5 能量量子化
[定位·学习目标] 1.通过学习热辐射、能量子和能级的概念,培养物理观念。2.体会能量子提出的过程,培养献身科学的时代精神,形成科学态度与责任。
知识点一 热辐射
探究新知
1.热辐射
(1)定义:一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫作热辐射。
(2)特点:当温度升高时,热辐射中波长较短的成分越来越强。
2.黑体
(1)定义: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,这种物体就叫作黑体。
(2)特点:黑体不反射电磁波,但是却可以向外辐射电磁波。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)热辐射中,温度低的物体辐射电磁波的波长较长。( √ )
(2)黑体一定是黑色的。( × )
(3)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。( × )
知识点二 能量子 能级
探究新知
1.能量子
(1)普朗克的假设: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。
(2)能量子:这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(3)能量子公式:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s。
(4)光子:光本身就是由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 hν,这些能量子称为光子。
2.能级
(1)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。
(2)能级特点。
①原子处于能量最低的状态,是最稳定的。
②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。这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出光子。
③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。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。( √ )
(2)原子从高能态向低能态跃迁时辐射任意频率的光子。( × )
(3)原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁,从较高能级跃迁到较低能级会放出光子。( √ )
要点一 热辐射
要点归纳
一般物体与黑体的比较
项目 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
典例研习
[例1] (对热辐射的理解)(多选)(2025·江苏连云港统考)下列有关热辐射的说法正确的是( )
[A]有些物体不会向外辐射电磁波
[B]物体在室温时,热辐射的主要成分是波长较长的电磁波
[C]物体的温度升高时,热辐射中波长较长的成分越来越强
[D]黑体不反射电磁波,但可以向外辐射电磁波
【答案】 BD
【解析】 一切物体都在向外辐射电磁波,故A错误;物体在室温时,热辐射的主要成分是波长较长的电磁波,故B正确;物体的温度升高时,热辐射中波长较短的成分越来越强,故C错误;黑体不反射电磁波,但可以向外辐射电磁波,故D正确。
要点二 能量子 能级
典例研习
[例2] (能量子的理解)(2025·山东济南检测)关于能量量子化,下列说法正确的是( )
[A]能量子假说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
【解析】 能量子假说最早是由普朗克提出的,故A错误;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,故B正确;根据ε=hν=可知,电磁波的波长越长,其能量子越小,故C错误;能量子假说与宏观世界中对能量的认识相矛盾,而它的观点是正确的,故D
错误。
[例3] (能量子的计算)小灯泡的功率P=1 W,设其发出的光向四周均匀辐射,平均波长 λ=10-6 m,求小灯泡每秒钟辐射的光子数是多少 (h=6.63×10-34 J·s)
【答案】 5×1018个
【解析】 每秒钟小灯泡发出的能量为E=Pt=1 J,
1个光子的能量ε=hν== J=1.989×10-19 J,
小灯泡每秒钟辐射的光子数为n==个≈5×1018个。
1.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]人的质量
[C]物体的动能 [D]物体的长度
【答案】 A
【解析】 在量子力学中,物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化,具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化。A正确,B、C、D错误。
2.(多选)(2025·四川广元月考)关于黑体与黑体辐射,下列说法正确的是( )
[A]一般物体辐射电磁波的情况与温度无关,只与材料的种类及表面情况有关
[B]黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,所以看起来是黑色的
[C]随着温度的升高,黑体辐射电磁波的辐射强度将会增加
[D]黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关
【答案】 CD
【解析】 一般物体辐射电磁波的情况与温度有关,也与材料的种类及表面情况有关,A错误;黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,并不是看起来是黑色的,B错误;随着温度的升高,黑体辐射电磁波的辐射强度将会增加,C正确;黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,D正确。
3.(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,原子从高能级会自发地向低能级跃迁,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。
