，光子能量与波长成反比，故两束光波长之比为 54。选项 D 正确。跟进训练 3(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是()A以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收 B辐射和吸收的能量是某一最小能量值的整数倍 C吸收的能量可以是连续的 D辐射和吸收的能量是量子化的 ABD 根据能量子假设可知，带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍，A、B 正确；带电微粒辐射和吸
15、收的能量不是连续的，而是量子化的，故 C 错误，D 正确。当堂达标夯基础 NO.31 2 3 4 1对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是()A温度 B材料 C表面状况D以上都正确 A 根据黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素知其只与温度有关，A 正确。5 1 2 3 4 2普朗克常量是自然界的一个基本常数，它的数值是()A6.021023 molB6.625103 mols C6.6261034 JsD1.381016 mols C 普朗克常量是一个定值，由实验测得它的精确数值为6.6261034 Js，在记忆时关键要注意它的单位。5 1 2 3 4 3下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系
16、的图像中，符合黑体辐射实验规律的是()A B C D 5 1 2 3 4 A 根据黑体辐射的实验规律：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故选项 A 正确。5 1 2 3 4 4(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的黑体谱相关的说法正确的是()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
17、研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说 5 1 2 3 4 ACD 微波是一种电磁波，它的波长在 103 m10 m 之间，微波传播不需要介质，A 正确，B 错误；由于分子和原子的热运动引起的一切物体不断向外辐射的电磁波又叫热辐射，C 正确；普朗克引入能量子假说建立的黑体辐射理论与实验符合非常好，D 正确。5 1 2 3 4 5 5情境：在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用，蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温约 37，它发出的最强的热辐射的波长为 min。1 2 3 4 5 问题：若 min 与辐射源的绝对温
18、度 T 的关系近似为 Tmin2.90103mK，则老鼠发出的最强的热辐射的波长是多少？解析 由 Tmin2.90103 mK 可得，老鼠发出最强的热辐射的波长为 min2.90103mKT2.9010327337 m9.4106 m。答案 9.4106 m 回归本节知识，自我完成以下问题：1黑体是指黑颜色的物体吗？提示：黑体不是指黑颜色的物体，是指能完全吸收电磁波而不发生反射的物体。2为了得出同实验相符的黑体辐射公式，普朗克提出了什么样的观点？提示：普朗克提出了量子化的观点，量子化是微观世界的基本特点，其所有的变化都是不连续的。3什么是能级？提示：原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。点击右图进入 课 后 素 养 落 实 谢谢观看 THANK YOU!