高中物理新教材同步必修第三册 第13章 5 能量量子化

5能量量子化[学习目标] 1.了解热辐射和黑体的概念.2.初步了解微观世界的量子化特征，知道普朗克常量.3.了解原子的能级结构．一、热辐射1．概念：一切物体都在辐射电磁波，且辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射．2．特点：温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强．3．黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射．二、能量子1．概念：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，这个最小的能量值ε叫能量子．2．大小：ε＝hν，其中h＝6.63×10－34 J·s.3．爱因斯坦光子说：光是由一个个不可分割的能量子组成，能量大小为hν，光的能量子称为光子．三、能级1．原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能级．2．原子从高能态向低能态跃迁时放出光子，光子的能量等于前后两个能级之差．3．原子的能级是分立的，放出的光子的能量也是分立的，原子的发射光谱只有一些分立的亮线．判断下列说法的正误．(1)红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线．(×)(2)黑体一定是黑色的．(×)(3)热辐射只能产生于高温物体．(×)(4)当原子从能量较高的能态跃迁到能量较低的能态时，会放出任意能量的光子．(×)一、热辐射和黑体辐射1．黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况．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；有些可看成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．3．黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关．4．一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强．在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同．热辐射特点吸收、反射的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、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的波长等因素有关黑体辐射电磁波的强弱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(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答案ACD解析根据热辐射定义知，A正确；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错误，C正确；根据黑体定义知，D正确．针对训练1(多选)下列说法正确的是()A．只有温度高的物体才会有热辐射B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量C．黑体可以看起来很明亮，是因为黑体可以有较强的辐射D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关答案CD解析任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能量越多，A错误；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叫作黑体，黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波，有些黑体有较强的辐射，看起来也可以很明亮，B错误，C正确；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，与构成黑体的材料、形状无关，而一般材料的物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关，D正确．二、能量子1．普朗克的能量子概念(1)能量子：普朗克认为微观世界中带电粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍，当带电粒子辐射或吸收能量时，也只能以这个最小能量值为单位一份一份地吸收或辐射，这样的一份最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν，其中h 叫作普朗克常量，实验测得h ＝6.63×10－34J·s ，ν为电磁波的频率．(2)能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化．量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的． 2．爱因斯坦的光子说光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子．频率为ν的光子的能量为ε＝hν.(多选)关于对能量子的认识，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εB ．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 由普朗克能量子假说可知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，A 错误，B 正确；最小能量值ε＝hν，C 正确；能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，并不与现实世界相矛盾，故D 错误．光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400～700 nm.400 nm 、700 nm 电磁波辐射的能量子的值各是多少？(结果均保留3位有效数字) 答案 4.97×10－19J 2.84×10－19J解析 根据公式ν＝cλ和ε＝hν可知：400 nm 电磁波辐射的能量子ε1＝h c λ1＝6.63×10－34×3.0×108400×10－9 J ≈4.97×10－19J. 700 nm 电磁波辐射的能量子ε2＝h c λ2＝6.63×10－34×3.0×108700×10－9 J ≈2.84×10－19 J. 三、能级1．原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能级．2．原子从高能态向低能态跃迁时放出光子，光子的能量等于前后两个能级之差． 3．放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱是一些分立的亮线．(多选)下列说法正确的是()A．原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化B．原子从低能级向高能级跃迁时放出光子C．原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，且光子的能量等于前后两个能级之差D．