6.5 量子化现象 导学案 Word版含答案

第五节　量子化现象
核心素养点击
物理观念 (1)知道热辐射、黑体辐射的概念，知道光是一种电磁波。
(2)了解普朗克的能量子假说和爱因斯坦的光子假说。
(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。
填一填
(1)光是一种电磁波
光与电磁波的物理本质是一致的，光是一种电磁波，它通过电场和磁场的相互激发可以在真空中传播。物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，并且证明了电磁波和光一样具有反射、折射、干涉和衍射等性质。
(2)能量子
能量的发射和吸收不是连续的，只能是一份一份的进行。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是一个常量，称为普朗克常量。实验测得h＝6.63×10－34 J·s。
填一填
(1)光电效应定义
光照射在金属上时，有时会有电子从金属表面逸出的现象。
(2)光电子
光电效应中逸出来的电子被称为光电子。
(3)光电效应的实验规律
用不同频率的光去照射阴极时，发现光的频率越高，光电子动能越大，频率低于某一数值时，不论光的强度多大，都不能产生光电子。
(4)爱因斯坦的光子说
①内容：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的光量子组成的，这些光量子称为光子。
②光子能量：公式为ε＝hν，其中ν指光的频率。
③解释：光照射到金属表面上时，能量为hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量中的一部分用来脱离金属表面，另一部分是电子离开金属表面时的动能。如果光子的能量大于电子脱离金属表面所需的能量，则电子脱离金属表面产生光电子，且光的强度越大，光子的数量越多，则产生的光电子也越多。否则，无论光的强度多大，都无法产生光电子。
(5)光的波粒二象性
①光既具有波动性，又具有粒子性的性质称为光的波粒二象性。
②概率波：概率大的地方落下的光子多，形成亮纹；概率小的地方落下的光子少，形成暗纹。
1．填一填
(1)玻尔原子理论的基本假设：电子轨道半径是量子化的，电子只能在某些特定的轨道上运动；电子在不同轨道上具有不同的能量，这些量子化的能量值称为能级；只有当电子在不同轨道之间跃迁时，才辐射光子。
(2)局限性：成功的解释了氢原子的稳定性和氢原子光谱的分立特征，但是这一理论没有彻底摆脱经典物理学理论的束缚。
2．判一判
(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。(×)
3．选一选
已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为(　　)
A．h B.
C. D．以上均不正确
解析：选A　由波速公式c＝λν，可得ν＝，由光的能量子公式ε＝hν得ε＝h，故A正确。
　　
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，这个小孔就成了一个绝对黑体。
(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，如炼钢炉口上的小孔。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
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。
[多选]在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像，则下列说法正确的是(　　)
A．T1＞T2
B．T1＜T2
C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低
D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动
[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．下列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：选A　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。
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：选B　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。
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：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，C正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔，故选项D错误。
　　
[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。
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
[解析]　因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝，式中E＝6ε，t＝1 s，又ε＝hν＝h，可解得P＝ W≈2.3×10－18 W。
[答案]　A
解有关能量子问题的技巧
(1)熟练掌握能量子的计算公式：ε＝hν＝。
(2)把握宏观能量E＝Pt与微观能量子的关系：E＝nε。
(3)正确建立模型。
[素养训练]
1．[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：选AD　所谓“量子化”应该是不连续的，是一份一份的，故选A、D。
2．[多选]关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是(　　)
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：选BC　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。
3．[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：选ABD　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。