(共21张PPT)
第五节 量子化现象
核心素养点击
物理
观念 (1)知道热辐射、黑体辐射的概念，知道光是一种电磁波
(2)了解普朗克的能量子假说和爱因斯坦的光子假说
(3)了解原子能级及能级跃迁理论
科学态度与责任 通过对本节的学习，能体会到人类对自然界的认识是不断发展的；认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性工作
一、光是一种电磁波 能量子假说
填一填
(1)光是一种电磁波。
光与电磁波的物理本质是一致的，光是一种电磁波，它通过电场和磁场的相互激发可以在真空中传播。物理学家______用实验证实了电磁波的存在，并且证明了电磁波和光一样具有反射、______、干涉和衍射等性质。
(2)能量子。
能量的发射和吸收不是连续的，只能是__________地进行。这个不可再分的最小能量值ε叫作_______。
(3)能量子公式。
ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h是一个常量，称为____________。实验测得h＝____________J·s。
赫兹
折射
一份一份
能量子
普朗克常量
6.63×10－34
二、光子假说 光的波粒二象性
填一填
(1)光电效应定义。
光照射在金属上时，有时会有_____从金属表面逸出的现象。
(2)光电子。
光电效应中逸出来的______被称为光电子。
(3)光电效应的实验规律。
用不同频率的光去照射阴极时，发现光的频率越高，光电子______越大，频率低于某一数值时，不论光的强度多大，都不能产生_________。
电子
电子
动能
光电子
(4)爱因斯坦的光子说。
①内容：光不仅在______和______时能量是一份一份的，而且________就是由一个个不可分割的_______组成的，这些光量子称为光子。
②光子能量：公式为ε＝hν，其中ν指光的_____。
③解释：光照射到金属表面上时，能量为___的光子被电子所吸收，电子把这些能量中的一部分用来脱离金属表面，另一部分是电子离开金属表面时的动能。如果光子的能量_____电子脱离金属表面所需的能量，则电子脱离金属表面产生_______，且光的强度越大，______的数量越多，则产生的光电子也越多。否则，无论光的强度多大，都无法产生光电子。
(5)光的波粒二象性。
①光既具有波动性，又具有粒子性的性质称为光的波粒二象性。
②概率波：概率____的地方落下的光子多，形成______；概率____的地方落下的光子少，形成_____。
发射
吸收
光本身
光量子
频率
hv
大于
光电子
光子
大
亮纹
小
暗纹
三、原子结构的玻尔理论
1．填一填
(1)玻尔原子理论的基本假设：电子轨道半径是________的，电子只能在某些_____的轨道上运动；电子在不同轨道上具有不同的_____，这些量子化的能量值称为能级；只有当电子在不同轨道之间______时，才辐射光子。
(2)局限性：成功地解释了氢原子的________和氢原子光谱的______特征，但是这一理论没有彻底摆脱经典物理学理论的束缚。
2．判一判
(1)普朗克认为带电微粒的能量是量子化的。 ( )
(2)原子处于最低能级时最稳定。 ( )
(3)原子发生能级跃迁时要放出光子。 ( )
量子化
特定
能量
跃迁
稳定性
分立
√
√
×
答案：A
探究(一) 对黑体及黑体辐射的理解
[问题驱动]
用红外线热像仪可以监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知道他的体温是多少，你能说出这其中的原理吗？
提示：根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加；随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。被测者会辐射红外线，辐射强度以及波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较短波长的成分强。人的体温的高低，直接决定了他辐射的红外线的频率和强度，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。
[重难释解]
1．对黑体的理解
(1)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
个带小孔的空腔就成了一个绝对黑体。?
