第十三章 第5节
课后知能作业
基础巩固练
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只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关
C．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
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
答案：B
解析：黑体能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射，这样的物体称为黑体，但不一定黑色的，故A错误；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料种类及表面状况无关，故C错误，B正确；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，最终不能从空腔射出，就相当于吸收了所有电磁波，因此小孔成了一个黑体，故D错误。故选B。
2．关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是( )
A．黑体能够完全透射照射到它上面的光波
B．随着温度降低，各种波长的光辐射强度都有所增加
C．随温度升高，辐射强度极大值向波长较长的方向移动
D．黑体的辐射强度只与它的温度有关，与形状和黑体材料无关
答案：D
解析：能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体，不反射也不透射，A错误；由图可知，随温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所减小，B错误；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，C错误；一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关，但黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，D正确。故选D。
3．以下宏观概念，哪些是“量子化”的( )
A．木棒的长度 B．物体的质量
C．物体的动量 D．学生的个数
答案：D
解析：所谓“量子化”应该是不连续的，一份一份的，综上所述，D正确。故选D。
4．下列关于能量量子化说法正确的是( )
A．爱因斯坦最早提出了能量量子化假说
B．普朗克认为微观粒子能量是连续的
C．频率为ν的光的能量子为hν
D．电磁波波长越长，其能量子越大
答案：C
解析：能量子假说是由普朗克最早提出来的，故A错误；根据普朗克能量量子化假说，微观粒子能量不连续，故B错误；能量子的能量ε＝hν＝h所以电磁波波长越长，其能量子越小。故C正确，D错误。故选C。
5．2022年10月12日，神舟十四号乘组航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲在中国空间站进行太空授课。若本次直播通信使用电磁波的波长范围为λ1≤λ≤λ2，则该电磁波中能量子最大值为( )
A．hλ2 B．
C． D．
答案：C
解析：由电磁波能量子公式ε＝hν＝h可知，电磁波的波长越小，能量越大，因此该电磁波中能量子最大值为εmax＝，A、B、D错误，C正确。故选C。
6．关于电磁振荡与电磁波，下列说法正确的是( )
A．雷达的最大侦察距离等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲的时间间隔内传播的距离
B．黑体可以吸收一切光，普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说，黑体的热辐射实质上是电磁辐射
C．红外线有很强的穿透本领，医学上常用于透视人体，过强的紫外线照射有利于人体的皮肤健康
D．根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场一定能产生磁场，变化的磁场也一定能产生变化的电场
答案：B
解析：雷达的最大侦察距离应等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲的时间间隔内传播距离的一半，A错误；黑体可以吸收一切光，黑体辐射本质上是电磁辐射，普朗克最早提出了能量子假说，他认为能量是一份一份的，每一份是一个能量子，B正确；X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，过强的紫外线照射对人体的皮肤有害，C错误；变化的电场一定能产生磁场，变化的磁场一定能产生电场，但均匀变化的磁场只能产生恒定电场，D错误。故选B。
能力提升练
7．科学家设想在未来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船。设某飞船所在地每秒每单位面积接收的光子数为n，光子平均波长为λ，太阳帆板面积为S，反射率为100%，光子动量p＝。设太阳光垂直射到太阳帆板上，飞船总质量为m，则飞船加速度的表达式为( )
A． B．
C． D．
答案：D
解析：Δt时间内太阳帆板接收的光子数为N＝nS·Δt，这些光子的总动量大小p1＝nS·Δt·，反射后光子的总动量大小p2＝p1，则飞船所受力F＝，联立得F＝，由牛顿第二定律得a＝＝，故D正确。故选D。
8．(多选)关于原子的能级，下列说法正确的是( )
A．原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于前后两个能级的能量差
B．原子不能从低能级向高能级跃迁
C．原子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级
D．原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后两个能级的能量差
答案：CD
解析：原子从基态跃迁到激发态要吸收光子，吸收的光子的能量等于前后两个能级的能量差，故A错误；原子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级，故B错误，C正确；原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后两个能级的能量差值，故D正确。故选CD。
9．(多选)下列有关黑体和黑体辐射的说法中正确的是( )
A．黑体的热辐射实际上是电磁辐射
B．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
C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与它的温度、材料的种类及表面状况有关
D．黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)
答案：ABD
解析：黑体的热辐射实际上是电磁辐射，故A正确；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，故B正确；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关，故C错误；黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，随着温度升高，可以辐射出任何频率的电磁波，故D正确。故选ABD。
10．(多选)某光源放出波长在500～600 nm之间的各种光子，若已知该光源的发光功率为1 mW，则它每秒钟发射的光子数可能是(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)( )
A．2.0×1015 B．3.0×1015
C．2.6×1015 D．1.5×1015
答案：BC
解析：每秒内该光源发光的能量E光源＝Pt＝1×10－3 J，而波长为λ的光子的能量为E光子＝，则每秒钟发射的光子数为n＝＝，代入数值得2.5×1015≤n≤3.0×1015，故B、C正确。故选BC。
11．(多选)在电磁波中，波长按从长到短排列的是( )
A．无线电波、可见光、红外线
