第6章 第1节 量子论初步（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第1节　量子论初步 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道黑体和黑体辐射的概念，了解黑体辐射的实验规律. 2.知道能量子的概念、表达式和普朗克常量，了解微观粒子的能量量子化. 1.物理观念：黑体、黑体辐射、能量子. 2.科学思维：用图像表示黑体辐射实验规律，普朗克假设和能量量子化. 3.科学态度与责任：量子观念对人类认识微观世界的划时代意义. [对应学生用书P93] 1.热辐射：物体以电磁波的形成向外辐射能量，而且辐射强度随波长如何分布与物体的温度相关. 2.黑体：能够全部吸收外来的电磁波而不发生反射的物体. 3.黑体辐射：加热腔体，黑体表面就向外辐射电磁波，这就是黑体辐射. 黑体辐射的实验规律：黑体辐射能量按波长分布的情况只与黑体的温度有关，如图所示. (1)随着温度的升高，各种波长的辐射能谱密度都增加； (2)随着温度的升高，辐射能谱密度的极大值向波长较短的方向移动. [判断]　(对的画“√”，错的画“×”) (1)黑体能够完全吸收各种电磁波，但不辐射电磁波.(×) (2)黑体辐射电磁波的强度按波长分布只与黑体的温度有关.(√) 1.普朗克认为黑体辐射是带电谐振子向外辐射的各种电磁波，谐振子具有的能量是不连续的，只能取一些分立的值. 2.能量子：最小的一份能量为ε＝hν，称为能量子，式中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量(通常取h＝6.63×10－34 J·s). 3.能量子概念的引入，标志着量子论的诞生. [判断]　(对的画“√”，错的画“×”) (1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍.(√) (2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比.(√) [对应学生用书P94] 探究点一　对黑体和黑体辐射的认识 　黑体实际上是不存在的，它只是一种理想情况.如图所示，在一个闭合的空腔表面开一个小孔，这个空腔的小孔就可以模拟一个黑体. (1)为什么空腔的小孔能够模拟黑体？ (2)黑体能否向外辐射电磁波？ 提示　(1)从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从小孔射出.所以能够模拟黑体. (2)黑体能够向外辐射电磁波. 1.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.黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关. 3.一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点 热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强.在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同. 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 (多选)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知(　　) A.随温度的升高，各种波长的辐射能谱密度都增加 B.随温度的降低，各种波长的辐射能谱密度都增加 C.随温度的升高，辐射能谱密度的极大值向波长较短的方向移动 D.随温度的降低，辐射能谱密度的极大值向波长较长的方向移动 ACD　[由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误.] [训练1]　在抗击新冠病毒期间，非接触式温度计在公共场所被广泛应用，其测温原理是黑体辐射规律.下列描绘两种温度下黑体辐射的能谱密度与波长的关系图中，符合黑体辐射规律的是(　　 ) B　[黑体辐射的规律：随着温度的升高，各种波长的辐射能谱密度都增加，且辐射能谱密度的极大值向波长较短的方向移动，故B正确，A、C、D错误.] 探究点二　能量子和普朗克常量 微观粒子的能量和弹簧振子的能量有什么区别？ 提示　宏观弹簧振子的能量值是连续的，而微观粒子的能量是量子化的. 1.量子化的核心思想是“不连续性变化”. 2.由公式ε＝hν可以看出能量子与电磁波的频率成正比.因c＝λν，ν＝，故ε＝h. 3.在宏观尺度内研究物体的能量变化时，我们可以认为物体的能量变化是连续的，不必考虑量子化，例如物体的动能、重力势能；在研究微观粒子时，必须考虑能量量子化，例如，我们在前面学习的原子光谱等. 一盏电灯发光功率为100 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长λ＝6.0×10－7m，在距电灯10 m远处，以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子数约(　　) A.2×1017个　　　　　 B.2×1016个 C.2×1015个 D.2×1023个 [思路点拨]　根据普朗克的假设，物体辐射电磁波的能量是一份一份的，最小的一份能量为ε＝hν.显然，如果辐射n个能量子，那么辐射的总能量为E＝nhν.灯丝向周围辐射的能量是均匀的，如果不考虑被吸收，在以电灯为球心的任意一个球面上相同的时间通过的能量子的数量应该相同. A　[光是电磁波，辐射能量也是一份一份地进行的，功率为100 W的电灯每秒产生光能E＝100 J，设电灯每秒发射的能量子数为n，E＝nhν＝nh.在以电灯为球心的半径为10 m的球面上，1 m2的面积每秒通过的能量子数为n′＝≈2×1017(个).] [题后总结] 要熟练掌握E＝Pt＝nε、ε＝hν以及c＝λν等关系，这是解答此类问题的关键. [训练2]　某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，c表示光速，h为普朗克常量，则激光器每秒发射的光量子数为(　　) A. B. C. D.λPhc A　[每个光量子的能量ε＝hν＝，每秒钟发射的总能量为P，则n＝＝.] [对应学生用书P96] 1.(黑体)下列叙述错误的是(　　) A.一切物体都在辐射电磁波 B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 B　[一切物体都在辐射电磁波，故A不符合题意；一般物体辐射电磁波的情况不仅与温度有关，还与其表面情况等其他因素有关，故B符合题意；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C不符合题意；黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波，故D不符合题意.] 2.(黑体辐射的实验规律)(多选)关于黑体辐射的实验规律，下列叙述正确的是(　　) A.随着温度的升高，各种波长的辐射能谱密度都有增加 B.随着温度的升高，辐射能谱密度的极大值向波长较短的方向移动 C.黑体辐射能谱密度与波长无关 D.黑体辐射出的电磁波能量在特定范围内可取任意值 AB　[黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，故A正确；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，黑体辐射的强度与波长有关，故B正确，C错误；黑体辐射有一定的实验规律，故D错误.] 3.(能量子的表达式)某物体发出频率为ν＝5.0×1014Hz的黄光，这种黄光的一个能量子的能量是(　　) A.ε＝3.3×10－15 J　　 B.ε＝3.3×10－17 J C.ε＝3.3×10－19 J D.ε＝3.3×10－21 J C　[根据ε＝hν＝6.63×10－34×5.0×1014J＝3.3×10－19 J，可知C正确.] 4.(能量子的应用)“神光Ⅱ装置”是目前我国规模最大的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2 400 J、波长λ＝0.35 μm的紫外激光.已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，则该紫外激光所含光子数为多少？(真空中光速c＝3×108 m/s) 解析　紫外激光能量子的值为 ε0＝＝J≈5.68×10－19 J， 则该紫外激光所含光子数为 n＝＝≈4.23×1021(个). 答案　4.23×1021个 学科网（北京）股份有限公司 $$