(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；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮。一些发光的物体（如太阳、白炽灯灯丝）也被当作黑体来处理
2．一般物体与黑体的比较
物体 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。
[多选]在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，这个带小孔的炉
子可看作黑体，由炉子的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图
所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像，则下列说法
正确的是 ( )
A．T1＞T2
B．T1＜T2
C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低
D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动
解析：一般材料的物体辐射能的多少取决于物体的温度(T)、辐射光的波长、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，能够完全吸收入射的任何波长的电磁波而不发生反射，黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关。实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。从题图中可以看出，λ1＜λ2，T1＞T2，正确选项为A、D。
答案：AD
熟悉黑体辐射特点是解决问题的关键。随着温度的升高，各种波长的辐射强度都在增加，当黑体温度升高时，辐射强度极大值向短波方向移动。
[素养训练]
1．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图像中，符合黑体辐射实验规律的是 ( )
解析：根据黑体辐射的实验规律：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，可知选项A正确。
答案：A
2．下列叙述错误的是 ( )
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
解析：根据热辐射定义知A、D正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般材料的物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体温度有关，B错误，C正确。
答案：B
探究(二) 对能量子的理解与计算
[重难释解]
(1)每个能量子的能量ε＝hν，其中ν是电磁波的频率；光子的能量ε＝hν，其中ν是光的频率。
(2)能量子观点与黑体辐射实验的比较。
普朗克能量子假设认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。借助于能量子的假说，普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得很好。
(3)对能量量子化的理解。
①物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”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，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。
人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10－34 J·s，光速为3.0×108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是 ( )
A．2.3×10－18 W B．3.8×10－19 W
C．7.0×10－10 W D．1.2×10－18 W
答案：A
[素养训练]
1．[多选]以下宏观概念中，哪些是“量子化”的 ( )
A．物体的带电荷量 B．物体的质量
C．物体的动量 D．学生的个数
解析：所谓“量子化”应该是不连续的，是一份一份的，故选A、D。
答案：AD
2．[多选]关于对普朗克能量子假说的认识，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ε
B．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
解析：普朗克能量子假说认为，能量存在某一个最小值，带电微粒辐射或吸收的能量只能是这个最小能量值的整数倍，故A错误，B正确；能量子与电磁波的频率成正比，故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，并不是与现实世界相矛盾，故D错误。
答案：BC
3．在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用。蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温约37 ℃，它发出的最强的热辐射的波长为λmin。根据热辐射理论，λmin与辐射源的绝对温度T的关系近似为Tλmin＝2.90×10－3 m·K。则老鼠发出最强的热辐射的波长为 ( )
A．7.8×10－5 m B．9.4×10－6 m
C．1.16×10－4 m D．9.7×10－8 m
答案：B课时跟踪检测（二十五） 量子化现象
A组—重基础·体现综合
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
解析：选A 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。
2．普朗克常量是自然界的一个基本常数，它的数值是( )
A．6.02×10－23 mol B．6.625×10－3 mol·s
C．6.626×10－34 J·s D．1.38×10－16 mol·s
解析：选C 普朗克常量是一个定值，由实验测得它的精确数值为6.626×10－34 J·s，在记忆时关键要注意它的单位。
3．硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能。若有N个频率为ν的光子打在光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量)( )
A．hν B.Nhν
C．Nhν D．2Nhν
解析：选C 光子能量与频率有关，一个光子能量为ε＝hν，N个光子能量为Nhν，故C正确。
4．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，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
