高中物理人教版新教材必修第三册 13.5能量量子化 学案 Word版含答案

第5节　能量量子化
学习目标
1.知道热辐射、黑体、黑体辐射的概念。
2.了解普朗克的能量子假设。
3.了解爱因斯坦光子假设。
4.知道原子能级及能级跃迁理论。
自主预习
一、热辐射
1.热辐射
(1)定义:周围的一切物体都在辐射　　　　,这种辐射与　　　　有关,所以叫热辐射。?
(2)特点:热辐射强度按波长的分布情况随物体的　　　　不同而有所不同。?
2.黑体
(1)定义:某种物体能够　　　　入射的各种波长的电磁波而不发生　　　　,这种物体就叫作黑体。?
(2)黑体辐射特点:黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的　　　　有关。?
二、能量子
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　　　　,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　　　　。?
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。?
3.能量的量子化:普朗克的假设认为微观粒子的能量是　　　　的,或者说微观粒子的能量是　　　　的。爱因斯坦把能量子假设进行了推广,认为电磁场本身就是不连续的,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hν,h为普朗克常量。这些能量子后来被叫作　　　　。?
三、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。?
2.能级跃迁:通常情况下,原子处于能量最低的状态,这是最　　　　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。这些状态的原子是不稳定的,会　　　　地向能量较低的能级　　　　,放出光子。原子从高能态向低能态　　　　时放出的光子的能量,等于前后两个能级　　　　。?
课堂探究
[新课导入]晒太阳可以使身体变暖,是通过什么方式改变人体内能的?冬天在火炉旁烤手是通过什么方式改变人体内能的?
对热辐射、黑体和黑体辐射的理解
[情境设问]通过观察铁钉颜色的变化,思考该变化反映了热辐射具有什么样的特点?
?
[思考与讨论]热辐射的辐射强度与温度、物体种类及其表面情况有关,太复杂了!怎么去研究热辐射的客观规律呢?我们或许可以从生活中的这件事上获得启发:一座建设中楼房还没有安装窗子,尽管室内已粉刷,如果从远处观察,把窗内的亮度与楼外墙的亮度相比,你会发现什么?为什么?
总结:?
?
对能量子的理解
[思考与讨论]尝试用普朗克的量子化观点解释:某激光器能发射波长为λ的激光,那么激光能量子的能量可以取任意值吗?是连续的还是一份一份的?设普朗克常量为h,那么每个激光能量子的能量是多少?如果激光发射功率为P,那么每秒钟发射多少个能量子?
总结:?
?
对能级及能级跃迁的理解
[思考与讨论]阅读课本,并尝试用能量量子化的观点来解释原子光谱的特点。
总结:?
?
[例题展示]
【例题1】近年来军事行动中,士兵都配戴“红外夜视仪”,在夜间也能清楚地看清目标,主要是因为(　　)
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.红外线属于可见光
[针对训练1](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
【例题2】人眼对绿光较为敏感,正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时,只要每秒钟有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
[针对训练2]神光“Ⅱ”装置是我国规模最大、国际上为数不多的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,则该紫外激光所含光子数为多少个?(保留2位有效数字)
【例题3】氢原子基态的能量为E1=-13.6 eV。大量氢原子处于某一激发态。由这些氢原子可能发出的所有的光子中,频率最大的光子能量为-0.96E1,在原子所在激发态能量为　　　　eV(保留2位有效数字)。?
