(共28张PPT)
5 能量量子化
核心素养点击
物理观念 (1)知道热辐射、黑体辐射的概念。
(2)了解普朗克的能量子假设和爱因斯坦的光子假设。
(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。
1．填一填
(1)热辐射的概念：物体具有的与 有关的辐射电磁波的方式。
(2)热辐射规律：物体在室温时，热辐射的主要成分是波长 的电磁波，当温度升高时，热辐射中波长较 的成分越来越强。
(3)黑体：能够完全吸收入射的各种波长的 而不发生 的物体。
(4)黑体辐射规律：黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波，而且辐射电磁波的强度按 的分布只与它的 有关。
温度
较长
短
电磁波
反射
波长
温度
2．判断
(1)物体在常温下也在不断地辐射电磁波。 ( )
(2)黑体就是指黑色的物体。 ( )
(3)黑体不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波。 ( )
√
×
√
3．选一选
所谓黑体是指能全部吸收入射的电磁波的物体。显然，自然界不存在真正的黑体，但许多物体在某些波段上可近似地看成黑体。如图所示，用不透明的材料制成的带小孔的空腔，可近似地看作黑体。这是利用了 ( )
A．控制变量法 B．比值法
C．类比法 D．理想化方法
解析：黑体实际上是一种物理模型，把实际物体近似看作黑体，用到的是理想化方法，D正确。
答案：D
1．填一填
(1)能量子
①定义：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的 倍。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
②能量子的大小：ε＝ ，其中ν是电磁波的 ，h是一个常量，称为普朗克常量，h＝6.626 070 15×10－34 J·s。
③普朗克认为微观粒子的能量是 的，是不连续(分立)的。
④爱因斯坦的光子说：光是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 ，这些能量子被叫作 。
整数
hν
频率
量子化
hν
光子
(2)能级
①定义：原子的能量是 的，这些 的能量值叫作能级。
②原子的稳定性：原子处于能量最低的状态时最稳定，原子处于能量较高的状态时不稳定，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出 。
③能级跃迁规律：原子从高能级态向低能级态跃迁时放出的光子的能量，_____前后两个能级之差。
④原子的发射光谱的特征：原子的能级是分立的，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 的亮线。
量子化
量子化
光子
等于
分立
2．判断
(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。 ( )
√
√
×
[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可以近似为一个绝对黑体。
(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，如开有小孔的炼钢炉。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
名称 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。
[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．图中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
3．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除与温度有关外，还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，与材料的种类及表面状况无关
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：黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，故选项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，故选项B错误，C正确；黑体自身辐射电磁波，但不一定是黑色的， 故选项D错误。
答案：C
【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。
【素养训练】
4．(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
5．关于能量量子化，下列说法正确的是 ( )
A．能量子假设最早是由爱因斯坦提出来的
B．微观粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍
C．电磁波的波长越长，其能量子越大
D．能量子假说与宏观世界中对能量的认识相矛盾，因而它一定是错误的观点
答案：B
6．(多选)对于带电微粒辐射或吸收能量时的特点，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．辐射或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．辐射或吸收的能量是量子化的
解析：带电微粒辐射或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。
答案：ABD PAGE
课时跟踪检测(二十六) 能量量子化
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．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。
7．能正确解释黑体辐射实验规律的是( )
A．能量是连续的经典理论
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
解析：选B 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在增加；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。
8．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
9．(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
解析：选ACD 由电磁波谱知微波是波长10－3 m到10 m之间的电磁波，A正确；微波是一种电磁波，传播不需要介质，B错误；黑体向外辐射电磁波，其强度按波长的分布只与它的温度有关，C正确；普朗克研究黑体的热辐射时提出了能量子假说，D正确。
10．两束能量相同的色光，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。
11．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 设单位时间为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，每秒钟的发射能量为Pt0，所以nt0h＝Pt0，代入数据，可得n≈ 6×1030(个)，故C正确。
12．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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