微专题18：能量量子化 讲义 -2025届高考物理一轮复习备考

这是一份微专题18：能量量子化 讲义 -2025届高考物理一轮复习备考，共9页。学案主要包含了核心素养导向，基础知识导航，精典例题导学，经典习题导练，参考答案等内容，欢迎下载使用。
【核心素养导向】
【基础知识导航】
知识点一 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成分越来越强。
2．黑体
(1)定义：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。
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)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。
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。
知识点二 能量子
1．普朗克的假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。
2．能量子：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称为普朗克常量。h＝6.626×10－34 J·s。
4．光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子被叫作光子。
5．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。
识点三 能级
1．定义：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。
2．特点
(1)原子处于能量最低的状态，是最稳定的。
(2)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，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。
(3)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。
【精典例题导学】
【典例1】 (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，这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
【典例2】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 WD．1.2×10－18 W
【典例3】 两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，第一束光在某段时间内打在物体表面的光子数与第二束光在相同时间内打在物体表面的光子数之比为5∶4，则这两束光的光子能量和波长之比分别为( )
A．4∶5 4∶5 B．5∶4 4∶5
C．5∶4 5∶4D．4∶5 5∶4
【典例4】 某激光器能发射波长为λ的激光,那么激光光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,那么每个激光光量子的能量是多少?如激光发射功率为P,那么单位时间内发射多少个光量子?
方法总结：
1.物体在发射或接收能量的时候,只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态,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。
3.能量子的能量ε=hν,其中h是普朗克常量,ν是电磁波的频率。
【经典习题导练】
1．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
2．(多选)以下宏观概念中，是“量子化”的有( )
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
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能量值的整数倍
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
4．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
5．普朗克常量是自然界的一个基本常数，它的数值是( )
A．6.02×10－23 ml
B．6.625×10－3 ml·s
C．6.626×10－34 J·s
D．1.38×10－16 ml·s
6．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( )
A B C D
7．(多选)2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法正确的是( )
A．微波是指波长在10－3 m到10 m之间的电磁波
B．微波和声波一样都只能在介质中传播
C．黑体的热辐射实际上是电磁辐射
D．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说
8.(多选)对于带电微粒的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
9.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
10.(多选)关于普朗克“能量量子化”的假设,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
11.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
12．情境：在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用，蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温约37 ℃，它发出的最强的热辐射的波长为λmin。
问题：若λmin与辐射源的绝对温度T的关系近似为Tλmin＝2.90×10-3m·K，则老鼠发出的最强的热辐射的波长是多少？
13.(光子数的计算)小灯泡的功率P=1 W,设其发出的光向四周均匀辐射,平均波长 m,求小灯泡每秒辐射的光子数是多少?( J·s)
【参考答案】
例1.AD 解析：一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度、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，全部吸收任何波长的物体，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，λ1T2，选项A、D正确。
例2.A 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＝eq \f(E,t)，式中E＝6ε，t＝1 s，又ε＝hν＝heq \f(c,λ)，可解得P＝eq \f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9×1) W≈2.3×10－18 W，故A正确。
例3.D 解析：两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，在相同时间内打在物体表面的光子数之比为5∶4，根据E＝NE0可得两束光光子能量之比为4∶5；再根据E0＝hν＝heq \f(c,λ)知，光子能量与波长成反比，故两束光波长之比为5∶4。选项D正确。
例4.解析:光量子的能量不是连续的,而是一份一份的,E=hcλ。
个数n=PE=Pλhc。
【经典习题导练】
1.C 解析：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，选项C正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而不是空腔，故选项D错误。
2.AD 解析：所谓“量子化”应该是不连续的，是一份一份的，故A、D正确。
3.ABD 解析：根据能量子假设可知，带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍，A、B正确；带电微粒辐射和吸收的能量不是连续的，而是量子化的，故C错误，D正确。]
4.A 解析：根据黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素知其只与温度有关，A正确。]
5.C 解析：普朗克常量是一个定值，由实验测得它的精确数值为6.626×10－34 J·s，在记忆时关键要注意它的单位。]
6.A 解析：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，故选项A正确。]
7.ACD 解析：微波是一种电磁波，它的波长在10－3 m～10 m之间，微波传播不需要介质，A正确，B错误；由于分子和原子的热运动引起的一切物体不断向外辐射的电磁波又叫热辐射，C正确；普朗克引入能量子假说建立的黑体辐射理论与实验符合非常好，D正确。]
8.ABD 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,故选项A、B、D正确,C错误。
9.B
10.AD 解析:普朗克的理论认为带电微粒辐射或吸收能量时,是一份一份的,微观粒子的能量是量子化的,是分立的,A、D正确。
11.A
12. 9.4×10－6 m
[解析] 由Tλmin＝2.90×10-3 m·K可得，老鼠发出最强的热辐射的波长为λmin＝eq \f(2.90×10－3m·K,T)＝eq \f(2.90×10－3,273＋37) m≈9.4×10-3 m。
13.答案:
解析:小灯泡每秒发出的能量为E=Pt=1 J
1个光子的能量
ε=hν=hcλ=6.63×10-34×3×10810-6 J=1.989×10-19 J
小灯泡每秒辐射的光子数
n=Eε=11.989×10-19≈5×1018。核心素养
学习目标
物理观念
(1)知道热辐射、了解黑体辐射。
(2)知道能量是量子化的，知道能量子的概念。
(3)知道能级、能级跃迁、原子发射光谱等概念。
科学思维
根据黑体辐射的实验规律，分析黑体辐射的强度与波长的关系。
科学探究
由黑体辐射实验结论与光的电磁理论的矛盾，探究能量子的概念建立的科学过程。
科学态度与责任
(1)根据能量子提出的过程，领会这一科学突破过程中的思想。
(2)初步认识量子力学的建立在科技中的重要作用。