高中人教版 (2019)第十三章 电磁感应与电磁波初步5 能量量子化优秀导学案

这是一份高中人教版 (2019)第十三章 电磁感应与电磁波初步5 能量量子化优秀导学案，共7页。

一、热辐射
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。
(2)特点：当温度升高时，热辐射中波长较短的电磁波的成分越来越强。
2．黑体
定义：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
(2)特点
①黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波。
②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。
说明 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；有些可看成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。
例1 下列关于热辐射和黑体辐射的说法不正确的是( )
A．一切物体都在辐射电磁波
B．黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况
C．黑体不向外辐射电磁波
D．一般物体辐射电磁波的强度与温度有关
答案 C
解析 一切物体都在辐射电磁波，故A正确，C错误；黑体是一种理想模型，故B正确；一般物体辐射电磁波的强度与温度有关，故D正确。
针对训练1 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，关于其原理，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
答案 C
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，波长较短的成分越来越强，人的体温的高低，直接决定了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，故选C。
二、能量子
1．概念：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，这个最小的能量值ε叫能量子。
2．大小：ε＝hν，其中h＝6.63×10－34 J·s。
3．爱因斯坦光子说：光是由一个个不可分割的能量子组成，能量大小为hν，光的能量子称为光子。
说明 能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的。
例2 (2023·黄冈中学高二月考)关于能量量子化，下列说法正确的是( )
A．能量子假设最早是由爱因斯坦提出来的
B．微观粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍
C．电磁波的波长越长，其能量子越大
D．能量子假说与宏观世界中对能量的认识相矛盾，因而它一定是错误的观点
答案 B
解析 能量子假设最早是由普朗克提出的，故A错误；微观粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍，故B正确；根据ε＝hν＝eq \f(hc,λ)可知，电磁波的波长越长，其能量子越小，故C错误；能量子假说与宏观世界中对能量的认识相矛盾，但它的观点是正确的，故D错误。
例3 (2022·重庆巴蜀中学高二期中)可见光波长的大致范围是400～760 nm，则该范围的电磁波辐射能量子ε最大值(已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)( )
A．4.97×10－21 J B．2.62×10－19 J
C．3.11 eV D．1.63 eV
答案 C
解析 根据公式ε＝hν和ν＝eq \f(c,λ)可知，波长最短的电磁波辐射能量子ε最大，400 nm电磁波辐射的能量子ε＝heq \f(c,λ)＝6.63×10－34×eq \f(3×108,400×10－9) J≈4.97×10－19 J≈3.11 eV，故C正确。
三、能级
1．能级
原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。
原子具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫作基态，其他的状态叫作激发态。
2．能级之间的跃迁
处于低能级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，处于高能级的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。
拓展延伸 (1)能级越低，原子越稳定。
(2)除受到高速运动的电子的撞击外，当吸收一定大小的光子的能量(等于跃迁前后的两能级之差)时，原子也能跃迁到高能级。
3．原子的发射光谱
(1)光谱特征
如图所示是氦原子的光谱，原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
(2)光谱分立的原因
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，因为原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。
例4 一个氢原子从低能级跃迁到高能级，该氢原子( )
A．吸收光子，吸收光子的能量等于两能级之差
B．吸收光子，能量减少
C．放出光子，能量增加
D．放出光子，放出光子的能量等于两能级之差
答案 A
解析 氢原子能级越高对应的能量越大，当氢原子从较低能级向较高能级跃迁时，吸收光子，能量增加，吸收光子的能量等于两能级之差，故A正确，B、C、D错误。
针对训练2 (多选)下列说法正确的是( )
A．原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化
B．原子从低能级向高能级跃迁时放出光子
C．原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，且光子的能量等于前后两个能级之差
D．由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线
答案 CD
解析 原子的能量是量子化的，原子从高能级向低能级跃迁时向外放出光子，放出的光子的能量等于前后两个能级之差，由于能级的分立性，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线，故C、D正确。
课时对点练
