13.4 13.5　电磁波的发现及应用　能量量子化 学案（含解析）

13.4 13.5　电磁波的发现及应用　能量量子化
1. 了解麦克斯韦电磁场理论，知道电磁场的概念．
2. 知道电磁波的特点，会用电磁波波长、频率、波速之间的关系进行简单的计算．
3. 知道电磁波谱中各种电磁波的排列顺序，了解各种电磁波的应用，了解电磁波的能量．
4. 知道光是一种电磁波，知道光的能量是不连续的，初步了解微观世界的量子化特征．
1. 麦克斯韦电磁场理论
如图所示，当磁铁穿过闭合的金属导体时，我们知道导体中会产生感应电流．从微观角度看，这是因为电子产生了定向运动，说明电子必定受到某种力的作用做定向移动，这种力必定是电场力．麦克斯韦认为这个现象的实质是变化的磁场产生了电场．不管有无闭合电路，变化的磁场激发的电场总是存在的．
既然变化的磁场能够产生电场，那么，变化的电场能产生磁场吗？麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场与磁场的对称之美．他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场．即使没有电流存在，只要空间某处的电场发生变化，就会在其周围产生磁场．
按照这个理论，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场．
对麦克斯韦电磁场理论可作如下的理解：
恒定的磁场不产生电场 恒定的电场不产生磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场
周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场 周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场
(1) 下列关于电磁场理论的叙述，正确的是(　　)
A. 变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关
B. 周期性变化的磁场产生恒定的电场
C. 变化的电场和稳定的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场
D. 电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场
(2) 下列关于麦克斯韦的电磁场理论，说法正确的是(　　)
A. 变化的磁场产生的电场一定是变化的
B. 不均匀变化的电场产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生不均匀变化的电场
C. 稳定的磁场产生不稳定的电场
D. 周期性变化的磁场在周围空间产生的电场是周期性变化的
2. 电磁波
周期性变化的电场和磁场交替产生，形成电磁场，电磁场由近及远传播，形成电磁波，如图所示．
(1) 电磁波的传播不需要介质
水波和声波的传播都离不开介质，但是电磁波可以在真空中传播，不需要介质，为什么？
(2) 电磁波的传播速度
电磁波在真空中传播速度等于光速c＝3×108m/s.电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小．
阅读教材P121，了解波长、频率与波速之间的关系：波速＝波长×频率，即v＝λf.对于电磁波，用λ表示电磁波的波长、f表示频率、c表示波速，则有c＝λf.
有一个广播电台的频率f＝90.0 MHz，这个电台发射的电磁波的波长λ为(　　)
A. 2.70 m　　 B. 270 m　　 C. 3.00 m　　 D. 3.33 m
(3) 电磁波的实验验证
德国科学家　　　　的电火花实验证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路．
阅读教材“电磁波谱”“电磁波的能量”和“电磁波通信”三部分，完成下列问题：
1. 电磁波谱
按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱，叫作电磁波谱．电磁波谱按波长由大到小的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．
无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线
主要应用 通信、广播 红外探测器、红外体温计 引起视觉 灭菌、消毒、防伪 医学透视、安检 治疗疾病、金属探伤
频率 　　　　→　　　　（选填“大”或“小”）
　　下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象．请将相应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上．
(1) X光机，　　　　．
(2) 紫外线灯，　　　　．
(3) 理疗医用“神灯”照射伤口，可使伤口愈合得较好．这里的“神灯”是利用　　　　．
A. 红外线具有显著的热效应　　 B. 紫外线具有很强的荧光作用
C. 紫外线具有杀菌消毒作用　　 D. X射线具有很强的穿透力
2. 关于电磁波，下列说法中正确的是(　　)
A. 变化的电场一定在周围空间产生变化的磁场
B. 电磁场是一种客观存在的物质
C. 电磁波的发射过程是吸收能量的过程
D. 各种频率的电磁波在真空中以不同的速度来传播
1. 热辐射
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．热辐射的特点：温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强．
教材中介绍了一种物理模型——黑体，黑体能够完全吸收入射的各种波长的　　　　而不发生反射．黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关．
下列关于热辐射的叙述不正确的是(　　)
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
2. 能量子
为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试，进行了激烈的思想斗争.1900年底，普朗克作出了这样的大胆假设：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．即当带电微粒辐射或吸收能量时，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＝6.63×10-34 J·s，ν为电磁波的频率．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．
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．爱因斯坦在能量子假说的基础上提出了光子说：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.
(1) 下列说法不属于能量子假说内容的是(　　)
A. 物质发射（或吸收）能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的
B. 能量子假说中将每一份能量单位称为“能量子”
C. 能量子假说中的能量子的能量ε＝hν，ν为电磁波的频率，h为普朗克常量
D. 能量子假说认为能量是连续的，是不可分割的
(2) 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5∶4，则这两束光的光子能量和波长之比分别为(　　)
A. 4∶5　4∶5　　 B. 5∶4　4∶5　
C. 5∶4　5∶4　　 D. 4∶5　5∶4
(3) “温室效应”是由于大气中的二氧化碳能强烈吸收红外长波辐射，这种长波辐射的波长范围约是1.4×10-3～1.6×10-3 m，吸收红外长波辐射使得大气的全年的平均温度升高，这就是“温室效应”产生的原因. （已知普朗克常量h＝6.6×10-34 J·s，真空中的光速c＝3.0×108 m/s，结果均保留两位有效数字）
①求这种长波辐射相应的频率范围；
②求这种长波辐射相应的光子能量的范围．
3. 能级
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．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．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．
下列说法不正确的是(　　)
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. 原子从高能级向低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
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
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
3. 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
4. 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
5. 根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是(　　)
A. 电场周围一定产生磁场，磁场周围不一定产生电场
B. 变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围不一定产生电场
C. 变化的电场周围一定产生变化的磁场
D. 电磁波在真空中的传播速度为3×108 m/s
6. 某电场中电场强度随时间变化的关系如下图所示，其中不能产生磁场的电场是(　　)
A B C D
7. 在电磁波谱中，下列说法正确的是(　　)
A. 各种电磁波有明显的频率和波长区域界限
B. γ射线的频率一定大于X射线的频率
C. X射线的波长有可能等于紫外线波长
D. 可见光波长一定比无线电波的长
8. 关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是(　　)
A. 红外线和X射线都有很强的穿透本领，常用于医学上透视人体
B. 过强的紫外线照射有益于人的皮肤健康
C. 电磁波中频率最大的是X射线
D. 紫外线和X射线都可以使感光底片感光
9. 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　　 B.