B．无线电波、可见光、γ射线
C．红光、黄光、绿光
D．紫外线、X射线、γ射线
答案：BCD
解析：电磁波谱按波长从长到短的排列顺序依次是无线电波→红外线→可见光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)→紫外线→X射线→γ射线，由此可知B、C、D正确。故选BCD。
12．(多选)对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究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中正确的是( )
A．微波是指波长在10－3 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．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说
答案：ACD
解析：微波是电磁波中按波长分类波长较小的一种，微波是指波长在10－3 m到10 m之间电磁波，故A正确；微波是电磁波，电磁波既能在介质中传播也能在真空中传播，而声波是机械波，只能在介质中传播，故B错误；黑体向外辐射的是热量，是以光子的形式辐射的，而光是电磁波，所以黑体的热辐射实际上是电磁辐射，故C正确；普朗克在研究黑体辐射的过程中提出了黑体辐射的能量是一份一份的，从而提出了能量子的假说，故D正确。
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第十三章 电磁感应与电磁波初步
第5节 能量量子化
核心素养 学习重点
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。 理解能量的量子化与能量的连续性存在着根本颠覆性的概念冲突；理解物理学家提出能量量子化理论是对客观世界本质的尊重和近代物理学发展的必然要求，也是当今现代化社会、现代化科技发展的动力源泉和根基。
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 学习重点
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。 理解能量的量子化与能量的连续性存在着根本颠覆性的概念冲突；理解物理学家提出能量量子化理论是对客观世界本质的尊重和近代物理学发展的必然要求，也是当今现代化社会、现代化科技发展的动力源泉和根基。
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。
探究点 热辐射 能量子
●新知导学
情境：(1)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？
(2)如果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，会怎样？
?[提示]
[提示]
(1)辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。常温下我们看到不发光的物体颜色就是物体表面反射光所致。
(2)物体看起来是黑色的。
●基础梳理
一、热辐射
1．概念：一切物体都在辐射__________，且辐射与物体的________有关，所以叫热辐射。
2．特点：温度升高时，热辐射中波长较______的成分越来越______。
3．黑体：能够完全吸收入射的各种波长的__________而不发生反射。
电磁波
温度
短
强
电磁波
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__________，这个最小的能量值______叫__________。
2．大小：ε＝________，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__________组成，能量大小为________，光的能量子称作________。
三、能级
1．原子的能量是__________的，量子化的能量值叫________。
2．原子从高能态向低能态跃迁时________光子，光子的能量等于前后两个能级________。
整数倍
ε
能量子
hν
能量子
hν
光子
量子化
能级
放出
之差
[判断正误]
(1)一切物体都在辐射电磁波。( )
(2)一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关。( )
(3)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关。( )
(4)黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波。( )
(5)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。( )
(6)原子从低能级向高能级跃迁时放出光子。( )
(7)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。( )
(8)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：(1)√ (2)× (3)√ (4)√ (5)× (6)× (7)√ (8)√
●重难解读
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．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有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如右图所示。
二、能量子
1．普朗克的能量子概念：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＝6.63×10－34 J·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。
三、能级
1．能级
原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。
原子具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫作基态，其他的状态叫作激发态。
2．能级之间的跃迁
处于低能级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，处于高能级的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。
类型一 热辐射和黑体辐射
典题1：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，是因为黑体可以反射电磁波
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
?[思维点拨]
[思维点拨]
本题考查了关于黑体辐射的知识，关键是熟悉黑体辐射的特点，注意掌握黑体辐射的规律是解题的关键。热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象；黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，是实际物体的理想化模型；能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体。
答案：D
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，故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，故B、C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，与构成黑体的材料、形状无关，而一般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，故D正确。
?[规律方法]
[规律方法]
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
