5.能量量子
课标准 素养目标
1.知道光是一种电磁波。 2.知道光的能量是不连续的。 3.初步了解微观世界的量子特征。 1.普朗克能量子概念。 (物理观念) 2.应用量子的思想理解原子的能级问题。 (科学思维) 3.通过教学让学生体验科学家所进行的科学探究。 (科学探究) 4.理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过,这一过也是辩证发展。 (科学态度与责任)
高端教学引领
【教学建议】
1.热辐射、黑体辐射:
任务 建议
热辐射 读教材知道什么是热辐射及其特点
黑体辐射 读教材了解黑体辐射和电磁辐射
2.能量子和能级:
任务 建议
能量子的概念 读教材准确把握能量子的概念
能级 读教材了解能级的概念,知道原子的能量也是量子的
【情境导引】
一个多世纪以前,爱因斯坦发表了广义相对论,而现代物理中的黑洞理论正是建立在该理论的基础上。近几十年来,天体物理学家已经为这些神秘天体找到了压倒性的证据。他们观察到黑洞对邻近恒星和行星轨道的作用;他们“听”到了来自黑洞碰撞产生的振动,即时空涟漪——引力波。但直到2019年,他们才“亲眼看到了”黑洞。2019年4月10日,事件视界望远镜(EHT)国际合作项目的天体物理学家宣布,他们首次捕捉到了黑洞的图像。如图。
问题导引:
(1)什么是热辐射和黑体辐射
(2)量子力学是怎么建立的
课前自主学习
一、黑体与黑体辐射
1.热辐射: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.黑体:是指能够完吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
二、能量子
1.定义:普朗克认为,带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2.能量子大小:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量,h=6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
3.能量的量子:在微观世界中能量是量子的,或者说微观粒子的能量是不连续(分立)的。
三、能级
1.能级:原子的能量是量子的。这些量子的能量值叫作能级。通常情况下,原子处于能量最低的状态, 这是最稳定的。
2.气体放电管中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。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。
【易错辨析】
(1)温度越高,物体辐射的电磁波越强。 ( )
(2)能量子的能量不是任意的,其大小与电磁波的频率成正比。 ( )
(3)电子吸收某种频率的光子时会从较低的能量状态跃迁到较高的能量状态。 ( )
(4)原子从高能态向低能态跃迁时会辐射任意频率的光子。 ( )
提示:(1)√ (2)√ (3)√ (4)×。原子从高能态向低能态跃迁时会辐射特定频率的光子。
课堂合作探究
主题 能量量子
【生活情境】
如图,铁块放入火炉中持续加热时,铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色,直至成为黄白色。
【问题探究】
(1)为什么烧红的铁块如果继续升温,就会达到“白”热
提示:因为温度升高后,铁块辐射出的光中,波长较短的蓝光、紫光所占的比例就会增加,更接近日光中各种色光的比例,因此看起来几乎是白色的。
(2)铁块是一般的物体,一般物体与黑体的热辐射特点有何不同
提示:一般物体辐射电磁波的情况与温度、材料的种类及表面状况有关;而黑体辐射电磁波的强度按波长(或频率)的分布只与黑体的温度有关。
(3)电磁波的本质是一种能量,由(1)(2)问题进一步思考,能量是不是连续的
提示:能量并不是连续的,而是一份一份的。
【结论生成】
1.热辐射与温度的关系:
(1)热辐射不一定需要高温,任何温度的物体都能发出一定的热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。
(2)在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著不同。
(3)一般物体的热辐射除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。
2.普朗克的能量子观点:
(1)普朗克的能量子观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。宏观世界中的能量可以是任何值,是连续的,而普朗克认为微观粒子的能量是量子的,是一份一份的。
(2)普朗克的能量子观点使人类对微观世界的本质有了新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征。
【典例示范】
我国成功利用“墨子号”量子科学实验卫星,实现了地球上1 200千米间的量子态远传输,这次实验的成功,意味着我国在量子通信网络建设领域向前迈出了重要的一步。下列关于量子的说法正确的是 ( )
A.爱因斯坦首先提出了“能量子”的概念
B.物体的长度是量子的
C.对于宏观带电物体,其电荷量是量子的
D.能量子与电磁波的频率成反比
【解析】选C。普朗克首先提出了“能量子”的概念,A错误;物体的长度是连续的,B错误;对于宏观带电物体,其电荷量是量子的,是元电荷的整数倍,C正确;根据ε=hν ,能量子与电磁波的频率成正比,D错误。
【探究训练】
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】选C。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,选项C正确;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此小孔成了一个黑体,而不是空腔,故选项D错误。
