第6章 第5节 量子化现象 （word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（粤教版2019）

第五节　量子化现象 核心素养导学 物理观念 (1)知道热辐射、黑体辐射的概念，知道光是一种电磁波。 (2)了解普朗克的能量子假说和爱因斯坦的光子假说。 (3)了解原子能级及能级跃迁理论。 科学态度与责任 通过对本节的学习，能体会到人类对自然界的认识是不断发展的；认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性工作。 一、光是一种电磁波　能量子假说 1．光是一种电磁波：光与电磁波的物理本质是一致的，光是一种电磁波，它通过电场和磁场的相互激发可以在真空中传播。物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，并且证明了电磁波和光一样具有反射、折射、干涉和衍射等性质。 2．能量子：能量的发射和吸收不是连续的，只能是一份一份地进行。每一份的能量等于hν，称为能量子。 3．能量子公式：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。实验测得h＝6.63×10－34 J·s。 二、光子假说　光的波粒二象性 1．光电效应定义：光照射在金属上时，有时会有电子从金属表面逸出的现象。 2．光电子：光电效应中逸出来的电子被称为光电子。 3．光电效应的实验规律：用不同频率的光去照射阴极时，发现光的频率越高，光电子动能越大，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。 4．爱因斯坦的光子说 (1)内容：当光和物质相互作用时，光的能量是不连续的，而是一份一份光量子，这些光量子称为光子。 (2)光子能量：公式为ε＝hν，其中ν指光的频率。 (3)解释：光照射到金属表面上时，能量为hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量中的一部分用来脱离金属表面，另一部分是电子离开金属表面时的动能。如果光子的能量大于电子脱离金属表面所需的能量，则电子脱离金属表面产生光电子，且光的强度越大，光子的数量越多，则产生的光电子也越多。否则，无论光的强度多大，都无法产生光电子。 5．光的波粒二象性 (1)光既具有波动性，又具有粒子性的性质称为光的波粒二象性。 (2)概率波：概率大的地方落下的光子多，形成亮纹；概率小的地方落下的光子少，形成暗纹。 三、原子结构的玻尔理论 1．玻尔原子理论的基本假设：电子轨道半径是量子化的，电子只能在某些特定的轨道上运动；电子在不同轨道上具有不同的能量，这些量子化的能量值称为能级；只有当电子在不同轨道之间跃迁时，才辐射光子。 2．局限性：成功地解释了氢原子的稳定性和氢原子光谱的分立特征，但是这一理论没有彻底摆脱经典物理学理论的束缚。 1.如图所示，铁块随着温度的升高，其颜色分别呈现暗红、赤红、橘红等颜色。试对以下结论作出判断。 (1)铁块在常温下不向外辐射电磁波。(×) (2)铁块辐射电磁波的波长与物体的温度有关。(√) (3)铁块温度越高辐射电磁波的波长越短。(√) 2．我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100 nm(1 nm＝ 10－9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。“大连光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。 则“大连光源”发出的极紫外激光脉冲光子能量为多少？ 提示：ε＝hν＝＝ J≈2.0×10－18 J。 3．如图所示，是氢原子光谱图。 仔细观察上图，发现它是只有几条分立的亮线，关于其形成原因，试对以下结论作出判断。 (1)氢原子只有几个能级。(×) (2)氢原子只能发出平行光。(×) (3)氢原子有时发光，有时不发光。(×) (4)氢原子辐射的光子的能量是不连续的，所以对应的光的频率也是不连续的。(√) 新知学习(一) [重点释解] 1．对黑体的理解 (1)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)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；有些可看作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。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体来处理。 2．一般物体与黑体的比较 热辐射特点 吸收、反射特点 一般物体 辐射电磁波的情况与温度有关，也与材料的种类及表面状况有关 既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关 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 完全吸收各种入射电磁波，不反射 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。 [针对训练] 1．下列说法不正确的是(　 ) A．只有温度高的物体才会有热辐射 B．黑体可以向外界辐射能量 C．黑体也可以看起来很明亮，是因为黑体也可以有较强的辐射 D．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 解析：选A　任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能量越多，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正确；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D正确。 2．下列有关黑体和黑体辐射的说法错误的是(　 ) A．黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射 B．黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光) C．黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释 D．黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释 解析：选C　黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，故A正确不符合题意；根据辐射规律可知，黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)，故B正确不符合题意；黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释，故C错误符合题意，D正确不符合题意。 3.关于黑体辐射图像如图所示，下列判断正确的是(　 ) A．T1>T2>T3>T4 B．T1<T2<T3<T4 C．T1＝T2＝T3＝T4 D．测量某黑体任一波长的光的辐射强度可以得知其温度 解析：选A　因随着温度的升高，辐射强度增强，同时辐射强度的极大值向波长较短方向移动，所以T1>T2>T3>T4，A正确，B、C错误；测量某黑体辐射强度最强的光的波长可以得知其温度，D错误。 新知学习(二) [重点释解] 1．每个能量子的能量ε＝hν，其中ν是电磁波的频率；光子的能量ε＝hν，其中ν是光的频率。 2．能量子观点与黑体辐射实验的比较 普朗克能量子假设认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。借助于能量子的假说，普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得很好。 3．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。 [典例体验] [典例]　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 [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＝，式中E＝6ε，t＝1 s，又ε＝hν＝h，可解得P＝ W≈2.3×10－18 W。 [答案]　A /方法技巧/ 解有关能量子问题的技巧 (1)熟练掌握能量子的计算公式：ε＝hν＝。 (2)把握宏观能量E＝Pt与微观能量子的关系：E＝nε。 (3)正确建立模型。　　 [针对训练] 1．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 解析：选B　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＝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，而它的观点是正确的，故D错误。 2．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是(　 ) A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍 C．能量子与电磁波的频率成正比 D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的 解析：选BC　普朗克能量子假说认为，能量存在某一个最小值，带电微粒辐射或吸收的能量只能是这个最小能量值的整数倍，故A错误，B正确；能量子与电磁波的频率成正比，故C正确；能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，并不是与现实世界相矛盾，故D错误。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——量子化观念的理念 1．(选自鲁科版教材课后练习)普朗克在1900年提出了量子假说，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 解析：选A　依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地进行变化，对应四个选项可知，一份一份变化的是人的个数，物体的重力、动能、长度都是连续的，故A正确，B、C、D均错误。 科学态度与责任——“中国天眼”(FAST) 2．(选自人教版教材“科学漫步”)我国于2016年9月25日在贵州落成启用的世界最大的500 m口径球面射电望远镜(简称FAST)，被誉为“中国天眼”，其接收面积达到30个标准足球场。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100 m望远镜相比，FAST灵敏度提高约10倍；与被评为人类20世纪十大工程之首的美国Arecibo 300 m望远镜相比，其综合性能提高约10倍。FAST像一只庞大而灵敏的耳朵，捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”，洞察隐藏在宇宙深处的秘密。FAST工程是我国科学工作者奋发图强、立志创新的具体实践，其中被人们誉为“天眼之父”的南仁东则是这个群体的杰出代表。他的诗句“感官安宁，万籁无声。美丽的宇宙太空以它的神秘和绚丽，召唤我们踏过平庸，进入它无垠的广袤”体现了一位科学家的追求与胸怀。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．硅光电池是将光辐射的能量转化为电能。若有N个波长为λ0的光子打在硅光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量，c为真空中的光速)(　 ) A．h B．Nh C．Nhλ0 D．2Nhλ0 解析：选B　由于单个光子的能量为ε＝hν，所以N个光子的总能量E总＝Nhν，又因为ν＝，解得E总＝Nh，故选B。 2.被誉为“中国天眼”的世界最大单口径射电望远镜(简称FAST)可以接收来自宇宙深处的电磁波。中国天眼的存在，使得深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星，对探索宇宙的起源和地外文明具有重要意义。如果为天眼配备一部发射功率为百万瓦级(106 W)的发射机，其发射的无线电波波长为126 厘米。那么该发射机每秒钟发射的光子数量的数量级约为(取真空中光速c＝3×108 m/s，普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s)(　 ) A．1023 B．1027 C．1030 D．1036 解析：选C　设单位时间为t0，发射机每秒钟发射的光子数量为n，则光子的总能量为nt0h，每秒钟的发射能量为Pt0，所以nt0h＝Pt0，代入数据，可得n≈ 6×1030(个)，故C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$