跟踪训练1：下列关于热辐射和黑体辐射的说法不正确的是( )
A．一切物体都在辐射电磁波
B．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
C．黑体辐射强度的极大值跟温度无关
D．一般物体辐射电磁波的强度与温度有关
答案：C
解析：一切物体都在辐射电磁波，故A正确；黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波，故B正确；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，故C错误；一般物体辐射电磁波的强度与温度有关，故D正确。故选C。
类型二 能量子
典题2：光是一种电磁波，波长分别是650 nm、610 nm、590 nm、550 nm的红、橙、黄、绿4种单色光中，能量子最小的是( )
A．红光 B．橙光
C．黄光 D．绿光
?[思维点拨]
[思维点拨]
本题考查光子能量公式，只要知道公式中各量的含义就可以轻松得出结果。
答案：A
解析：根据光的能量公式ε＝hν，ν为光的频率，频率越小能量越小。又根据c＝λν，波长越长，频率越小。红、橙、黄、绿4种单色光波长依次减小，则频率依次升高，所以能量最小的是红光，故A正确，B、C、D错误。故选A。
?[规律方法]
[规律方法]
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。
跟踪训练2：(多选)1900年德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出了一个大胆的假说，即能量子假说，下列说法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为带电微粒的振动频率，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
答案：ABC
解析：能量子假说认为，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，每一份能量单位，称为“能量子”，能量子的能量ε＝hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量，故A、B、C符合题意，D不符合题意。故选ABC。
类型三 能级
典题3：(多选)玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有( )
A．原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做变速运动，但不向外辐射能量
B．原子的不同能量状态与电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的
C．电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子
D．电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率
?[思维点拨]
[思维点拨]
本题考查对量子化的认识，量子化在高中要求较低，只需明确量子化的定义即可。
答案：ABC
解析：玻尔的原子模型提出了三条假设：即轨道假设，定态假设和跃迁假设；可知A、B、C三项都是玻尔提出来的假设，其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出，也就是“量子化”概念，原子的不同能量状态与电子绕核运动不同的圆轨道相对应，是经典理论与量子化概念的结合。故A、B、C正确；根据玻尔理论，电子跃迁时辐射的光子的频率满足：hν＝Em－En，与电子绕核做圆周运动的频率无关。故D错误。
?[规律方法]
[规律方法]
(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)原子的发射光谱
①光谱特征
如图所示是氦原子的光谱，原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
②光谱分立的原因
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，因为原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。
跟踪训练3：蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温为37 ℃，它发出的最强的热辐射的波长为λm，根据热辐射理论，λm与辐射源的绝对温度T的关系近似为λm·T＝2.90× 10－3 m·K，普朗克常量h＝6.626×10－34 J·s。那么老鼠发出最强的热辐射的波长和老鼠发出的这种最强的热辐射每份能量子(又叫作光子)的能量分别是( )
A．7.8×10－5 m 1.89×10－20 J
B．9.4×10－6 m 2.11×10－20 J
C．1.16×10－4 m 2.11×10－18 J
D．9.7×10－8 m 1.10×10－20 J
答案：B
素养能力提升
拓展整合 启智培优
课堂效果反馈
内化知识 对点验收
1．下列关于电磁波、能量子和热辐射的说法正确的是( )
A．在真空中，频率越高的电磁波传播速度越大
B．麦克斯韦提出变化的电场产生磁场
C．频率越高的电磁波传播的能量子的能量越低
D．高温物体会发生热辐射，低温物体不会热辐射
答案：B
解析：真空中，所有电磁波的传播速度都相同，故A错误；变化的电场产生磁场是麦克斯韦提出的，故B正确；由E＝hν，其中h是定值，可得频率越高的电磁波传播的能量子的能量越高，故C错误；高温、低温物体都会发生热辐射，不过是辐射强度不同，故D错误。故选B。
2．对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。关于黑体辐射，下列说法正确的是( )
A．温度低于0 ℃的物体不会辐射电磁波
B．黑体不会辐射电磁波
C．爱因斯坦提出的能量子假说，能够很好地解释黑体辐射规律
D．黑体辐射的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍
答案：D
解析：一切物体都会辐射电磁波，绝对零度的物体才可能没有辐射，温度越高，辐射的电磁波越强，故A错误；黑体是一种理想化模型，黑体能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射，但是黑体会向外辐射电磁波，故B错误；普朗克借助于能量子假说，完美的解释了黑体辐射规律，故C错误；普朗克假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，从而很好地解释了黑体辐射的实验现象，故D正确。故选D。
3．人们认识量子论的第一步始于对黑体辐射实验规律的解释，下图画出了T1、T2两种温度下黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系，下列说法正确的是( )
A．T1B．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
C．随着温度升高，波长短的辐射强度增大，波长长的辐射强度减小
D．爱因斯坦提出的能量子假说很好地解释了黑体辐射的实验规律
答案：B
解析：由图像的含义可知，随温度的升高，黑体辐射的强度的峰值朝波长较短的方向移动，故T1>T2，故A错误；由黑体辐射的特点可知，黑体辐射电磁波的强度按波长的分布仅与温度有关，故B正确；由图可知，随着温度升高，波长短的辐射强度增大，波长长的辐射强度增大，故C错误；普朗克提出了能量子，并用其很好的解释了黑体辐射的实验规律，故D错误。故选B。
4．第五代移动通信技术，简称5G,5G将开启万物互联时代：车联网、物联网、智慧城市、自动驾驶技术等将逐一实现。5G应用 3 300 MHz～5 000 MHz频段的无线电波传送信号，相比于现有的4G (1 880 MHz～2 635 MHz频段)而言，5G所应用的无线电波( )
A．在真空中的波长更长
B．在真空中的波长更短
C．在真空中的传播速度更小
D．在真空中的传播速度更大
答案：B
