13.5 能量量子化 讲义—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第三册word版含答案

第十三章电磁感应与电磁波初步
第5节能量量子化
【素养目标】
1．了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射
2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系
3．了解能量子的概念
【必备知识】
知识点一、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，所以叫做热辐射。
2.特点：物体热辐射中随温度的升高，辐射的较短波长的电磁波的成分越来越强．
3.黑体
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，这种物体就是黑体．
黑体辐射的实验规律
①一般材料的物体，辐射电磁波的情况，除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．
②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的有关．随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．
知识点二、能量子
(1)定义
振动着的带电微粒能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，即能的辐射或者吸收只能是一份一份的．这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子．
(2)计算式
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＝6.63×10－34J·s)
(3)能量的量子化
在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的．这种现象叫能量的量子化．
被接受的原因：借助能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好。
推广：光本身就是由一个个不可分割得能量子组成，这些能量子叫光子。
知识点三、能级
定义：原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫能级
解释原子光谱：原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。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，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
【课堂检测】
1．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．在同一温度下，波长越短的电磁波辐射强度越大
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
【答案】D
【详解】
A．不同温度的物体向外辐射的电磁波的波长范围是不同的，温度越高向外辐射的能量中，频率小的波越多，所以T1>T2，故A错误；
B．由图像可知，同一温度下，辐射强度最大的电磁波波长不是最大的，也不是最小的，而是处在最大与最小波长之间，故B错误；
C．由图像可知，黑体的辐射强度随着温度的升高而增大，故C错误；
Ｄ．有图可知，随着温度的升高，相同波长的光辐射强度都会增大，同时最大辐射强度向左侧移动，即向波长较短的方向移动，故D正确。
故选D。
2．如图所示，A、B是颜色不同且彼此平行的两束单色光，当它们从空气射入水中时都发生折射。已知B光折射角大于A光的折射角，于是可以判定（　　）
A．A光光子能量大 B．在水中A的波长较长
C．在水中B的光速小 D．B光的频率大
【答案】A
【详解】
AD．B光折射角大于A光的折射角，根据折射定律，故B光的折射率较小，频率小，根据
则A光光子能量大，D错误A正确；
B．B光的折射率较小，频率小，波长较长，B错误；
C．根据
B光的折射率要小，则在水中B的光速大，C错误。
故选A。
【素养作业】
1．关于量子，下列说法中正确的是（　　）
A．一种高科技材料 B．研究微观世界的一个概念
C．运算速度很快的计算机 D．计算机运行的一个二进制程序
【答案】B
【详解】
量子最早由普朗克于1900年提出，普朗克假设物体发射出电磁辐射能量是一份一份的，其中每一份被他称作能量子，电磁辐射能量是其整数倍，所以量子是表示能量的单元，量子是不可分割的最小的单元，表示微观世界的不连续性，即通常所说的“量子化”，而非高科技材料、计算机或计算机的程序，故B正确，ACD错误。
故选B。
2．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只与温度有关，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度极大值向波长较长的方向移动
C．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
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
【答案】C
【详解】
A．能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体，故A错误；
B．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，温度升高时，黑体辐射强度的极大值向波长减小的方向移动，故B错误；
C．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，与实验结果相符，故C正确；
D．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，这个小孔就成了一个黑体，故D错误。
故选C。
3．关于下列物理常数，单位正确的是（　　）
A．静电常量k N·kg2/m2 B．普朗克常量h J·s
C．动摩擦因数 N/kg D．电阻率
【答案】B
【详解】
A ．由物理公式可知

k的单位是 ，A错误；
B．由物理公式
h的单位是 ，B正确；
C．动摩擦因数仅仅是一个数值，没有单位，C错误；
D．由物理公式可知
的单位是，D错误；
故选B。
4．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
【答案】B
【详解】
A．黑体并不是真实存在的，A错误；
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，B正确；
C．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，C错误；
D．黑体辐射是有实验依据的，D错误。
故选B。
5．2020年12月我国科学家在量子计算领域取得了重大成果，构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。关于量子，下列说法正确的是（　　）
A．是计算机运算的一种程序 B．表示运算速度的一个单位
C．表示微观世界的不连续性观念 D．类似于质子、中子的微观粒子
【答案】C
【详解】
量子是不可分割的最小的单元，体现了物质的不连续性，即通常所说的“量子化”。
故选C。
6．普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一，如图所示为黑体辐射的实验规律图，下列说法正确的是（　　）
A．黑体热辐射的强度与波长无关
B．黑体热辐射只能是高温下才能进行，低温下不辐射
C．一定温度下，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值
D．从图象看出随着温度的升高，各种波长的辐射强度是先增加后减小
【答案】C
【详解】
A．黑体热辐射的强度与波长有关，故A错误；
B．任何温度下的物体都会发出一定的热辐射，B错误；
CD．根据黑体辐射实验规律可得，一定温度下黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值，黑体热辐射强度的极大值随温度的升高向波长较小的方向移动，故C正确，D错误。
故选C。
7．蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温为37℃，它发出的最强的热辐射的波长为，根据热辐射理论，与辐射源的绝对温度的关系近似为，普朗克常量。那么老鼠发出最强的热辐射的波长和老鼠发出的这种最强的热辐射每份能量子（又叫作光子）的能量分别是（　　）
A． B．
C． D．
【答案】B
【详解】
由题意
则
根据公式
故选B。
8．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6.63×10-34J·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
【答案】A
【详解】
绿光光子能量
每秒钟最少有6个绿光的光子射入瞳孔才能被入察觉，所以
故选A。