2020-2021学年高中物理-第六章-电磁现象与电磁波-第五节-量子化现象学案-粤教版必修3.doc

2020-2021学年高中物理 第六章 电磁现象与电磁波 第五节 量子化现象学案 粤教版必修32020-2021学年高中物理 第六章 电磁现象与电磁波 第五节 量子化现象学案 粤教版必修3年级：姓名：- 11 -第五节　量子化现象必备知识·自主学习一、光是一种电磁波1.19世纪60年代,麦克斯韦建立了电磁场理论2.1888年,赫兹用实验证实了电磁波的存在,并证明了电磁波和光一样具有反射、折射、干涉和衍射等性质3.电磁波的速度等于光速二、能量子假说新冠肺炎疫情期间,红外体温计成为生活必不可少的工具,如图所示的红外体温计具有方便快捷的特点,在疫情防控工作中发挥了重要作用那么,这种体温计是根据什么制成的呢?提示:将被测物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号红外线辐射能量的大小与物体本身的温度是相关联的,根据转变成电信号大小,就可以确定物体的温度1.热辐射(1)热辐射:①定义: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:物体在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大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。

②黑体辐射的特点: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)热辐射的原因:物体中存在着不停运动的带电微粒,带电微粒的振动会产生变化的电磁场,从而产生电磁辐射2.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叫作能量子2)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一般取h=6.63×10-34 J·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4)普朗克理论:①借助于能量子的假说,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②普朗克在1900年把能量子列入物理学,正确地破除了“能量连续变化”的传统观念,成为新物理学思想的基石之一三、光子假说1.光电效应:(1)概念:当光照射在金属上时,有时会有电子从金属表面逸出,这种现象被称为光电效应,逸出的电子称为光电子2)实验规律:①用不同频率的光去照射阴极时,光的频率越大,光电子动能越大;②频率低于某一数值时,不论光的强度多大,都不能产生光电子。

2.光子:(1)概念:爱因斯坦1905年指出,当光和物质相互作用时,光的能量不是连续的,而是一份一份光量子,这些光量子称为光子2)光子的能量:ε=hν四、光的波粒二象性1.粒子性:爱因斯坦的光子假说成功地解释了光电效应,说明了光具有粒子性2.波动性:光的干涉、衍射等实验事实说明了光具有波动性3.光的波粒二象性:光的这种既具有波动性,又具有粒子性的性质称为光的波粒二象性五、原子结构的玻尔理论如图所示为氢原子光谱图,为什么只有一些分立的亮线?提示:原子放出光子,放出的光子的能量等于始、末两个能级的能量差值,能量一定,放出光子的频率也一定,因此氢原子的光谱只有些分立的亮线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.能级跃迁:(1)通常情况下,原子处于能量最低的状态,这是最稳定的2)把原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁3)处于高能级的原子,自发地向低能级跃迁时放出光子,原子从高能级向低能级跃迁时放出的光子的能量,等于前后两个能级之差3.原子光谱: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1)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。

(√)(2)温度越高,黑体辐射电磁波的强度越大 (√)(3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍 (√)(4)能量子的能量不是任意的,其大小与电磁波的频率成正比 (√)(5)光滑水平桌面上匀速运动的小球的动能也是量子化的 (×)(6)热辐射电磁波的强度按波长的分布只与物体的温度有关 (×)关键能力·合作学习知识点一　热辐射1. 在任何温度下,任何物体都会发射电磁波,并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同当物体温度较低时(如室温),热辐射的主要成分是波长较长的电磁波(在红外线区域),不能引起人的视觉;当温度升高时,热辐射中较短波长的成分辐射强度越来越强,可见光所占比例增大,如燃烧的炭会发出醒目的红光2.在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同例如,将钢加热到约800 ℃时,就可观察到明亮的红色光,但在同一温度下,熔化的水晶却不辐射可见光3.热辐射不需要高温,任何温度下物体都会发出一定的热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强典例】关于对热辐射的认识,下列说法中正确的是 (　　)A.热的物体向外辐射电磁波,冷的物体电磁波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物体辐射电磁波的颜色【审题关键】序号解题依据信息提取①一切物体都向外辐射电磁波冷的物体只吸收电磁波②一般材料的辐射强度除与温度有关外,还与材料的种类和表面状况有关所有物体辐射强度按波长的分布只与物体的温度有关③常温下我们看到的物体的颜色是物体反射光的颜色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】选B。