考点一 热辐射和黑体辐射
1．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
答案 A
解析 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A正确，B、C、D错误。
2．下列说法正确的是( )
A．只有温度高的物体才会有热辐射
B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量
C．黑体可以看起来很明亮，是因为黑体可以反射电磁波
D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关
答案 D
解析 任何物体在任何温度下都存在热辐射，温度越高辐射的能力越强，故A错误；能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体叫作黑体，黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波，有些黑体有较强的辐射，看起来也可以很明亮，故B、C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，与构成黑体的材料、形状无关，而一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关，故D正确。
3．(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
答案 BC
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。
4．红外体温计广泛应用于测量体温。下列说法正确的是( )
A．当体温超过37.3 ℃时人体才辐射红外线
B．当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线
C．红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的
D．红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的
答案 D
解析 一切物体都在辐射红外线，温度越高，其辐射的红外线强度越大，此为红外体温计测量体温的依据，D正确。
考点二 能量子
5．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
答案 A
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”的概念的是人的个数，故A正确，B、C、D错误。
6．下列有关光子的说法不正确的是( )
A．在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子
B．光子是具有质量、能量和体积的实物微粒
C．光子的能量跟它的频率有关
D．紫光光子的能量比红光光子的能量大
答案 B
解析 光是在空间传播的电磁波，是不连续的，是一份一份的能量，每一份叫作一个光子，A正确；光子没有静止质量，也没有具体的体积，B错误；根据ε＝hν可知光子的能量与光子的频率有关，紫光的频率大于红光的频率，所以紫光光子的能量比红光光子的能量大，C、D正确。
7．(多选)对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点，下列说法正确的是( )
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
答案 ABD
解析 带电微粒辐射和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。
8．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，则激光器每分钟发射的光子数为( )
A.eq \f(λP,hc) B.eq \f(hP,λc) C.eq \f(60λP,hc) D.eq \f(60hP,λc)
答案 C
解析 每个光子的能量ε＝hν＝heq \f(c,λ)，激光器在每分钟内发出的能量E＝W＝60P，故激光器每分钟发射的光子数为n＝eq \f(E,ε)＝eq \f(60P,h\f(c,λ))＝eq \f(60Pλ,hc)，C正确。
考点三 能级
9．一个氢原子从较高能级跃迁到较低能级。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 由原子的能级跃迁规律知，氢原子从高能级跃迁到低能级时，辐射一定频率的光子，氢原子能量减少，光子的能量由这两个能级的能量差决定，故选B。
10．(多选)(2023·银川一中期中)下列关于氦原子光谱和能级的说法正确的是( )
A．氦原子光谱中的亮线是由于氦原子从高能级向低能级跃迁时释放出光子形成的
B．氦原子光谱不是连续的，是一些分立的亮线，说明了氦原子的能级是量子化的
C．原子能量越高原子越稳定
D．氦原子从高能级向低能级跃迁会放出光子，光子能量等于两个能级之差
答案 ABD
11．(2022·天津市南开中学期中)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
答案 A
解析 由题意可知人眼能察觉到绿光所接收到的最小功率P＝eq \f(E,t)，式中E＝6ε，又因为ε＝hν＝heq \f(c,λ)，解得P＝eq \f(6hc,λt)＝eq \f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9×1) W≈2.3×10－18 W，故选A。
12．人眼对绿光最为敏感，如果每秒有N个波长为λ的绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，现有一个光源以功率P均匀地向各个方向发射波长为λ的绿光，设瞳孔在暗处的直径为D，且不计空气对光的吸收，那么眼睛最远在多大距离处能够看到这个光源？(普朗克常量用h表示，真空中光速用c表示)
答案 见解析
解析 设瞳孔与光源相距为r，在t＝1 s内，以光源为球心、半径为r的球面上，单位面积上的能量为E0＝eq \f(Pt,4πr2)，
则瞳孔在1 s内接收到的能量为E＝E0·πeq \f(D2,4)，
若此时刚好可以看到光源，则有E＝Nheq \f(c,λ)，
联立可得，r＝eq \f(D,4)eq \r(\f(Pλ,Nhc))。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，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