第13章 第5节 能量量子化（Word练习）-【金榜题名】2025-2026学年高中物理必修第三册同步学案（人教版）

第5节　能量量子化 课标要求 科学思维 1.了解人类发现电磁波的历中，知道麦克斯韦、赫兹等物理学家对电磁波发现做出的巨大贡献，领会在电磁波的发现过程中所蕴含的科学方法和科学精种。 2．体验赫兹证明麦克斯韦预言的电磁波存在的实验过程及实验方法。 3．了解电磁波本身是一种特殊物质，电磁波能传递能量和信息。 4．知道可见光是电磁波谱家族中的一个频段。 领会物理理论和实验的相互配合对科学发展的巨大作用，了解电磁波谱中各波段的主要特性及其在科技、经济和社会信息化等方面的主要应用。 一、热辐射　能量子 1．普朗克的能量子概念 (1)能量子：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叫作能量子，ε＝hν，其中h叫作普朗克常量，实验测得h＝6.63×10－34 J·s，ν为电磁波的频率。 (2)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，这种现象叫作能量的量子化。量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的，即相邻两个值之间有一定距离。 2．爱因斯坦的光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且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量子，简称光子。频率为ν的光子的能量为ε＝hν。　 二、热辐射 1．概念：一切物体都在辐射电磁波，且辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。 2．特点：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。 三、能量子 1．概念：振动着的带电微粒的能量只能是某个最小能量值的整数倍，这个最小的能量值ε叫能量子。 2．大小：ε＝hν，其中h＝6.63×10－34 J·s。 3．爱因斯坦光子说：光是由一个个不可分割的能量子组成，能量大小为hν，光的能量子称作光子。 四、能级 原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能级。 原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，光子的能量等于前后两个能级之差。 　对黑体和黑体辐射的理解 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，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。 　(多选)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．T1＜T2 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 【解析】　AD　一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度(T)、辐射光的波长、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体，黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关；实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。从题图中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，选项AD正确。 【技巧与方法】 熟悉黑体辐射特点是解决问题的关键。随着温度的升高，各种波长的辐射本领都在增加，当黑体温度升高时，辐射强度极大值向短波方向移动。 1．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】　C　黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，故选项A错误；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，故选项B错误，选项C正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔，故选项D错误。 　能量子的理解和计算 1．能量的量子化 在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化。 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。 　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】　A　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，故A正确。 【技巧与方法】 有关能量子问题的解题技巧 (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。 2．(多选)以下宏观概念中，是“量子化”的有(　　) A．物体的带电荷量 B．物体的质量 C．物体的动量 D．学生的个数 【解析】　AD　所谓“量子化”应该是不连续的，是一份一份的，故AD正确。 　能级　能级跃迁 1．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。 2．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。 　氢原子在轨道半径r1＝0.53×10－10 m运动时能量最低，称为基态，能量E1＝－13.6 eV。求氢原子处于基态时： (1)电子的动能； (2)原子的电势能。 【解析】　(1)设处于基态的氢原子核周围的电子速度为v1，则＝ 所以电子动能Ek1＝mv＝ ＝ eV≈13.6 eV。 (2)因为E1＝Ek1＋Ep1， 所以Ep1＝E1－Ek1＝－13.6 eV－13.6 eV＝－27.2 eV。 【答案】　(1)13.6 eV　(2)－27.2 eV 3．(多选)下列关于氢原子能级叙述中正确的是(　　) A．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波 B．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量 C．原子内电子的可能轨道是连续的 D．原子内电子的轨道是不连续的 【解析】　BD　按照经典物理学的观点，电子绕核运动有加速度，一定会向外辐射电磁波，很短时间内电子的能量就会消失，与客观事实相矛盾，由能级和能量子理论可知选项A、C错误，B正确；原子内电子轨道是不连续的，D正确。 1．下列关于电磁场的说法正确的是(　　) A．电磁场的本质是电场 B．电磁场的本质是磁场 C．电磁场是电场和磁场的统称 D．电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体 【解析】　D　电磁场是周期性变化的电场和磁场交替产生而形成的不可分离的统一体。故选D。 2．麦克斯韦电磁场理论告诉我们(　　) A．任何电场周围都要产生磁场 B．任何变化的电场都要在周围空间产生变化的磁场 C．任何变化的电场都要在周围空间产生恒定的磁场 D．周期性变化的电场要在周围空间产生周期性变化的磁场 【解析】　D　变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场；均匀变化的电(磁)场只能产生恒定不变的磁(电)场，周期性变化的电(磁)场要在周围空间产生周期性变化的磁(电)场。故选D。 3．关于电磁场理论，下列描述正确的是(　　) A．变化的电场和变化的磁场互相激发，由近及远传播形成电磁波 B．静止的电荷能够在周围空间产生稳定的磁场 C．稳定的磁场能够在周围空间产生稳定的电场 D．均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 【解析】　A　A对：根据麦克斯韦电磁场理论可知，均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，变化的电场和变化的磁场互相激发，由近及远传播形成电磁波，而静止的电荷周围的电场是稳定的，故不产生磁场。B、D错，C错：稳定的磁场周围没有电场产生。故选A。 4．以下有关在真空中传播的电磁波的说法正确的是(　　) A．频率越大，传播的速度越大 B．频率不同，传播的速度相同 C．频率越大，其波长越大 D．频率不同，传播速度也不同 【解析】　D　电磁波在真空中的传播速度是光速，频率不同的电磁波，传播的速度相同。故选D。 学科网（北京）股份有限公司 $