13.4 电磁波的发现及应用&13.5 能量量子化(Word教参)-【学霸笔记·同步精讲】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版）

本讲义聚焦“电磁波的发现及应用”与“能量量子化”核心知识点，系统梳理麦克斯韦电磁场理论（变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场），电磁波传播规律（c=λf、电磁波谱），黑体辐射特性（温度与辐射波长关系）及能量子概念（ε=hν），构建从经典电磁理论到量子化特征的递进学习支架。 该资料突出物理观念与科学思维培养，通过填空、判断夯实基础概念，结合例题（如电磁波波长计算、黑体辐射分析）训练科学推理，实验情境（赫兹验证电磁波）支持科学探究。课中辅助教师系统授课，课后自测题与解析助力学生查漏补缺，强化知识应用。

第4节　电磁波的发现及应用 第5节　能量量子化 1．知道麦克斯韦电磁场理论及其在物理学发展史上的意义。　2.了解电磁波的基本特点、发现过程及传播规律，知道电磁波与机械波的区别。　3.了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射。初步了解微观世界的量子化特征。　4.根据黑体辐射的实验规律，分析黑体辐射的强度与波长的关系。 5．能根据ε＝hν进行简单计算。 一、电磁场 1．麦克斯韦的观点 (1)变化的磁场产生________。 (2)变化的电场产生________。 2．变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的________。 二、电磁波 1．麦克斯韦预言空间存在电磁波并推算出电磁波的速度等于________，提出了光是以波动形式传播的一种电磁振动。 2.________通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论。 三、电磁波谱 1．电磁波的波速c与波长λ、频率f的关系：c＝________。 2．电磁波在真空中的速度：c＝________ m/s。 3．电磁波谱的概念：按电磁波的波长或______________大小的顺序把它们排列起来，形成电磁波谱。 4．电磁波谱：________________、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。电磁波在生产、生活中有广泛的应用。 四、电磁波的能量 1．电磁波具有________，电磁波是一种物质。 2．微波炉加热食物应用了一种电磁波——________，食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，内能增加，温度升高。 3．光是一种电磁波——传播着的电磁场，光具有________。 五、电磁波通信 1．手机接收的互联网信息通过电磁波来传递。 2．电磁波携带的信息既可以有线传播，也可以无线传播。 六、热辐射 1．热辐射：一切物体都在辐射________。 2．热辐射规律：温度越高，热辐射中波长较________的成分越强。 3．黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生________的物体。 4．黑体辐射：黑体向外辐射电磁波的现象。 七、能量子 1．普朗克的能量子假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的________，这个不可再分的最小的能量值ε叫作能量子。 2．能量子大小：ε＝________。ν是电磁波的________，h是__________________，h＝6.626 070 15×10－34 J·s。 3．爱因斯坦光子假设：光是由一个个不可分割的能量子组成。这些能量子后来被叫作________，光子的能量ε＝hν。 八、能级 1．定义：原子量子化的能量值。 2．原子处于能量最低的状态时最________，处于较高的能量状态的原子是不稳定的，会自发地向低能级跃迁，放出________。 3．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________。 4．原子光谱的谱线是一些分立的亮线。 判断下列说法是否正确。 (1)变化的电场一定产生变化的磁场。(　　) (2)磁场一定可以产生电场，电场也一定可以产生磁场。(　　) (3)电磁波在真空和介质中传播速度相同。(　　) (4)只有高温物体才能辐射电磁波。(　　) (5)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　　) (6)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√ [答案自填] 电场　磁场　电磁场　光速　赫兹　λf　3×108　频率　无线电波　能量 微波　能量　电磁波　短　反射　整数倍　hν　频率　普朗克常量　光子　稳定　光子　差 知识点一　麦克斯韦电磁场理论 1．麦克斯韦电磁场理论 (1)电磁场理论的核心之一：变化的磁场产生电场 如图1所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里会产生感应电流，其实质是变化的磁场在它周围产生了电场，电路中的自由电荷在电场力作用下做定向运动，形成了感应电流，即使在变化的磁场周围没有闭合电路，也同样可以产生电场。 图1　　 图2 (2)电磁场理论的核心之二：变化的电场产生磁场 麦克斯韦认为：由电现象和磁现象的相似性和变化的磁场能产生电场的观点猜想，变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场。