4.现在市场上常用来激光打标的是355 nm紫外纳秒固体激光器,该激光器单光子能量高,能直接打断某种材料的分子键,使之从材料表面脱离。据此判断,打断该材料分子键需要的能量约为(取普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,真空光速c=3×108 m/s)( )
[A]10-22 J [B]10-19 J
[C]10-16 J [D]10-13 J
【答案】 B
【解析】 打断该材料分子键需要的能量为该激光器单光子能量,则该激光的光子能量为ε=hν=,解得ε≈5.6×10-19 J,故选B。
课时作业
(分值:60分)
基础巩固练
考点一 热辐射
1.(6分)(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。关于黑体辐射,下列说法正确的是( )
[A]温度低于0 ℃的物体也会辐射电磁波
[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】 AD
【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,故选项A正确;黑体虽然不反射电磁波,但是黑体会向外辐射电磁波,故选项B错误;普朗克借助于能量子假说,完美地解释了黑体辐射规律,故选项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,故选项D正确。
2.(4分)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.(6分)(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;铁块温度不太高时,主要辐射频率较低的红外辐射,视觉上没有明显的颜色变化,故呈现黑色;当铁块温度较高时,辐射的频率向可见光频段移动,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,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.(4分)生活中常利用红外体温计测量体温,下列说法正确的是( )
[A]当体温超过37.3 ℃时人体才辐射红外线
[B]当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线
[C]红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的
[D]红外体温计是依据人体温度越高,辐射的红外线强度越大来测体温的
【答案】 D
【解析】 任何温度的物体都辐射红外线,A、B错误;温度越高,辐射的红外线强度越大,红外体温计就是利用这一原理制成的,C错误,D正确。
考点二 能量子 能级
5.(4分)普朗克在研究黑体辐射的基础上,提出了能量子理论,开创了物理学的新纪元。关于能量子,下列说法正确的是( )
[A]是类似于质子、电子的微观粒子
[B]是一种高科技材料
[C]是一个数量级的常量
[D]表示微观世界的不连续性观念
【答案】 D
【解析】 普朗克引入能量子的概念,得出黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合得非常好,并由此开创了物理学的新纪元。能量子不是类似于质子、电子的微观粒子,不是一种高科技材料,不是一个数量级的常量,它表示微观世界的不连续性观念。故选D。
6.(4分)一个氢原子从高能态跃迁到低能态时,该氢原子( )
[A]吸收光子,能量减小
[B]放出光子,能量减小
[C]放出光子,能量不变
[D]吸收光子,能量不变
【答案】 B
【解析】 一个氢原子从高能态跃迁到低能态,放出光子,能量减小,故B正确,A、C、D
错误。
7.(6分)(多选)(2025·山东潍坊月考)与4G相比,5G具有“更高网速、低延时、低功率海量连接、通信使用的电磁波频率更高”等特点。与4G相比,5G使用的电磁波( )
[A]波长更短
[B]能量子的能量更小
[C]能量子的能量更大
[D]传播速度更快
【答案】 AC
【解析】 由题知与4G相比,5G具有“通信使用的电磁波频率更高”的特点,已知电磁波的波长与频率的关系为λ=,由此可知频率越高波长越短,则与4G相比,5G使用的电磁波波长更短,A正确;已知能量子的能量为ε=hν,由题知与4G相比,5G具有“通信使用的电磁波频率更高”的特点,则与4G相比,5G使用的电磁波能量子的能量更大,B错误,C正确;在真空中电磁波的传播速度与光速相等,为 c=3×108 m/s,D错误。
8.(10分)某装置是高功率固体激光系统,利用它可获得能量为2 400 J、波长λ为0.35 μm的紫外激光,已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速c=3.0×108 m/s,则该紫外激光所含光子数约为多少个 (结果保留2位有效数字)
【答案】 4.2×1021个
【解析】 每个激光光子的能量为ε=h,
该紫外激光中所含光子数为n=,
代入数据可得n≈4.2×1021个。
能力提升练
9.(4分)2023年9月21日,神舟十六号乘组航天员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。
10.(12分)糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因,可利用聚光到纳米级的激光束进行治疗。一台功率为10 W的氩激光器,能发出波长 λ=500 nm的激光,用它“点焊”视网膜,每次“点焊”需要2×10-3 J的能量,(普朗克常量h=6.6×10-34 J·s)求:
(1)每次“点焊”视网膜的时间;
(2)在这段时间内发出的激光光子的数量。
【答案】 (1)2×10-4 s (2)5×1015个
【解析】 (1)由E=W=Pt得,每次“点焊”时间t=,
代入数据得t=2×10-4 s。
(2)设每个光子的能量为ε0,
则ε0=hν=h,
设在这段时间内发出的激光光子的数量为n,
则由E=nε0,
联立得n=,
代入数据得n≈5×1015个。(共24张PPT)
5 能量
量子化
1.通过学习热辐射、能量子和能级的概念,培养物理观念。2.体会能量子提出的过程,培养献身科学的时代精神,形成科学态度与责任。
