高中物理人教版 (2019)必修 第三册能量量子化教学设计

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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 (多选)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，与材料的种类及表面状况无关
C．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
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 BD
解析 黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波，并且不会有任何的反射，但黑体不一定是黑色的，故A错误；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料种类及表面状况无关，故C错误，B正确；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，最终不能从空腔射出，就相当于吸收了所有电磁波，因此空腔成了一个黑体，故D正确。
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，这个不可再分的最小的能量值ε叫作能量子。
2．大小：ε＝hν，其中普朗克常量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，频率为ν的光的能量子为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·湖北省黄冈中学高二月考)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 可见光波长的大致范围是400～760 nm。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s，则波长为400 nm、760 nm的可见光发生电磁辐射的能量子ε的值分别是多少？(结果保留3位有效数字)
答案 4.97×10－19 J 2.62×10－19 J
解析 由能量子ε＝hν＝heq \f(c,λ)得，波长为400 nm的可见光发生电磁辐射的能量子为
ε1＝heq \f(c,λ1)＝eq \f(6.63×10－34×3×108,400×10－9) J≈4.97×10－19 J
波长为760 nm的可见光发生电磁辐射的能量子为
ε2＝heq \f(c,λ2)＝eq \f(6.63×10－34×3×108,760×10－9) J≈2.62×10－19 J。
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。
说明 (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，原子也能从低能级跃迁到高能级。
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。
例5 (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 [分值：60分]
1～7题、9、10题每题5分，8题9分，共54分
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状况有关
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、形状及表面状况无关，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状况有关，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．生活中常利用红外体温计测量体温，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
考点二 能量子
5．(多选)(2024·河南省新郑中学高二调研)1900年德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出了一个大胆的假说，即能量子假说，下列说法属于能量子假说内容的是( )
A．物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的
B．能量子假说中将每一份能量单位，称为“能量子”
C．能量子假说中的能量子ε＝hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量
D．能量子假说认为能量是连续的，是不可分割的
答案 ABC
解析 能量子假说认为，物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的，每一份能量单位，称为“能量子”，能量子ε＝hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量，故A、B、C符合题意，D不符合题意。
6．(多选)对于带电微粒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。
7．(2023·辽阳市高二期末)2022年的诺贝尔物理学奖同时授予法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国物理学家约翰·克劳泽及奥地利物理学家安东·塞林格，以奖励他们在量子纠缠、验证违反贝尔不等式及量子信息科学方面所作出的杰出贡献。现在量子化已开始进入我们的生活，下面哪些物理量是量子化的( )
A．一个可变电容器的电容
B．一段导体的电阻
C．一个物体的带电荷量
D．电场中两点间的电势差
答案 C
解析 所谓量子化就是指数据是分立的不连续的，即一份一份的。可变电容器的电容可以通过正对面积的连续变化实现连续变化，A错误；导体的电阻可通过长度的连续变化实现连续变化，B错误；物体的带电荷量必须是元电荷的整数倍，是量子化的，C正确；电场中两点的电势差可以随着位置的变化而连续变化，D错误。
8．(9分)某装置是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，光速c＝3.0×108 m/s，则该紫外激光所含光子数约为多少个？(结果保留2位有效数字)
答案 4.2×1021个
解析 每个激光光子的能量为ε＝heq \f(c,λ)
该紫外激光中所含光子数为n＝eq \f(E,ε)
代入数据可得n≈4.2×1021个。
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，放出一定频率的光子，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·宁夏银川一中期中)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
(6分)
11．两束能量相同的色光，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上的光子数与第二束光在相同时间内打在物体表面上的光子数之比为4∶5，已知c＝λν，则这两束光的光子能量和波长之比为( )
A．4∶5 4∶5 B．5∶4 4∶5
C．5∶4 5∶4 D．4∶5 5∶4
答案 B
解析 由E＝nε知，能量相同时n与ε成反比，所以光子能量比为5∶4；又根据ε＝hν＝heq \f(c,λ)，所以波长之比为4∶5，B正确。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