人教版 (2019)必修 第三册第十三章 电磁感应与电磁波初步5 能量量子化学案设计

5．能量量子化

目标体系构建

明确目标·梳理脉络　

【学习目标】

1．知道热辐射、黑体辐射的概念。

2．了解普朗克的能量子假设和爱因斯坦的光子假设。

3．了解原子能级及能级跃迁规律。

【思维脉络】

课前预习反馈

教材梳理·落实新知　

知识点 1  热辐射

1．热辐射的概念：物体具有的与__温度__有关的辐射电磁波的方式。

2．热辐射规律：物体在室温时，热辐射的主要成分是波长__较长__的电磁波，当温度升高时，热辐射中波长较__短__的成分越来越强。

3．黑体：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。

4．黑体辐射规律：黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波，而且辐射电磁波的强度按__波长__的分布只与它的__温度__有关。

知识点 2  能量子

1．定义：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。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。

2．能量子的大小：ε＝__hν__，其中__ν__是电磁波的频率，h是一个常量，称为普朗克常量。

3．普朗克认为微观粒子的能量是__量子化__的，是不连续(分立)的。

4．爱因斯坦的光子说：光是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__。

知识点 3  能级

1．定义：原子的能量是__量子化__的，这些__量子化__的能量值叫作能级。

2．原子的稳定性：原子处于能量最低的状态时最稳定，原子处于能量较高的状态时不稳定，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出__光子__。

3．能级跃迁规律：原子从高能级态向低能级态跃迁时放出的光子的能量__等于__前后两个能级之差。

4．原子的发射光谱的特征：原子的能级是分立的，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。

预习自测　　

『判一判』

(1)只有高温的物体才会热辐射。(×)

(2)热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同。(√)

(3)黑体就是指黑色的物体。(×)

(4)普朗克认为带电微粒的能量是量子化的。(√)

(5)原子处于最低能级时最稳定。(√)

(6)原子发生能级跃迁时要放出光子。(×)

『选一选』

已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为(　A　)

A．h　　　　　　 　B.

C.　　 　D．以上均不正确

解析：由波速公式c＝λν可得ν＝，由光的能量子公式ε＝hν得ε＝h，故A正确。

『想一想』

很多地方用红外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，你知道其中的道理吗？

答案：根据热辐射规律可知，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知道这个人的体温。

课内互动探究

细研深究·破疑解难　

探究

热辐射

┃┃情境导入__■

有经验的炼钢工人，通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的大体温度，这是根据什么道理？

提示：热辐射与温度有关。

┃┃要点提炼__■

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。太阳、白炽灯中光的发射就属于热辐射。

(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。

2．对黑体的理解

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。

3．一般物体与黑体的比较

┃┃典例剖析__■

典例1 (多选)下列说法正确的是(　BC　)

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

思路引导：在任何温度下，任何物体都会发射电磁波，其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度高低而不同。要理解热辐射的这种特征。

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。

┃┃对点训练__■

1．关于黑体及黑体辐射，下列说法正确的是    (　B　)

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

解析：黑体并不是真实存在的，故A错误；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，故B正确；随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，故C错误；黑体辐射是有实验依据的，故D错误。

探究

能量子和能级

┃┃情境导入__■

由能量量子化假说可知，能量是一份一份的，而不是连续的，在宏观概念中，举一些我们周围不连续的实例。

提示：人的个数，自然数，汽车等。

┃┃要点提炼__■

1．能量子

物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的，只能是hν的整数倍，hν称为一个能量量子，其中ν是谐振子的振动频率，h是一个常数，称为普朗克常量。

h＝6.63×10－34 J·s

2．量子化现象

在微观世界中物理量分立取值的现象称为量子化现象。

3．能级

(1)当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，原子在不同的状态中具有不同的能量，即原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。

(2)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一能级“飞跃”到另一能级，而不可能停留在不符合这些能级的任何一个中间状态。

(3)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。

┃┃典例剖析__■

典例2 (2019·天津市南开中学高二下学期期中)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　)

A．2.3×10－18  W　　　　 　B．3.8×10－19  W

C．7.0×10－10  W　　 　D．1.2×10－18  W

思路引导：解决此类题目的关键是熟练掌握ε＝hν和c＝λν及E＝Pt＝nε等关系式。

解析：每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，所以察觉到绿光所接收到最小功率为

P＝＝W＝ 2.3×10－18 W。

┃┃对点训练__■

2．(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(　ABD　)

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

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。

核心素养提升

以题说法·启智培优　

理解热辐射的关键点

1．任何物体在任何温度下都会发生热辐射，这是由于物体中分子、原子受到激发会发射电磁波。

2．热辐射是热能转化为电磁能的过程。

3．除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波(如图所示)，除光源外，常温下我们看到的物体的颜色就是反射光的颜色。

案例 (2020·云南省云天化中学高二春季开学试题)关于对热辐射认识，下列说法中正确的是(　B　)

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．辐射电磁波的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

解析：一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，A错误，B正确；辐射电磁波的情况与物体的温度有关，与材料种类及表面状况也有关，C错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，D错误。