13.5 能量量子化-2024-2025学年高二物理精剖细解讲义（人教版2019必修第三册）

13.5 能量量子化 ——精剖细解学习讲义 知识点1：热辐射和黑体辐射 1、热辐射 一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。 特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同。 2、黑体 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，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 【注意】黑体是一个理想化的物理模型，看上去不一定是黑的。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，最终不能从小孔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。 3、黑体辐射 黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波。。 4、黑体辐射规律 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，温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值，随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如下图所示。 5、一般物体与黑体 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 1．对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。关于黑体辐射，下列说法正确的是（　　） A．黑体不会辐射电磁波 B．温度低于0℃的物体不会辐射电磁波 C．黑体辐射的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍 D．爱因斯坦提出的能量子假说，能够很好地解释黑体辐射规律 【答案】C 【详解】AB．一切物体都会辐射电磁波，绝对零度的物体才可能没有辐射，温度越高，辐射的电磁波越强，AB错误； CD．普朗克假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，从而很好地解释了黑体辐射的实验现象，C正确，D错误。 故选C。 2．下列关于热辐射和黑体辐射的说法不正确的是（　　） A．一切物体都在辐射电磁波 B．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 C．黑体辐射强度的极大值跟温度无关 D．一般物体辐射电磁波的强度与温度有关 【答案】C 【详解】A．一切物体都在辐射电磁波，故A正确； B．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波，故B正确； C．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C错误； D．一般物体辐射电磁波的强度与温度有关，故D正确。 故选C。 3．在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像，则下列说法正确的是（　　） A．T1＜T2 B．在同一温度下，波长越短的电磁波辐射强度越大 C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低 D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动 【答案】D 【详解】A．不同温度的物体向外辐射的电磁波的波长范围是不同的，温度越高向外辐射的能量中，频率小的波越多，所以T1>T2，故A错误； B．由图像可知，同一温度下，辐射强度最大的电磁波波长不是最大的，也不是最小的，而是处在最大与最小波长之间，故B错误； C．由图像可知，黑体的辐射强度随着温度的升高而增大，故C错误； Ｄ．有图可知，随着温度的升高，相同波长的光辐射强度都会增大，同时最大辐射强度向左侧移动，即向波长较短的方向移动，故D正确。 故选D。 4．右图为黑体辐射的强度与波长的关系图象，从图象可以看出，随着温度的升高，则( 　　) A．各种波长的辐射强度都有减少 B．只有波长短的辐射强度增加 C．辐射电磁波的波长先增大后减小 D．辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 【答案】D 【详解】由图象可以看出，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故AB错误，D正确．随着温度的升高，黑体的辐射增强，波长变短，频率增大，故C错误．故选D． 点睛：通过黑体辐射的强度与波长的关系图象，考生应牢记两大特点：①随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加；②随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动． 知识点2：能量子 1、概念 普朗克认为微观世界中带电粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍，当带电粒子辐射或吸收能量时，也只能以这个最小能量值为单位一份一份地吸收或辐射，这样的一份最小能量值ε叫做能量子。 2、能量子表达式 ε＝hν，其中ν为电磁波的频率，h叫做普朗克常量，实验测得h＝6.63×10－34 J·s。 3、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，这种现象叫做能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的，而是分立的。 【注意】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。 4、爱因斯坦的光子说 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子。 这说明光在发射和吸收时能量是一份一份的。 频率为ν的光子的能量为ε＝hν。 5．普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，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．人的质量 C．物体的动能 D．物体的长度 【答案】A 【详解】在经典物理学中，对体系物理量变化的最小值没有限制，它们可以任意连续变化，如重力、动能、长度等，但在量子力学中，物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化，具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化。A正确，BCD错误。 故选A。 6．1900年，普朗克引入了能量子这一概念，首次提出了能量量子化的思想，以下现象跟能量量子化无关的是（　　） A．原子光谱 B．黑体辐射 C．雨后彩虹 D．光电效应 【答案】C 【详解】普朗克最先提出能量子这一概念，成功解释了黑体辐射的实验结果。在普朗克能量子假说的启发下，爱因斯坦提出了光子假说解释光电效应。玻尔利用量子理论，解释了氢原子光谱。雨后彩虹现象说明光具有波动性，没有涉及“量子化”的观点。 故选C。 知识点3：能级 1、定义 原子的能量是量子化，这些量子化的能量叫做能级。通常情况原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。高速运动的原子经过撞击可能跃迁（指从一个量子状态到另一个量子状态的变化过程）到较高的能量状态，处于这些状态的原子不稳定，会自发地从能量较低的能级跃迁，放出光子。 原子能量最低的状态称为基态，其余称为激发态。处于基态的原子最稳定。 