[定位·学习目标]
探究·必备知识
知识点一 热辐射
「探究新知」
1.热辐射
(1)定义:一切物体都在辐射 ,这种辐射与物体的 有关,所以叫作热辐射。
(2)特点:当温度升高时,热辐射中波长 的成分越来越强。
电磁波
温度
较短
2.黑体
(1)定义:如果某种物体能够 入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就叫作黑体。
(2)特点:黑体不反射电磁波,但是却可以向外 电磁波。
完全吸收
辐射
「新知检测」
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)热辐射中,温度低的物体辐射电磁波的波长较长。( )
(2)黑体一定是黑色的。( )
(3)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。( )
√
×
×
知识点二 能量子 能级
「探究新知」
1.能量子
(1)普朗克的假设:振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的
。
(2)能量子:这个不可再分的 叫作能量子。
整数倍
最小能量值ε
(3)能量子公式:ε= ,其中ν是电磁波的频率,h称为 ,
h= J·s。
(4)光子:光本身就是由一个个不可分割的 组成的,频率为ν的光的能量子为 ,这些能量子称为光子。
2.能级
(1)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
的。这些 的能量值叫作能级。
hν
普朗克常量
6.63×10-34
能量子
hν
量子化
量子化
(2)能级特点。
①原子处于能量 的状态,是最稳定的。
②原子受到高速运动的电子的撞击,有可能跃迁到 的能量状态。这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量 的能级跃迁,放出光子。
③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
。
最低
较高
较低
能级
之差
「新知检测」
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。( )
(2)原子从高能态向低能态跃迁时辐射任意频率的光子。( )
(3)原子吸收光子后从低能级向高能级跃迁,从较高能级跃迁到较低能级会放出光子。( )
√
×
√
突破·关键能力
要点一 热辐射
「要点归纳」
一般物体与黑体的比较
项目 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
[例1] (对热辐射的理解)(多选)(2025·江苏连云港统考)下列有关热辐射的说法正确的是( )
[A]有些物体不会向外辐射电磁波
[B]物体在室温时,热辐射的主要成分是波长较长的电磁波
[C]物体的温度升高时,热辐射中波长较长的成分越来越强
[D]黑体不反射电磁波,但可以向外辐射电磁波
BD
「典例研习」
【解析】 一切物体都在向外辐射电磁波,故A错误;物体在室温时,热辐射的主要成分是波长较长的电磁波,故B正确;物体的温度升高时,热辐射中波长较短的成分越来越强,故C错误;黑体不反射电磁波,但可以向外辐射电磁波,故D正确。
要点二 能量子 能级
[例2] (能量子的理解)(2025·山东济南检测)关于能量量子化,下列说法正确的是( )
[A]能量子假说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
B
「典例研习」
[例3] (能量子的计算)小灯泡的功率P=1 W,设其发出的光向四周均匀辐射,平均波长 λ=10-6 m,求小灯泡每秒钟辐射的光子数是多少 (h=6.63×10-34 J·s)
【答案】 5×1018个
检测·学习效果
1.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]人的质量
[C]物体的动能 [D]物体的长度
A
【解析】 在量子力学中,物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化,具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化。A正确,B、C、D错误。
2.(多选)(2025·四川广元月考)关于黑体与黑体辐射,下列说法正确的是( )
[A]一般物体辐射电磁波的情况与温度无关,只与材料的种类及表面情况有关
[B]黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,所以看起来是黑色的
[C]随着温度的升高,黑体辐射电磁波的辐射强度将会增加
[D]黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关
CD
【解析】 一般物体辐射电磁波的情况与温度有关,也与材料的种类及表面情况有关,A错误;黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,并不是看起来是黑色的,B错误;随着温度的升高,黑体辐射电磁波的辐射强度将会增加,C正确;黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,D正确。
3.(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
CD
【解析】 原子的能量是量子化的,原子从高能级会自发地向低能级跃迁,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。
4.现在市场上常用来激光打标的是355 nm紫外纳秒固体激光器,该激光器单光子能量高,能直接打断某种材料的分子键,使之从材料表面脱离。据此判断,打断该材料分子键需要的能量约为(取普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,真空光速c=3×108 m/s)( )
[A]10-22 J [B]10-19 J
[C]10-16 J [D]10-13 J
B
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