(共36张PPT)
第十三章
电磁感应与电磁波初步
5．能量量子化
目标体系构建
课前预习反馈
课内互动探究
核心素养提升
课堂达标检测
夯基提能作业
目标体系构建
【学习目标】
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规律。
【思维脉络】
课前预习反馈
热辐射
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。
知识点
1
温度
较长
短
电磁波
反射
波长
温度
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叫做能量子。
2．能量子的大小：ε＝________，其中______是电磁波的频率，h是一个常量，称为普朗克常量。
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________。
知识点
2
整数
hν
ν
量子化
hν
光子
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。
知识点
3
量子化
量子化
光子
等于
分立
『判一判』
(1)只有高温的物体才会热辐射。(
)
(2)热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同。(
)
(3)黑体就是指黑色的物体。(
)
(4)普朗克认为带电微粒的能量是量子化的。(
)
(5)原子处于最低能级时最稳定。(
)
(6)原子发生能级跃迁时要放出光子。(
)
预习自测
×
√
×
√
√
×
A
『想一想』
很多地方用红外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，你知道其中的道理吗？
答案：根据热辐射规律可知，人的体温的高低，直接决定了这个人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知道这个人的体温。
课内互动探究
热辐射
探究
一
情境导入
有经验的炼钢工人，通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的大体温度，这是根据什么道理？
提示：热辐射与温度有关。
1．热辐射
(1)定义：我们周围的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。太阳、白炽灯中光的发射就属于热辐射。
(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。
要点提炼
2．对黑体的理解
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，这个小孔就成了一个绝对黑体。
3．一般物体与黑体的比较
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光波长等因素有关
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
BC
(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
典例剖析
典例
1
思路引导：在任何温度下，任何物体都会发射电磁波，其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度高低而不同。要理解热辐射的这种特征。
解析：物体在某一温度下能辐射不同波长的电磁波，A错误；铁块呈现黑色，是由于它的辐射强度的极大值对应的波长段在红外部分，甚至波长更长，说明它的温度不太高，当铁块的温度较高时铁块呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强，故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。
对点训练
1．关于黑体及黑体辐射，下列说法正确的是
(
)
A．黑体是真实存在的
B．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
C．随着温度升高黑体辐射的各波长的强度有些会增强，有些会减弱
D．黑体辐射无任何实验依据
B
解析：黑体并不是真实存在的，故A错误；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，故B正确；随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，故C错误；黑体辐射是有实验依据的，故D错误。
能量子和能级
探究
二
情境导入
由能量量子化假说可知，能量是一份一份的，而不是连续的，在宏观概念中，举一些我们周围不连续的实例。
提示：人的个数，自然数，汽车等。
1．能量子
物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的，只能是hν的整数倍，hν称为一个能量量子，其中ν是谐振子的振动频率，h是一个常数，称为普朗克常量。
h＝6.63×10－34
J·s
2．量子化现象
在微观世界中物理量分立取值的现象称为量子化现象。
要点提炼
3．能级
(1)当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，原子在不同的状态中具有不同的能量，即原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。
(2)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一能级“飞跃”到另一能级，而不可能停留在不符合这些能级的任何一个中间状态。
(3)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。
A
(2019·天津市南开中学高二下学期期中)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
思路引导：解决此类题目的关键是熟练掌握ε＝hν和c＝λν及E＝Pt＝nε等关系式。
典例剖析
典例
2
2．(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是(
)
A．以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收
B．辐射和吸收的能量是某一最小能量值的整数倍
C．吸收的能量可以是连续的
D．辐射和吸收的能量是量子化的
解析：根据能量子假设可知，带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍，A、B正确；带电微粒辐射和吸收的能量不是连续的，而是量子化的，故C错误，D正确。
对点训练
ABD
核心素养提升
理解热辐射的关键点
1．任何物体在任何温度下都会发生热辐射，这是由于物体中分子、原子受到激发会发射电磁波。
2．热辐射是热能转化为电磁能的过程。
