粤教版（2019）物理必修第三册 6.5 量子化现象 课件(42张ppt）

第六章　电磁现象与电磁波
第五节　量子化现象
学习目标
1.知道热辐射，了解黑体辐射，感悟以实验为基础的科学研究方法
2．了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想
3．了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子论的建立深化了人们对物质世界的认识
4．了解能级、能级跃迁、能量量子化、原子发射光谱等概念，初步认识量子力学的建立在科技中的重要作用
学法指导
1.通过阅读教材或查阅资料，了解黑体辐射， 感悟实验在物理学中的重要作用
2．利用多种资源，了解普朗克能量子假设，知道光的能量是不连续的，初步了解微观世界的量子化特征，初步认识量子力学，能很好地描述微观粒子的运动规律
知识导图
预习导学 | 新知领悟
1．热辐射：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的________有关，所以叫热辐射．
2．辐射强度按波长的分布情况随物体的________不同而有所不同．当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强．
热辐射
温度
温度
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．常温下我们看到的不发光物体的颜色就是__________光所致．
4．黑体：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________．黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关．
反射
黑体
【答案】我们所说的黑体并不是指物体的颜色，它是指能完全吸收各种波长的电磁波的物体．
黑体就是黑色的物体吗？
关于对热辐射的认识，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；C是黑体辐射的特性，不是所有热辐射的性质，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．
热辐射不一定需要高温，任何温度下都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强．在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同.






比较
热辐射特点
吸收、反射的特点
一般
物体
辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类、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的波长等因素有关
黑体
辐射电磁波的强弱按波长分布，只与黑体的温度有关
完全吸收各种入射电磁波，不反射
1．定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的______倍．例如，可能是ε，2ε，3ε……这个不可再分的最小能量值ε叫作________．
2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为______________(一般取h＝6.63×10－34 J·s)．
3．能量的量子化：__________的假设认为，微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续(分立)的．
能量子与光子
整数
能量子
普朗克常量
普朗克
4．光电效应：光照射在金属表面时，有时会从金属表面逸出电子，这种现象叫光电效应．逸出的电子叫__________．
5．光的频率越高，照射阴极逸出的光电子动能越______；低于某一频率的光，无论光强多大，都__________产生光电子．
6．光子：光的能量不是连续的，而是一份一份的，一份就是一个光子．光子的能量与它的__________成正比，即ε＝__________.
7．光具有粒子性的同时，也具有波动性，这种性质叫光的____________．光的波动性不同于机械波，也不同于经典意义上的电磁波，而是一种__________．
光电子
大
不能
频率
hν
波粒二象性
概率波
【答案】黑体辐射的实验规律在用当时已有的电磁场理论无法解释的情况下，普朗克大胆提出了能量量子化的假说，得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，并与黑体辐射的实验规律相当符合．
普朗克是在什么情况下大胆提出能量量子化假说的？
(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
【答案】AD
【解析】所谓“量子化”应该是不连续的，而是一份一份的，故A、D正确．
1．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，这些量子化的能量值叫作__________．通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的．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，放出光子．
2．原子由高能态向低能态跃迁时放出________的能量，等于前后两个能级________．由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是______的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线．
能级
量子化
能级
不稳定
光子
之差
分立
【答案】因各定态轨道的能量是固定的，由hν＝Em－En可知，跃迁时释放出的光子的频率，也是一系列固定值．
原子由高能量状态跃迁到低能量状态时，释放出的光子的频率可以是任意值吗？
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普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同？
【答案】宏观世界中我们认为能量是连续变化的，普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的，每一份是一个最小能量单位，即能量不是连续的．宏观世界中我们认为能量是连续变化的，是因为每一个能量子的能量都很小，宏观变化中有大量的能量子，就可以看作是连续的．而研究微观粒子时，单个的能量子能量就显示出不连续性．
能量子和光子
(2)公式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)能量量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫能量量子化．
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量子化．
精例1　光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400～700 nm，求400 nm、700 nm的电磁辐射的光子的能量是多少？
【答案】4.97×10－19 J　2.84×10－19 J