2.某气体在T1、T2两种不同温度下的分子速率分布图如图甲所示,纵坐标f(v)表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比,横坐标v表示分子的速率;而黑体辐射的实验规律如图乙所示,图乙中画出了T1、T2两种不同温度下黑体辐射的强度与波长的关系。下列说法正确的是 ( )
A.图甲中T1>T2,图乙中T1>T2
B.图乙中温度升高,辐射强度的极大值向波长较短向移动
C.图甲中温度升高,所有分子的速率都增大
D.图乙中黑体辐射电磁波的情况不仅与温度有关,还与材料的种类及表面状况有关
【解析】选B。由图甲可知,温度为T2的图线中速率大的分子占据的比例较大,说明其对应的平均分子动能较大,故T2对应的温度较高,所以T2>T1,温度升高使得气体分子的平均速率增大,不一定所有分子的速率都增大;图乙中,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有所增加,且辐射强度的极大值向波长较短向移动,B正确,A、C错误。图乙中黑体辐射电磁波的情况只与温度有关,与材料的种类及表面状况无关,D错误。
【课堂回眸】
课堂学业达标
1.硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转为电能。若有N个波长为λ0的能量子打在光电池极板上,这些能量子的总能量为(h为普朗克常量) ( )
A.h B.Nh C.Nhλ0 D.2Nhλ0
【解析】选B。一个能量子的能量ε=hν=h,N个能量子的总能量E=Nh,选项B正确。
2.(多选)下列说法正确的是 ( )
A.微观粒子的能量变是跳跃式的
B.能量子与电磁波的频率成正比
C.红光的能量子比绿光大
D.电磁波波长越长,其能量子越大
【解析】选A、B。微观粒子的能量变是跳跃式的,选项A正确;由ε=hν可知,能量子与电磁波的频率成正比,选项B正确;红光的频率比绿光小,由ε=hν可知,红光的能量子比绿光小,选项C错误;电磁波波长越长,其频率越小,能量子越小,选项D错误。
3.(多选)对一束太阳光进行分析,下列说法正确的是 ( )
A.太阳光是由各种单色光组成的复合光
B.组成太阳光的各单色光中,能量最强的光为红光
C.组成太阳光的各单色光中,能量最强的光为紫光
D.组成太阳光的各单色光的能量都相同
【解析】选A、C。由公式ε=hν可知,光的频率越大能量越强。组成太阳光的各单色光中,紫光的频率最大,故其能量最强。(共26张PPT)
5.能量量子
01
02
03
高端教学引领
课前自主学习
课堂合作探究
04
课堂学业达标
课标准 素养目标
1.知道光是一种电磁波。 2.知道光的能量是不连续的。 3.初步了解微观世界的量子特征。 1.普朗克能量子概念。(物理观念)
2.应用量子的思想理解原子的能级问题。(科学思维)
3.通过教学让学生体验科学家所进行的科学探究。(科学探究)
4.理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过,这一过也是辩证发展。(科学态度与责任)
01
高端教学引领
【教学建议】
1.热辐射、黑体辐射:
任务 建议
热辐射 读教材知道什么是热辐射及其特点
黑体辐射 读教材了解黑体辐射和电磁辐射
2.能量子和能级:
任务 建议
能量子的概念 读教材准确把握能量子的概念
能级 读教材了解能级的概念,知道原子的能量也是量子的
【情境导引】
一个多世纪以前,爱因斯坦发表了广义相对论,而现代物理中的黑洞理论正是建立在该理论的基础上。近几十年来,天体物理学家已经为这些神秘天体找到了压倒性的证据。他们观察到黑洞对邻近恒星和行星轨道的作用;他们“听”到了来自黑洞碰撞产生的振动,即时空涟漪——引力波。但直到2019年,他们才“亲眼看到了”黑洞。2019年4月10日,事件视界望远镜(EHT)国际合作项目的天体物理学家宣布,他们首次捕捉到了黑洞的图像。如图。
问题导引:
(1)什么是热辐射和黑体辐射
(2)量子力学是怎么建立的
02
课前自主学习
一、黑体与黑体辐射
1.热辐射: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.黑体:是指能够_____吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
二、能量子
1.定义:普朗克认为,带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的_______,当
带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位_________地辐
射或吸收的,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
电磁波
温度
完
整数倍
一份一份
2.能量子大小:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为_______常量,h=6.626×
10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
3.能量的量子:在微观世界中能量是_______的,或者说微观粒子的能量是
____________的。
普朗克
量子
不连续(分立)
三、能级
1.能级:原子的能量是量子的。这些_______________叫作能级。通常情
况下,原子处于能量最低的状态, 这是最_____的。
2.气体放电管中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。这些状态的原子是_______的,会自发地向能量较低的能级跃迁,