C. 　　 D. 以上均不正确
10. 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
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，则激光器时间t内发射的光子数为(　　)
A. 　　 B. C. D. λPhct
12.`能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18 J，已知可见光的平均波长为0.6 μm，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，要恰能引起人眼的视觉效应，则进入人眼的光子数至少为（ ）
A. 1个 B. 3个 C. 30个 D. 300个
13. 频率为5×1014 Hz的红光，从10 m外的交通信号灯直接传到你的眼睛，大约需要多长时间？在这个距离中有多少个波长？
40 W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＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108`m/s）
【活动方案】
活动一：
1. (1) A　变化的磁场周围产生电场，当电场中有闭合电路时，电路中有电流，若无闭合电路，电场仍然存在，A正确；周期性变化的磁场产生的电场一定也是周期性变化的，且频率相同，B错误；若形成电磁场必须有周期性变化的电场和磁场，C错误；只有变化的电场才能产生磁场，只有变化的磁场才能产生电场，D错误．
(2) D　根据麦克斯韦的电磁场理论可知，变化的磁场周围能产生电场，均匀变化的磁场周围产生恒定的电场，故A错误．不均匀变化的电场产生变化的磁场，磁场有可能不是均匀变化的；均匀变化的磁场周围产生恒定的电场，故B错误．恒定的磁场其周围不产生电场，故C错误．周期性变化的磁场在周围空间产生的电场是周期性变化的，周期性变化的电场在周围空间产生的磁场也是周期性变化的，故D正确．
2. (1) 这是因为电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互“激发”．
(2) D　根据c＝λf，可得λ＝ m≈3.33 m，故D正确.
(3) 赫兹
活动二：
1. 小　大　(1) D　(2) C　(3) A
解析：(1) X光机是用来透视人体内的器官的，因此需要具有较强穿透力的电磁波，但又不能对人体造成太大的伤害，因此采用了X射线，因此选D.
(2) 紫外线灯主要是用来杀菌的，因此它应用的是紫外线的杀菌作用而非荧光作用，因此选C.
(3) “神灯”又称红外线灯，主要是用于促进局部血液循环，它利用的是红外线的热效应，使人体局部受热，血液循环加快，因此选A.
2. B
活动三：
1. 电磁波
B　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．故选B.
2. (1) D
(2) 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5∶4，可得两束光光子能量之比为4∶5；再根据ε＝hν＝h 知光子能量与波长成反比，故两束光波长之比为5∶4，D正确．
(3) ①由c＝λν得ν＝，
解得频率范围为1.9×1011～2.1×1011 Hz.
②又由ε＝hν，
解得能量范围为1.3×10-22～1.4×10-22 J.
3. A　物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的，故A错误；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，光子的能量等于前后两个能级之差，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B、C、D正确．故选A.
【检测反馈】
1. A　影响黑体辐射电磁波的波长分布的因素是温度，故A正确，B、C、D错误．
2. B　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；C项是黑体辐射的特性，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. A　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，而同样属于“不连续的，一份一份”的概念的是人的个数，故A正确，B、C、D错误．
4. B　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．故选B.
5. D　根据麦克斯韦的电磁场理论，只有变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围产生电场，但变化的电场周围不一定产生变化的磁场，如均匀变化的电场产生的是稳定的磁场，电磁波在真空中的传播速度为3×108 m/s.根据以上分析可知，D正确．
6. D　根据麦克斯韦电磁场理论可知变化的电场产生磁场，A、B、C可以产生磁场，D不能产生磁场．故D正确．
7. C　X射线和γ射线、X射线和紫外线有一部分频率重叠，界限不明显，故A、B错误，C正确；可见光波长一定比无线电波波长短，故D错误．
8. D　X射线有很强的穿透本领，常用于医学透视人体，红外线没有穿透本领，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波中频率最大的是γ射线，C错误；紫外线和X射线都具有明显的化学效应，可以使感光底片感光，故D正确．
9. A　由光速、波长的关系可得出光的频率ν＝，从而ε＝hν＝h，故A正确．
10. B　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．B正确．
11. A　每个光子的能量ε＝hν＝，时间t内发光的总能量为Pt，则n＝＝，故A正确．
12. B　每个光子的能量为E0＝h，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E为10-18 J，由E＝nE0得，能引起人眼的视觉效应，进入人眼的光子数至少为n＝＝＝≈3，故B正确．
13. 传到眼睛需要的时间是
t＝＝ s≈3.3×10-8 s，
由c＝λf得该红光的波长
λ＝＝ m＝6×10-7 m，
在这个距离中的波长数有
n＝＝≈1.7×107.
14. 波长为λ的光子能量为ε＝hν＝h，
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＝，
式中η＝5%是白炽灯的发光效率，
联立解得n＝，
代入数据解得n≈5.8×1018.