新教材高中物理第13章电磁感应与电磁波初步5

5．能量量子化1．了解热辐射的概念和特点，了解黑体的概念及黑体辐射的特点。

2．了解能量子的概念及其提出的科学过程，了解光子的概念，了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。

3．了解能级的概念，并能解释原子光谱的分立特征，了解量子力学的建立。

一、热辐射1．热辐射(1)01电磁波，这种辐射与02物体的温度有关，所以叫作热辐射。

(2)03温度而有所不同。

2．黑体(1)04完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生05反射，这种物体就叫作黑体。

(2)06温度有关。

二、能量子1．定义：普朗克假设，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε01整数倍，这个不可再分的最小能量值ε02能量子。

2．能量子大小：ε03hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，其值为h ＝6.63×10－34J·s。

304量子化的，或者说微观粒子的能量是05不连续(分立)的。

4．光子：爱因斯坦认为电磁场本身就是不连续的，也就是说，光本身就是由一个个不可06能量子组成的，这些能量子被叫作光子。

三、能级101量子化的，这些量子化的02能量值叫作能级。

2．用能级跃迁解释原子的发射光谱：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03能级之差。

由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是04分立的，因此原子的发射光谱只有一些05分立的亮线。

3．量子力学：能很好地描述06微观粒子运动的规律。

(1)热辐射在高温下才能发生吗？提示：任何温度的物体都能发生热辐射，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)量子力学否认了经典力学吗？提示：没有。

宏观物体的运动规律仍能用经典力学说明，而微观粒子的运动规律用量子力学能更好地解释。

(1)黑体就是黑色的物体。

( )(2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。

( )(3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。

( )(4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。

( )(5)原子从低能级跃迁到高能级要吸收能量。

( )提示：(1)×(2)√(3)√(4)√(5)√课堂任务热辐射仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。

活动1：如图所示，在火炉旁会有什么感觉？这表明什么？提示：会感到温暖、明亮，且温度越高越暖和、越明亮。

这表明火炉在向外辐射光和热量。

活动2：热辐射本质上就是辐射电磁波，光就是一种电磁波。

投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿是什么颜色？这表明什么？提示：铁块一开始是黑色，随着不断加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。

这表明辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。

活动3：一座建设中的楼房还没有安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？提示：会发现窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比暗得多。

这是因为经窗口射入室内的光线，大部分要在室内经过多次反射，才可能有机会射出窗口，在多次反射的过程中，大部分光线被吸收掉，能从窗口射出的光线很少。

活动4：讨论、交流、展示，得出结论。

(1)热辐射①理解：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。

②热辐射的特点：物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。

当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。

即辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。

(2)物体表面对外界射来的电磁波的吸收和反射除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。

常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。

(3)黑体①理解：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体就叫作黑体。

②黑体辐射的特点：辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关。

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)一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关吗？提示：一般物体辐射电磁波的情况不只与温度有关。

(2)黑体辐射电磁波的情况与什么有关？提示：黑体辐射电磁波的情况只与温度有关。

[规范解答]根据热辐射的定义，A正确；一般物体辐射电磁波的情况不只与温度有关，而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热辐射特点吸收、反射电磁波的特点一般物体辐射强度按波长的分布情况与温度有关既吸收又反射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[变式训练1] (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( )A．T1>T2B．T1<T2C．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解析温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强，故T1>T2，A正确，B错误；由图可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向较短波长方向移动，C错误，D正确。

课堂任务能量子与能级仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。

活动1：按照经典的电磁理论，电磁辐射是如何产生的？提示：物体中存在着不停运动的带电微粒，带电微粒的振动会产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。

活动2：用经典的电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重的困难。

图甲是普朗克借助能量子假说得出的公式作出的，与实验符合得非常好，这说明微观世界的能量有什么特点？提示：普朗克公式完全解释了黑体辐射的实验规律，说明普朗克的假设是正确的。

这意味着微观世界的能量是分立的，不连续的，与我们认识的宏观世界中能量是连续的有所不同。

活动3：图乙是氢原子的发射光谱，光谱中只有一些分立的亮线，这说明原子的能量有什么特征？提示：氢原子的发射光谱只有一些分立的亮线，说明微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。

活动4：讨论、交流、展示，得出结论。

(1)普朗克的能量子理论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ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。

②能量子公式ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s。

③能量的量子化微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续(分立)的。

④借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好。

⑤在宏观尺度内研究物体的能量与研究微观粒子的能量的不同在宏观尺度内研究物体的能量时，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；在研究微观粒子的能量时，必须考虑能量量子化。

(2)光子爱因斯坦把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。

也就是说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量。

这些能量子后来被叫作光子。

(3)能级①定义：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。

这些量子化的能量值叫作能级。

②理解：通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。

原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。

这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。

原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。

由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。

(4)量子力学的建立19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明。

20世纪20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。

例2 “神光Ⅱ”装置是高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400 J、波长λ为0.35 μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，则该紫外激光所含能量子数为多少个？(结果保留两位有效数字)(1)能量子公式是什么？提示：ε＝hν。

(2)根据紫外激光的波长，如何求出该激光的频率？提示：由c＝λν可得，光的频率ν＝cλ。

[规范解答]激光的能量子为ε＝h cλ，该紫外激光中所含能量子数为n＝Eε＝24006.63×10－34×3.0×1080.35×10－6≈4.2×1021。

[完美答案] 4.2×1021解有关能量子问题的技巧(1)熟练掌握能量子的计算公式：ε＝hν＝hc λ。

(2)把握宏观能量E 与微观能量子ε的关系：E ＝Pt ＝nε。

(3)正确建立模型。

[变式训练2] 某激光器能发射波长为λ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光子数为( )A.λP hc B ．hP λcC ．cλPhD ．λPhc答案 A解析 光子能量计算公式为ε＝h cλ，设每秒(t ＝1 s)激光器发出的光子数为n ，则Pt ＝nε，解得n ＝λPhc，故A 正确，B 、C 、D 错误。

A 组：合格性水平训练1．(热辐射的理解和应用)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过，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到人反射，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，温度高时较短波长的辐射成分强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，温度高时较长波长的辐射成分强答案 C解析 根据热辐射的规律可知，随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越强，人的体温的高低，直接决定了辐射的红外线强度按波长的分布情况，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．(热辐射的特点)关于对热辐射的认识，下列说法中正确的是( )A．热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波B．温度越高，物体辐射的电磁波越强C．辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关D．常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色答案 B解析一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，对于一般材料的物体，辐射强度按波长的分布除与物体的温度有关外，还与其他因素有关，B正确，A、C错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，D错误。