原子分立谱线如下图所示 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。如图：hν= E4 – E1 。 当原子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。 7．我国高铁技术、北斗卫星导航系统、5G通信技术，目前处于世界领先水平。高铁将拥有基于北斗卫星导航系统、5G通信技术的空天地一体化的“超级大脑”。与4G相比，5G具有“更高网速、低延时、低功率海量连接、通信使用的电磁波频率更高”等特点。与4G相比，5G使用的电磁波（　　） A．波长更长 B．能量子的能量更小 C．能量子的能量更大 D．传播速度更快 【答案】C 【详解】A．由题知与4G相比，5G具有“通信使用的电磁波频率更高”，已知电磁波的波长与频率的关系为 由此可知频率越高波长越短，则与4G相比，5G使用的电磁波波长更短，A错误； BC．已知能量子的能量为 由题知与4G相比，5G具有“通信使用的电磁波频率更高”，则与4G相比，5G使用的电磁波能量子的能量更大，C正确； D．电磁波的传播速度与光速相等，在自由空间中，为c=3×108m/s，D错误。 故选C。 8．蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温为37℃，它发出的最强的热辐射的波长为，根据热辐射理论，与辐射源的绝对温度的关系近似为，普朗克常量。那么老鼠发出最强的热辐射的波长和老鼠发出的这种最强的热辐射每份能量子（又叫作光子）的能量分别是（　　） A．     B．     C．    D．    【答案】B 【详解】由题意 则 根据公式 故选B。 多选题 9．黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知（　　） A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加 B．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 C．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加 D．随温度降低，辐射强度的极大值向频率较高的方向移动 【答案】AB 【详解】AC．由图可知，随温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，故A正确，C错误； B．温度升高，辐射强度的极大值会向着波长较短的方向移动，故B正确； D．温度降低，辐射强度的极大值会向着波长较长的方向移动，由于波长与频率成反比，所以，温度降低，辐射强度的极大值会向着频率较低的方向移动，故D错误。 故选AB。 10．下列说法正确的是（    ） A．当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电流 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．光谱中，可见光从红光到紫光，其波长越来越大 D．不同频率的电磁波在真空中的传播速度不同 【答案】AB 【详解】A．根据电磁感应规律知，当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电流，选项A正确； B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料种类及表面状况无关，选项B正确； CD．从红光到紫光，波长越来越短，电磁波在真空中的速度均为光速，选项CD错误。 故选AB。 11．关于普朗克“能量量子化”的假设，下列说法正确的是（　　） A．认为带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份的 B．认为能量值是连续的 C．认为微观粒子的能量是量子化的、连续的 D．认为微观粒子的能量是分立的 【答案】AD 【详解】普朗克的理论认为带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份的，微观粒子的能量是量子化的，是分立的。 故选AD。 12．1900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的能量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 【详解】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”，能量子的能量ε=hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量，故ABC符合题意，D不符合题意。 故选ABC。 13．下列说法正确的是(　　) A．微观粒子的能量变化是跳跃式的 B．能量子与电磁波的频率成正比 C．红光的能量子比绿光大 D．电磁波波长越长，其能量子越大 【答案】AB 【详解】A．微观粒子的能量变化是跳跃式的，故A正确； B．由ɛ＝hν可知，能量子与电磁波的频率成正比，故B正确； C．红光的频率比绿光小，由ɛ＝hν可知，红光的能量子比绿光小，故C错误； D．电磁波波长越长，其频率越小，能量子越小，故D错误． 故选AB． 14．2021年7月4日，我们在电视中看到航天员汤洪波走出离地面高约为400km的中国空间站，标志着我国空间站航天员首次出舱活动取得圆满成功。航天员出舱的画面是通过电磁波传输到地面接收站，下列关于电磁波的说法正确的是（　　） A．电磁波波长越长，其能量子的能量越小 B．只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波 C．汤洪波出舱活动的画面从空间站传到地面接收站最少需要约0.014s D．赫兹通过实验捕捉到电磁波，并证实了麦克斯韦的电磁场理论 【答案】AD 【详解】A．电磁波的能量子为 则电磁波波长越长，其能量子的能量越小，故A正确； B．根据麦克斯韦的电磁场理论可知，非均匀变化的磁场或电场，其周围产生电磁波，故B错误； C．电磁波在真空中或空气中传播的速度v=3.0×108m/s，空间站到地球表面的距离 电磁波从空间站传播到地面的时间为 故C错误； D．麦克斯韦预言了电磁场理论，1886年，赫兹通过实验捕捉到电磁波，从而证明了电磁波的存在，故D正确； 故选AD。 15．对于带电微粒在辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是（　　） 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 【详解】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。 故选ABD。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！7 学科网（北京）股份有限公司 $$ 13.5 能量量子化 ——精剖细解学习讲义 知识点1：热辐射和黑体辐射 1、热辐射 一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。 特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同。 2、黑体 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，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 【注意】黑体是一个理想化的物理模型，看上去不一定是黑的。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，最终不能从小孔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。 3、黑体辐射 黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波。。 