3．除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波(如图所示)，除光源外，常温下我们看到的物体的颜色就是反射光的颜色。
(2020·云南省云天化中学高二春季开学试题)关于对热辐射认识，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．辐射电磁波的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
案
例
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；辐射电磁波的情况与物体的温度有关，与材料种类及表面状况也有关，C错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，D错误。
课堂达标检测
夯基提能作业第十三章 第五节
1．(2020·北京市昌平区高二下学期期末)以下宏观概念中，属于“量子化”的是( D )
A．物体的长度
B．物体所受的重力
C．物体的动能
D．人的个数
解析：人数的数值只能取正整数，不能取分数或小数，因而是不连续的，是量子化的。其他三个物理量在宏观世界中的数值都可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的。故只有D正确。
2．(2020·山东省昌乐二中高二上学期检测)近年来军事行动中，士兵都佩戴“红外夜视仪”，在夜间也能清楚地看清目标，主要是因为( B )
A．“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体
B．一切物体均在不停地辐射红外线
C．一切高温物体均在不停地辐射红外线
D．“红外夜视仪”发射出X射线，被照射物体受到激发而发出红外线
解析：一切物体都在不停地向外辐射红外线，不同物体辐射出来的红外线不同，采用“红外夜视仪”可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置，不受白天和夜晚的影响，即可确认出目标从而采取有效的行动。故只有B项正确。
3．(2020·吉林省实验中学高二下学期期末)一盏灯发光功率为100
W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长6.0×10－7
m，在距电灯10
m远处，以电灯为球心的球面上，1
m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为(普朗克常量h＝6.63×10－34
J·s，光速c＝3.0×108
m/s)( C )
A．2×1015
B．2×1016
C．2×1017
D．2×1023
解析：设离灯10
m远处每平方米面积上灯照射的能量为E0，则有E0＝；设穿过的光子数为n，则有：nh＝E0；解得：n＝，代入数据，得：n≈2.4×1017个，故选C正确。第十三章 第五节
请同学们认真完成
[练案23]
一、选择题(本题共6小题，每题8分，共48分)
1．以下宏观概念中，哪些是“量子化”的( A )
A．物体的带电荷量
B．物体的质量
C．汽车的速度
D．课桌的高度
解析：所谓“量子化”应该是不连续的，是一份一份的，故选A。
2．红外线热像仪可以监测人的体温，当被测者从仪器前走过时，便可知道被测者的体温是多少，关于红外线热像仪测体温的原理，下列说法正确的是
( C )
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体温有关
C．被测者会辐射红外线，所辐射红外线的强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强，且较短波长的辐射强度大
D．被测者会辐射红外线，所辐射红外线的强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强，且较长波长的辐射强度大
解析：根据热辐射规律可知，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，直接决定了这个人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，选项C正确。
3．关于对黑体的认识，下列说法正确的是( C )
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，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，B错误，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，D错误。
4．(2020·北京101中学高二下学期期末)2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100
nm(1
nm＝10－9
m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34
J·s，真空光速c＝3×108
m/s)( B )
A．10－21
J
B．10－18
J
C．10－15
J
D．10－12
J
解析：一个处于极紫外波段的光子的能量约为E＝≈2×10－18
J，由题意可知，光子的能量应比电离一个分子的能量稍大，因此数量级应相同，故选B。
5．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重要的作用。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Tλm＝2.90×10－3
m·K。
(1)老鼠发出最强的热辐射的波长为( B )
A．7.8×10－5
m
B．9.4×10－6
m
C．1.16×10－4
m
D．9.7×10－8
m
(2)老鼠发生的最强的热辐射属于( C )
A．可见光波段
B．紫外波段
C．红外波段
D．X射线波段
解析：(1)老鼠的体温T＝(273＋37)K＝310
K
由题设条件λm与T的近似关系式：λmT＝2.90×10－3
m·K
得λm＝＝
m≈9.4×10－6
m，B正确。
(2)根据老鼠的体温不高，不能辐射可见光进行判断，同时没有见过一个会发“光”的老鼠，且紫外和X射线的能量太大，故选C。
6．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是
( BC )
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。
二、非选择题
7．(12分)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＝6.63×10－34J·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≈5.1×1014Hz
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)。