放出_____。
量子的能量值
稳定
不稳定
光子
【易错辨析】
(1)温度越高,物体辐射的电磁波越强。( )
(2)能量子的能量不是任意的,其大小与电磁波的频率成正比。( )
(3)电子吸收某种频率的光子时会从较低的能量状态跃迁到较高的能量状态。( )
(4)原子从高能态向低能态跃迁时会辐射任意频率的光子。( )
提示:(1)√ (2)√ (3)√ (4)×。原子从高能态向低能态跃迁时会辐射特定频率的光子。
03
课堂合作探究
主题 能量量子
【生活情境】
如图,铁块放入火炉中持续加热时,铁块依次呈现暗红、
赤红、橘红等颜色,直至成为黄白色。
【问题探究】
(1)为什么烧红的铁块如果继续升温,就会达到“白”热
提示:因为温度升高后,铁块辐射出的光中,波长较短的蓝光、紫光所占的比例就会增加,更接近日光中各种色光的比例,因此看起来几乎是白色的。
(2)铁块是一般的物体,一般物体与黑体的热辐射特点有何不同
提示:一般物体辐射电磁波的情况与温度、材料的种类及表面状况有关;而黑体辐射电磁波的强度按波长(或频率)的分布只与黑体的温度有关。
(3)电磁波的本质是一种能量,由(1)(2)问题进一步思考,能量是不是连续的
提示:能量并不是连续的,而是一份一份的。
【结论生成】
1.热辐射与温度的关系:
(1)热辐射不一定需要高温,任何温度的物体都能发出一定的热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。
(2)在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著不同。
(3)一般物体的热辐射除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。
2.普朗克的能量子观点:
(1)普朗克的能量子观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。宏观世界中的能量可以是任何值,是连续的,而普朗克认为微观粒子的能量是量子的,是一份一份的。
(2)普朗克的能量子观点使人类对微观世界的本质有了新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征。
【典例示范】
我国成功利用“墨子号”量子科学实验卫星,实现了地球上1 200千米间的量子态远传输,这次实验的成功,意味着我国在量子通信网络建设领域向前迈出了重要的一步。下列关于量子的说法正确的是( )
A.爱因斯坦首先提出了“能量子”的概念
B.物体的长度是量子的
C.对于宏观带电物体,其电荷量是量子的
D.能量子与电磁波的频率成反比
√
【解析】选C。普朗克首先提出了“能量子”的概念,A错误;物体的长度是连续的,B错误;对于宏观带电物体,其电荷量是量子的,是元电荷的整数倍,C正确;根据ε=hν ,能量子与电磁波的频率成正比,D错误。
【探究训练】
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】选C。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,选项C正确;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此小孔成了一个黑体,而不是空腔,故选项D错误。
2.某气体在T1、T2两种不同温度下的分子速率分布图如图甲所示,纵坐标f(v)表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比,横坐标v表示分子的速率;而黑体辐射的实验规律如图乙所示,图乙中画出了T1、T2两种不同温度下黑体辐射的强度与波长的关系。下列说法正确的是 ( )
A.图甲中T1>T2,图乙中T1>T2
B.图乙中温度升高,辐射强度的极大值向波长较短向移动
C.图甲中温度升高,所有分子的速率都增大
D.图乙中黑体辐射电磁波的情况不仅与温度有关,还与材料
的种类及表面状况有关
√
【解析】选B。由图甲可知,温度为T2的图线中速率大的分子占据的比例较大,说明其对应的平均分子动能较大,故T2对应的温度较高,所以T2>T1,温度升高使得气体分子的平均速率增大,不一定所有分子的速率都增大;图乙中,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有所增加,且辐射强度的极大值向波长较短向移动,B正确,A、C错误。图乙中黑体辐射电磁波的情况只与温度有关,与材料的种类及表面状况无关,D错误。
【课堂回眸】
04
课堂学业达标
1.硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转为电能。若有N个波长为λ0
的能量子打在光电池极板上,这些能量子的总能量为(h为普朗克常量) ( )
A.h B.Nh C.Nhλ0 D.2Nhλ0
【解析】选B。一个能量子的能量ε=hν=h,N个能量子的总能量E=Nh,选项
B正确。
√
2.(多选)下列说法正确的是 ( )
A.微观粒子的能量变是跳跃式的
B.能量子与电磁波的频率成正比
C.红光的能量子比绿光大
D.电磁波波长越长,其能量子越大
【解析】选A、B。微观粒子的能量变是跳跃式的,选项A正确;由ε=hν可知,能量子与电磁波的频率成正比,选项B正确;红光的频率比绿光小,由ε=hν可知,红光的能量子比绿光小,选项C错误;电磁波波长越长,其频率越小,能量子越小,选项D错误。
√
√
3.(多选)对一束太阳光进行分析,下列说法正确的是 ( )
A.太阳光是由各种单色光组成的复合光
B.组成太阳光的各单色光中,能量最强的光为红光
C.组成太阳光的各单色光中,能量最强的光为紫光
D.组成太阳光的各单色光的能量都相同
【解析】选A、C。由公式ε=hν可知,光的频率越大能量越强。组成太阳光的各单色光中,紫光的频率最大,故其能量最强。
√
√
