最新人教版高中物理必修三第十三章电磁感应与电磁波初步 5能量量子化

5．能量量子化【课程标准】1.知道光的能量是不连续的。

2．初步了解微观世界的量子化特征。

【素养目标】1．了解黑体、黑体辐射和能量子概念。

(物理观念)2．知道光能量是不连续的，了解能量子概念建立的过程。

(科学思维)一、热辐射1．热辐射：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。

物体热辐射中随温度的升高，辐射的较短波长的电磁波的成分越来越强。

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)黑体辐射的实验规律：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。

3．热辐射的原因：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。

把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。

随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。

铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。

为什么会有这样的变化呢？提示：辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。

二、能量子1．普朗克的假设：振动着的带电微粒能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。

即能的辐射或者吸收只能是一份一份的。

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＝6.626×10－34J·s。

(一般取h＝6.63×10－34J·s)3．能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。

这种现象叫能量的量子化。

4．普朗克理论：(1)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，与实验符合之好令人击掌叫绝。

(2)普朗克在1900年把能量子列入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。

5．光子说：(1)爱因斯坦认为电磁场本身就是不连续的。

(2)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。

三、能级1．定义：原子的能量是量子化的，这些量子化的能量叫作能级。

2．能级跃迁：(1)通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。

(2)把原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁。

(3)处于高能级的原子，自发地向低能级跃迁时放出光子，原子从高能级向低能级跃迁时放出光子的能量，等于前后两个能级之差。

3．原子光谱：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。

学习能量量子化后，我们分析判断下列哪些说法是正确的？①能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。

②温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。

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光滑水平桌面上匀速运动的小球的动能也是量子化的。

⑥热辐射电磁波的强度按波长的分布只与物体的温度有关。

⑦一切物体都辐射电磁波，这种辐射与温度无关。

说法正确的有①②③④。

一、对黑体及黑体辐射的理解(物理观念——物质观念)一座建设中的楼房还没有安装窗子，尽管室内已粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼外墙的亮度相比。

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。

1．对黑体的理解：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。

2．一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①各种波长的辐射强度都有所增加；②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

如图所示。

4．普朗克的量子化假设的意义普朗克的能量子假设，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。

成为物理学发展史上一个重大转折点。

提醒：普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征。

【典例】黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知()A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动【解析】选A。

由图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A 正确，B、C、D错误。

电磁波的辐射和吸收(1)比较辐射、吸收首先要分清是黑体还是一般物体。

(2)随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

(3)能量子假说的意义：可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象。

1．下列叙述正确的是()A．只有高温物体才辐射电磁波B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C．一般物体辐射电磁波的情况只与材料有关D．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关【解析】选D。

根据热辐射定义知一切物体都在辐射电磁波，故A错误；根据热辐射和黑体辐射的特点知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，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B、C错误，D正确。

2．已知温度T1>T2，能正确反映黑体辐射规律的图像是()【解析】选B。

由黑体辐射的规律，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，因T1＞T2，则A、C、D 错误，B正确。

【拔高题组】1．关于对黑体的认识，下列说法正确的是()A．黑体是黑色的，且其自身辐射电磁波B．黑体辐射电磁波的强度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【解析】选C。

黑体自身辐射电磁波，但不一定是黑色的，故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B错误，C正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔，故D 错误。

2．某气体在T1、T2两种不同温度下的分子速率分布图像如图甲所示，纵坐标f(v)表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比，横坐标v表示分子的速率；而黑体辐射的实验规律如图乙所示，图乙中画出了T1、T2两种不同温度下黑体辐射的强度与波长的关系。

下列说法正确的是()A.图甲中T1>T2B．图乙中T1<T2C．图甲中温度升高，所有分子的速率都增大D．图乙中温度升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动【解析】选D。

由图甲可知，温度为T2的图线中速率大的分子占据的比例较大，则说明其对应的平均动能较大，故T2对应的温度较高，T1＜T2；温度升高使得气体分子的平均速率增大，不一定每一个气体分子的速率都增大，故A、C错误；由图乙可以看出，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，则T1>T2，故B错误，D正确。

二、能量子和能级(物理观念——能量观念)如图所示为我国首颗量子通信卫星“墨子号”。

“墨子号”的成功发射使我国在量子通信技术领域走在了世界前列。

那么，量子通信的理论基础是什么？该理论的提出背景又是什么？提示：量子通信的理论基础来源于德国物理学家的能量量子化假设。

该假设提出的背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律。

1．能量子的理解：(1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”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，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。

2．普朗克能量量子化假说的意义：(1)如图所示，假设与实验结果“令人满意地相符”，图中小圆点表示实验值，曲线是根据普朗克公式作出的。

(2)普朗克的能量量子假说，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。

普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征，架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁。

3．能量量子化：(1)电子在可能轨道上运动时，虽然是变速运动，但它并不释放能量，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：原子和原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。

4．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】“神光Ⅱ”装置是高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2 400 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)【解题探究】(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。

【解析】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＝2 4006.63×10－34×3.0×1080.35×10－6≈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＝hcλ。

(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。

1．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．λPhc B．hPλc C．cλPh D．λPhc【解析】选A。

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。

2．普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，开创了物理学的新纪元。

在下列宏观概念中，具有“量子化”特征的是()A．人的个数B．物体所受的重力C．物体的动能D．物体的长度【解析】选A。