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,对于一般材料的物体,辐射强度按波长的分布除与物体的温度有关外,还与材料的种类和表面状况有关;常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色1.(多选)以下关于辐射强度与波长的关系的说法中正确的是 (　　)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【解析】选B、C物体在某一温度下能辐射不同波长的电磁波,故A错误;黑体辐射的强度与温度有关,温度越高,则辐射强度的极大值也就越大;当铁块呈现黑色时,是因为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,所以B选项是正确的;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,所以C选项是正确的;太阳早、晚时分呈现红色,而中午时分呈现白色,是因为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,故D错误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【解析】选C。

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;黑体辐射电磁波的强度与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故B错误,C正确;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,故选项D错误加固训练】热辐射是指所有物体都要向外辐射电磁波的现象辐射强度指垂直于电磁波方向的单位面积在单位时间内所接收到的辐射能量在研究同一物体在不同温度下向外辐射的电磁波的波长与其辐射强度的关系时,得到如图所示的图线,图中横轴λ表示电磁波的波长,纵轴Mλ表示某种波长的电磁波的辐射强度,则由Mλ-λ图线可知,同一物体在不同温度下 (　　)A.向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度相同B.向外辐射的电磁波的波长范围是相同的C.向外辐射的电磁波的总能量随温度升高而减小D.辐射强度的极大值随温度升高而向短波方向移动【解析】选D由Mλ-λ图线可知,对于同一物体,随着温度的升高,一方面,各种波长电磁波的辐射强度都有所增加,向外辐射的电磁波的总能量增大;另一方面,辐射强度的极大值向短波方向移动,波长范围增大选项D正确,A、B、C错误。

知识点二　能量子和能级1.能量子的理解:(1)物体在发射或接收能量的时候,只能从某一状态“飞跃”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2.普朗克能量量子化假说的意义:(1)如图所示,假设与实验结果“令人满意地相符”,图中小圆点表示实验值,曲线是根据普朗克公式作出的2)普朗克的能量子假说,使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征,架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁3.能量量子化:(1)电子在可能轨道上运动时,虽然是变速运动,但它并不释放能量,原子是稳定的,这样的状态也称之为定态2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的,具有的能量也是不连续的,这样的能量值,称为能级,量子数n越大,表示能级越高3)原子的能量包括:原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能4.跃迁:原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定。

如图所示为我国首颗量子通信卫星“墨子号”墨子号”的成功发射使我国在量子通信技术领域走在了世界前列那么,量子通信的理论基础是什么?该理论的提出背景又是什么?提示:量子通信的理论基础来源于德国物理学家的能量量子化假设该假设提出的背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律典例】某广播电台发射功率为10 kW,在空气中波长为187.5 m的电磁波,试求:该电台每秒钟从天线发射多少个电磁波能量子解题探究】(1)如何求每个能量子的能量?提示:根据公式ε=h计算2)如何计算天线每秒钟发射多少个电磁波能量子?提示:根据电台发射功率算出其每秒钟发出的能量子的总能量,继而算出能量子的个数解析】每个能量子的能量ε=hν== J=1.06×10-27 J则每秒钟电台发射上述波长的能量子数N==≈1031个答案:1031个1.(多选)对于能量量子化的理解,下列说法正确的是 (　　)A.微观粒子的能量是连续的B.微观粒子的能量是不连续变化的C.微观粒子的能量可以取任意值D.微观粒子的能量只能取某些分立的值【解析】选B、D在微观粒子领域中微观粒子的能量是不连续变化的,只能取某些分立的值,故A、C项错误,B、D项正确。

2.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λ=10-6 m,求小灯泡每秒钟辐射的光子数是多少?(h=6.63×10-34 J·s)【解析】每秒钟小灯泡发出的能量为E=Pt=1 J1个光子的能量:ε=hν== J=1.989×10-19 J。