4、黑体辐射规律 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，温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值，随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如下图所示。 5、一般物体与黑体 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 1．对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。关于黑体辐射，下列说法正确的是（　　） A．黑体不会辐射电磁波 B．温度低于0℃的物体不会辐射电磁波 C．黑体辐射的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍 D．爱因斯坦提出的能量子假说，能够很好地解释黑体辐射规律 2．下列关于热辐射和黑体辐射的说法不正确的是（　　） A．一切物体都在辐射电磁波 B．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 C．黑体辐射强度的极大值跟温度无关 D．一般物体辐射电磁波的强度与温度有关 3．在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像，则下列说法正确的是（　　） A．T1＜T2 B．在同一温度下，波长越短的电磁波辐射强度越大 C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低 D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动 4．右图为黑体辐射的强度与波长的关系图象，从图象可以看出，随着温度的升高，则( 　　) A．各种波长的辐射强度都有减少 B．只有波长短的辐射强度增加 C．辐射电磁波的波长先增大后减小 D．辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 知识点2：能量子 1、概念 普朗克认为微观世界中带电粒子的能量是不连续的，只能是某一最小能量值的整数倍，当带电粒子辐射或吸收能量时，也只能以这个最小能量值为单位一份一份地吸收或辐射，这样的一份最小能量值ε叫做能量子。 2、能量子表达式 ε＝hν，其中ν为电磁波的频率，h叫做普朗克常量，实验测得h＝6.63×10－34 J·s。 3、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，这种现象叫做能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的，而是分立的。 【注意】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。 4、爱因斯坦的光子说 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子。 这说明光在发射和吸收时能量是一份一份的。 频率为ν的光子的能量为ε＝hν。 5．普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，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．人的质量 C．物体的动能 D．物体的长度 6．1900年，普朗克引入了能量子这一概念，首次提出了能量量子化的思想，以下现象跟能量量子化无关的是（　　） A．原子光谱 B．黑体辐射 C．雨后彩虹 D．光电效应 知识点3：能级 1、定义 原子的能量是量子化，这些量子化的能量叫做能级。通常情况原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。高速运动的原子经过撞击可能跃迁（指从一个量子状态到另一个量子状态的变化过程）到较高的能量状态，处于这些状态的原子不稳定，会自发地从能量较低的能级跃迁，放出光子。 原子能量最低的状态称为基态，其余称为激发态。处于基态的原子最稳定。 原子分立谱线如下图所示 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。如图：hν= E4 – E1 。 当原子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。 7．我国高铁技术、北斗卫星导航系统、5G通信技术，目前处于世界领先水平。高铁将拥有基于北斗卫星导航系统、5G通信技术的空天地一体化的“超级大脑”。与4G相比，5G具有“更高网速、低延时、低功率海量连接、通信使用的电磁波频率更高”等特点。与4G相比，5G使用的电磁波（　　） A．波长更长 B．能量子的能量更小 C．能量子的能量更大 D．传播速度更快 8．蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温为37℃，它发出的最强的热辐射的波长为，根据热辐射理论，与辐射源的绝对温度的关系近似为，普朗克常量。那么老鼠发出最强的热辐射的波长和老鼠发出的这种最强的热辐射每份能量子（又叫作光子）的能量分别是（　　） A．     B．     C．    D．    多选题 9．黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知（　　） A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加 B．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 C．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加 D．随温度降低，辐射强度的极大值向频率较高的方向移动 10．下列说法正确的是（    ） A．当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电流 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．光谱中，可见光从红光到紫光，其波长越来越大 D．不同频率的电磁波在真空中的传播速度不同 11．关于普朗克“能量量子化”的假设，下列说法正确的是（　　） A．认为带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份的 B．认为能量值是连续的 C．认为微观粒子的能量是量子化的、连续的 D．认为微观粒子的能量是分立的 12．1900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的能量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 13．下列说法正确的是(　　) A．微观粒子的能量变化是跳跃式的 B．能量子与电磁波的频率成正比 C．红光的能量子比绿光大 D．电磁波波长越长，其能量子越大 14．2021年7月4日，我们在电视中看到航天员汤洪波走出离地面高约为400km的中国空间站，标志着我国空间站航天员首次出舱活动取得圆满成功。航天员出舱的画面是通过电磁波传输到地面接收站，下列关于电磁波的说法正确的是（　　） A．电磁波波长越长，其能量子的能量越小 B．只要空间某处的电场或磁场发生变化，就会在其周围产生电磁波 C．汤洪波出舱活动的画面从空间站传到地面接收站最少需要约0.014s D．赫兹通过实验捕捉到电磁波，并证实了麦克斯韦的电磁场理论 15．对于带电微粒在辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是（　　） 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 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！7 学科网（北京）股份有限公司 $$