由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线答案CD解析原子的能量是量子化的，原子从高能级向低能级跃迁时向外放出光子．光子的能量hν＝E初－E末，由于能级的分立性，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线，故C、D正确．针对训练2(多选)关于原子的能级跃迁，下列说法正确的是()A．原子从低能级跃迁到高能级要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差B．原子不能从低能级向高能级跃迁C．原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁，放出光子后从较高能级跃迁到较低能级D．原子跃迁时无论是吸收光子还是放出光子，光子的能量都等于始、末两个能级的能量差的绝对值答案CD考点一热辐射和黑体辐射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．以上都正确答案 A解析影响黑体辐射电磁波的波长分布的因素是温度，故选项A正确，B、C、D错误．2．关于热辐射的认识，下列说法正确的是()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，与材料种类及表面状况无关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，A错误，B正确；选项C是黑体辐射的特性，C错误；除光源外，常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，D错误．3．(多选)下列说法正确的是()A．物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波B．当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高C．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强D．早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高答案BC解析物体在某一温度下能辐射不同波长的电磁波，A错误；铁块呈现黑色，是由于它的辐射强度的极大值对应的波长段在红外部分，甚至波长更长，说明它的温度不太高，当铁块的温度较高时铁块呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强，故B、C正确；太阳早、晚时分呈现红色，而中午时分呈现白色，是大气吸收与反射了部分光的原因，不能说明中午时分太阳温度最高，D错误．4．能正确解释黑体辐射实验规律的是()A．能量的连续经典理论B．普朗克提出的能量量子化理论C．以上两种理论体系任何一种都能解释D．牛顿提出的能量微粒说答案 B解析根据黑体辐射的实验规律，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释，故B正确，A、C、D错误．考点二能量子5．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．物体的长度答案 A解析依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地变化的，属于“不连续的，一份一份”的概念的是A选项，故A正确，B、C、D错误．6．(多选)对于带电微粒的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 答案 ABD解析 带电微粒辐射和吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸收的，是不连续的，故A 、B 、D 正确，C 错误． 7．下列有关光子的说法不正确的是( )A ．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子B ．光子是具有质量、能量和体积的实物微粒C ．光子的能量跟它的频率有关D ．紫光光子的能量比红光光子的能量大 答案 B解析 光是在空间传播的电磁波，是不连续的，是一份一份的能量，每一份叫作一个光子，A 正确；光子没有静止质量，也没有具体的体积，B 错误；根据E ＝hν可知光子的能量与光子的频率有关，紫光的频率大于红光的频率，所以紫光光子的能量比红光光子的能量大，C 、D 正确．8．已知某单色光的波长为λ，真空中光速为c ，普朗克常量为h ，则电磁波辐射的能量子ε的值为( ) A ．h c λB.hλC.c hλ D ．以上均不正确答案 A解析 由光速、波长的关系可得出光的频率ν＝c λ，从而ε＝hν＝h cλ，故A 正确．考点三 能级9．一个氢原子从较高能级跃迁到较低能级．该氢原子( ) A ．放出光子，能量增加 B ．放出光子，能量减少 C ．吸收光子，能量增加 D ．吸收光子，能量减少 答案 B解析 由原子的能级跃迁规律知，氢原子从高能级跃迁到低能级时，辐射一定频率的光子，氢原子能量减少，光子的能量由这两个能级的能量差决定．10．一个原子从某一高能级跃迁到另一低能级的过程中，该原子( ) A ．发出一系列频率的光子 B ．吸收一系列频率的光子 C ．吸收某一频率的光子 D ．辐射某一频率的光子 答案 D解析 原子从高能级向低能级跃迁，辐射光子，能量减少，原子在两能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量满足hν＝E m －E n ，所以题述原子要辐射某一频率的光子，故D 正确．11．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 为普朗克常量，则激光器t 时间内发射的光子数为( ) A.λPt hc B.hPt λc C.cPλht D ．λPhct答案 A解析 每个光子的能量ε＝hν＝hc λ，t 时间内发光的总能量为Pt ，则n ＝Pt ε＝λPthc ，故A 正确．12．能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18J ，已知可见光的平均波长为0.6 μm ，普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s ，恰能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为( )A ．1个B ．3个C ．30个D ．300个答案 B解析 每个光子的能量为E 0＝h c λ，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E 为10－18 J ，由E ＝nE 0得能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为n ＝E E 0＝Eλhc ＝10－18×6×10－76.63×10－34×3×108个≈3个，故选B.13．40瓦的白炽灯，有5%的能量转化为可见光．设所发射的可见光的平均波长为580 nm ，那么该白炽灯每秒辐射的光子数为多少？(普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s ，光速c ＝3×108 m/s)答案 5.8×1018个解析 波长为λ的光子能量为ε＝hν＝h cλ①设白炽灯每秒辐射的光子数为n ，白炽灯的电功率为P ， 则n ＝ηP ε②式中η＝5%是白炽灯的发光效率． 联立①②式得n ＝ηPλhc代入题给数据得n ≈5.8×1018(个)。