课堂练习
1.(对热辐射的理解)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
2.(对黑体辐射规律的理解)(多选)以下关于辐射强度与波长的关系的说法正确的是(　　)
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
3.(对能量子的理解及ε=hν的应用)(多选)关于“能量量子化”,下列说法正确的是(　　)
A.认为带电微粒辐射或吸收能量时,是一份一份的
B.认为能量值是连续的
C.认为微观粒子的能量是量子化的、连续的
D.认为微观粒子的能量是分立的
4.(对能级跃迁的理解)氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1,从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2,已知普朗克常量为h,若氢原子从能级k跃迁到能级m,则(　　)
A.吸收光子的能量为hν1+hν2
B.辐射光子的能量为hν1+hν2
C.吸收光子的能量为hν2-hν1
D.辐射光子的能量为hν2-hν1
5.(对能量量子化理解及ε=hν的应用)红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道的闪光,每道闪光称为一个脉冲。现有一红宝石激光器,发射功率为P=1.0×106 W,所发射的光脉冲持续时间Δt=1.0×10-11 s,波长为693.4 nm(1 nm=10-9 m),求:
(1)每个光脉冲的长度;
(2)每个光脉冲含有的光子数。(已知h=6.63×10-34 J·s,结果保留2位有效数字)
核心素养专练
1.对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
A.温度 B.材料
C.表面状况 D.以上都正确
2.能正确解释黑体辐射实验规律的是(　　)
A.能量的连续经典理论
B.普朗克提出的能量量子化理论
C.以上两种理论体系任何一种都能解释
D.牛顿提出的能量微粒说
3.“非典”期间,很多地方用红外线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,关于其中原理,下列说法正确的是(　　)
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温度有关
C.被测者会辐射红外线,辐射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成分强
D.被测者会辐射红外线,辐射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成分强
4.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.物体所受的重力
C.物体的动能 D.物体的长度
5.某激光器能发射波长为λ的激光,发射功率为P,c表示光速,h为普朗克常量,则激光器每秒发射的光量子数为(　　)
A. B. C. D.λPhc
6.(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
7.(多选)光子的发射和吸收过程是(　　)
A.原子从基态跃迁到激发态要放出光子,放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差
B.原子不能从低能级向高能级跃迁
C.原子吸收光子后从低能级跃迁到高能级,放出光子后从较高能级跃迁到较低能级
D.原子无论是吸收光子还是放出光子,吸收的光子或放出的光子的能量恒等于始、末两个能级的能量差值
8.能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10-18 J,已知可见光的平均波长为0.6 μm,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,恰能引起人眼的感觉,进入人眼的光子数至少为(　　)
A.1个 B.3个
C.30个 D.300个
参考答案
自主预习
一、1.(1)电磁波　物体的温度　(2)温度
2.(1)完全吸收　反射　(2)温度
二、1.整数倍　一份一份　能量子
2.普朗克
3.量子化　不连续(分立)　能量子　光子
三、1.量子化　量子化　2.稳定　自发　跃迁　跃迁　之差
课堂探究
略
【例题1】
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B正确。
答案:B
[针对训练1]
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。
答案:ACD
【例题2】
解析:因只要每秒有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,又ε=hν=h,可解得P= W≈2.3×10-18 W。
答案:A
[针对训练2]
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==个≈4.2×1021个。
答案:4.2×1021个
【例题3】
解析:频率最大的光子能量为-0.96E1,即En-(-13.6 eV)=-0.96×(-13.6 eV),解得En=-0.54 eV。
答案:-0.54
课堂练习
1.B　2.BC　3.AD　4.D
5.(1)3.0×10-3m　(2)3.5×1013个
核心素养专练
1.解析:影响黑体辐射电磁波的波长分布的因素是温度,故A正确,B、C、D错误。
答案:A
2.解析:根据黑体辐射的实验规律,随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释,故B正确,A、C、D错误。
答案:B
3.解析: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。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,故C正确,A、B、D错误。
答案:C
4.解析:依据普朗克量子化观点,能量是不连续的,是一份一份地变化的,属于“不连续的,一份一份”的概念的是A选项,故A正确,B、C、D错误。
答案:A
5.解析:每个光量子的能量ε=hν=,每秒钟发射的总能量为P,则n==,故A正确,B、C、D错误。
答案:A
6.解析: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。
答案:ABD
7.解析:原子处于激发态不稳定,可自发地向低能级发生跃迁,以光子的形式放出能量,光子的吸收是光子发射的逆过程,原子在吸收光子后,会从较低能级向较高能级跃迁,但不管是吸收光子还是发射光子,光子的能量总等于两能级之差,即hν=Em-En(m>n),故A、B错误,C、D正确。
答案:CD
8.解析:每个光子的能量为E0=h,能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E为10-18 J,由E=nE0得能引起人眼的感觉,进入人眼的光子数至少为n===个=3个。故选B。
答案:B