【答案】A

1．光子的能量ε＝hν，其中ν是电磁波的频率， h是一个常量，称为普朗克常量，其值为h＝6.626×10－34 J·s.
2．用能量子观点解释黑体辐射的实验规律：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．
玻尔认为，电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动，如氢原子中电子运动轨道的最小半径是0.53×10－10 m，其他的轨道半径只能是2.12×10－10 m、4.77×10－10 m等，轨道半径不可能是介于这些值之间的中间值，经典物理学的观点是怎样的？
能级、能级跃迁

【答案】根据经典理论，随着不断向外辐射能量，电子的能量减少，电子绕原子核运行的轨道半径连续地减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造地球卫星受到阻力作用不断损失能量后，要落到地面上的一样．

4．原子从高能级向低能级跃迁放出的光子的能量等于前后两个能级之差，原子从低能级跃迁到高能级吸收光子的能量也等于前后两个能级之差．
5．由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，原子的发射光谱只有一些分立的亮线．

精例2　一个氢原子从高能级跃迁到低能级，该氢原子 (　　)
A．放出光子，能量增加 B．放出光子，能量减少
C．吸收光子，能量增加 D．吸收光子，能量减少
【答案】B
【解析】氢原子能级越高对应的能量越大，当氢原子从较高能级向较低能级跃迁时放出光子，能量减少，B正确，A、C、D错误．
变式2　关于玻尔理论，以下说法错误的是 (　　)
A．氢原子核外的电子轨道半径是量子化的，不是连续的，电子只能在特定轨道上运动
B．氢原子核外电子在特定轨道上运动时，不辐射电磁波，不辐射能量
C．只有当核外电子在不同轨道间跃迁时，氢原子才辐射光子
D．氢原子的光谱线和太阳光谱一样，都是连续的谱线


【答案】D
【解析】根据玻尔的氢原子理论，A、B、C正确；由于氢原子轨道量子化，因此跃迁辐射的光子也是量子化的，所以氢原子光谱是一些分立的线状谱，而不是连续谱，D错误．
核心素养微专题
光通信的发展
光通信技术是构建光通信系统与网络的基础，高速光传输设备、长距离光传输设备和智能光网络的发展、升级以及推广应用，都取决于光通信器件技术进步和产品更新换代的支持．因此，通信技术的更新与升级将促使光通信器件不断发展进步．

我国通信市场的蓬勃发展以及我国通信设备商成功的海外市场拓展，正带动本土光器件产业提速发展，我国通信光电器件产业在全球市场的重要地位也日益显现．而下一代光通信系统的演进在很大程度上取决于通信光电子器件技术的进步，在这个市场与技术的转折点上，我国光通信技术正面临着重要的发展机遇．
【专练】　近年来，无线光通信技术(不需光纤，利用红外线在空间的定向传播来传递信息的通信手段)在局域网、移动通信等多方面显示出巨大的应用前景．关于红外线和光通信，以下说法中正确的是 (　　)
①光通信就是将文字、数据、图像等信息转换成光信号从一地传向另一地的过程
②光纤通信中的光信号在光纤中传输，无线光通信的光信号在空气中传输
③红外线的频率比可见光的频率高
④红外光子的能量比可见光子的能量大
A．①②　　　 B．③④
C．①③　　 D．②④
【答案】A
【解析】无线光通信技术是光信号在空气中直接传输，光纤通信中的光信号是在光纤中传输．不论哪种方式，传输的都是文字、数据和图像等信息．由电磁波谱可知红外线的频率比可见光的频率低，由爱因斯坦的光子论可知ε＝hν，红外光子的能量比可见光的光子能量小，故①②正确．
课堂小练 | 素养达成
1．以下宏观概念中，属于“量子化”的是 (　　)
A．物体的长度 B．物体所受的重力
C．物体的动能 D．车辆的多少
【答案】D
【解析】车辆的多少只能取正整数，不能取分数或小数，因而不连续的，是量子化的．长度、力以及动能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D正确，A、B、C错误．

2．(多选)下列叙述正确的是 (　　)
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
【答案】ACD


【解析】根据热辐射定义知A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般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，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B错误、C正确；根据黑体定义知D正确．
3．(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．辐射和吸收的能量是量子化的
【答案】ABD
【解析】带电微粒辐射和吸收能量时是以最小能量值ε的整数倍一份一份地辐射或吸收，是不连续的．