解析：选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，选项A错误，选项B正确；选项C描述的是黑体辐射的特性，选项C错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，选项D错误。
5．一个氢原子从低能级跃迁到高能级，该氢原子( )
A．吸收光子，吸收光子的能量等于两能级之差
B．吸收光子，能量减少
C．放出光子，能量增加
D．放出光子，能量减少
解析：选A 氢原子能级越高对应的能量越大，当氢原子从较低能级向较高能级跃迁时吸收光子，能量增加，吸收光子的能量等于两能级之差，A正确，B、C、D错误。
6．[多选]光子的发射和吸收过程中( )
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．原子无论是吸收光子还是放出光子，吸收的光子或是放出的光子的能量都等于始、末两个能级的能量差
解析：选CD 由玻尔理论的跃迁假设知，原子处于激发态时不稳定，可自发地向低能级发生跃迁，以光子的形式释放能量。光子的吸收是光子发射的逆过程，原子在吸收光子后，会从较低能级向较高能级跃迁，但不管是吸收光子还是辐射光子，光子的能量总等于两能级的能量差，即hν＝Em－En(m>n)，故C、D选项正确。
7．硅光电池是将光辐射的能量转化为电能。若有N个波长为λ0的光子打在硅光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量，c为真空中的光速)( )
A．h B．Nh
C．Nhλ0 D．2Nhλ0
解析：选B 由于单个光子的能量为ε＝hν，所以N个光子的总能量E总＝Nhν，又因为ν＝，解得E总＝Nh，故选B。
8．[多选]下列说法正确的是( )
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
解析：选CD 一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以不能说有的光是波，有的光是粒子，A错误；虽然光子和电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以不能说光子和电子是同样的一种粒子，B错误；波长长，容易发生干涉、衍射，波动性强，反之，波长短，光子能量大，粒子性强，C正确；干涉、衍射是波特有的现象，光电效应说明光具有粒子性，D正确。
9．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电磁辐射的能量子的值各是多少？(h＝6.63×10－34 J·s)
解析：根据公式ν＝和ε＝hν可知：400 nm对应的能量子ε1＝h＝6.63×10－34× J≈4.97×10－19 J。
700 nm对应的能量子ε2＝h＝6.63×10－34× J≈2.84×10－19 J。
答案：4.97×10－19 J 2.84×10－19 J
B组—重应用·体现创新
10．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，则激光器每秒发射的光量子数为( )
A. B. C. D．λPhc
解析：选A 每个光量子的能量ε＝hν＝，每秒钟发射的总能量为P，则n＝＝。
11．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，温度高时辐射强且较短波长的成分强
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，温度高时辐射强且较长波长的成分强
解析：选C 根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，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。
12.被誉为“中国天眼”的世界最大单口径射电望远镜(简称FAST)可以接收来自宇宙深处的电磁波。中国天眼的存在，使得深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星，对探索宇宙的起源和地外文明具有重要意义。如果为天眼配备一部发射功率为百万瓦级(106 W)的发射机，其发射的无线电波波长为126 厘米。那么该发射机每秒钟发射的光子数量的数量级约为(取真空中光速c＝3×108 m/s，普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s)( )
A．1023 B．1027
C．1030 D．1036
解析：选C 设时间为t0，发射机每秒钟发射的光子数量为n，则光子的总能量为nt0h，发射总能量为Pt0，所以nt0h＝Pt0，代入数据，可得n≈ 6×1030(个)，故C正确。
13．两束能量相同的色光，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上的光子数与第二束光在相同时间内打在物体表面上的光子数之比为4∶5，则这两束光的光子能量和波长之比为( )
A．4∶5,4∶5 B．5∶4,4∶5
C．5∶4,5∶4 D．4∶5,5∶4
解析：选B 由E＝nε知，能量相同时n与ε成反比，所以光子能量比为5∶4；又根据ε＝hν＝h，所以波长之比为4∶5，B正确。
14．“约瑟夫森结”由超导体和绝缘体制成。若在结两端加恒定电压U，则它会辐射频率为ν的电磁波，且ν与U成正比，即ν＝kU。已知比例系数k仅与元电荷e的2倍和普朗克常量h有关。你可能不了解此现象的机理，但仍可运用物理学中常用的方法，在下列选项中，推理判断比例系数k的值可能为( )
A. B.
C．2he D.
解析：选B 根据物理单位知识，表达式及变形式两侧单位是一致的，由本题中涉及的物理量：ν、U、e、h及与其有联系的能量表达式E＝hν，E＝Ue，由上式得h的单位与的单位相同，即h单位可用V·C·s表示，题中ν＝kU，即k＝，单位可用表示，选项B中单位等效于＝，故选项B正确，A、C、D错误。
15．在半径r＝10 m的球壳中心有一盏功率为P＝40 W的钠光灯(可视为点光源)，发出的钠黄光的波长为λ＝0.59 μm，已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，真空中光速c＝3×108 m/s。试求每秒钟穿过S＝1 cm2球壳面积的光子数目。
解析：钠黄光的频率
ν＝＝ Hz≈5.1×1014 Hz，
则一个光子的能量
E0＝hν＝6.63×10－34×5.1×1014 J≈3.4×10－19 J。
又钠光灯在t＝1 s内发出光能
E＝Pt＝40×1 J＝40 J。
那么在t＝1 s内穿过S＝1 cm2球壳面积的光能量
E1＝＝ J≈3.2×10－6 J，
则每秒钟穿过该球壳1 cm2面积的光子数
n＝＝≈9.4×1012(个)。
答案：9.4×1012个
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