如图2所示，根据麦克斯韦电磁场理论可知，在给电容器充电的时候，不仅导体中的电流要产生磁场，而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场。 2．对麦克斯韦电磁场理论的理解 (1)恒定的电场不产生磁场。 (2)恒定的磁场不产生电场。 (3)均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场。 (4)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场。 (5)周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场。 (6)周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场。 　(2024·四川成都期末)关于电磁场和电磁波的说法正确的是(　　) A．电场和磁场总是相互联系的，它们统称为电场 B．电磁场由发生的区域向远处的传播形成电磁波 C．在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场 D．电磁波是一种波，声波也是一种波，理论上它们是同种性质的波动 [解析]　变化的电场和变化的磁场相互联系，他们统称为电磁场，A错误；电磁场由发生的区域向远处的传播形成电磁波，B正确；在变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场，C错误；电磁波是一种波，声波也是一种波，但声波是机械波，它们是不同种性质的波动，D错误。 [答案]　B 　电磁波包含了X射线、红外线、紫外线、无线电波等，按频率由低到高的排列顺序是(　　) A．无线电波、红外红、紫外线、X射线 B．红外线、无线电波、X射线、紫外线 C．X 射线、红外线、紫外线、无线电波 D．紫外线、无线电波、X射线、红外线 [解析]　电磁波按波长从长到短为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线(X射线)、γ射线(伽马射线)，波长越长频率越小，所以按频率从低到高排列与按波长从长到短排列相同。 [答案]　A 　(2024·天津北辰联考)下列关于电磁波的说法正确的是(　　) A．电磁波无法在真空中传播 B．赫兹通过一系列实验，证实了麦克斯韦的电磁场理论 C．只要有电场和磁场，就能产生电磁波 D．电磁波可以携带信息，但是不具有能量 [解析]　电磁波传播不需要介质，所以可以在真空中传播，故A错误；赫兹通过一系列实验，证实了麦克斯韦的电磁场理论，故B正确；周期性变化的电场和磁场，才能产生电磁波，故C错误；电磁波可以携带信息，同时具有能量，故D错误。 [答案]　B 　(2024·辽宁沈阳统考)英国物理学家麦克斯韦推算出一个出人意料的答案：电磁波的速度等于光速！电磁波在空气中的传播速度近似等于3×108 m/s，某无线电波的频率是0.998×108 Hz，该电磁波在空气中的波长为(　　) A．1.52 m　　　　　　　 B．3.01 m C．2.56 m D．1.09 m [解析]　由c＝λf，代入已知数据，解得λ＝＝ m≈3.01 m。 [答案]　B 知识点二　黑体辐射 1．一般物体与黑体的比较 项目 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、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 2.随着温度的升高，黑体辐射的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。 　(多选)(2024·甘肃靖远一中期末)下列有关热辐射的说法正确的是(　　) A．有些物体不会向外辐射电磁波 B．物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波 C．物体的温度升高时，热辐射中波长较长的成分越来越强 D．黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波 [解析]　一切物体都在向外辐射电磁波，故A错误；物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，故B正确；物体的温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强，故C错误；黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波，故D正确。 [答案]　BD 　(多选)(2024·山西忻州一中期中)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．普朗克提出的能量子假说，能够很好地解释黑体辐射规律 [解析]　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，A、B错误；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、D正确。 [答案]　CD 知识点三　能量子的理解与计算 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。 3．能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是电磁波的频率。 角度1　对能量子的理解 　下列关于量子化的说法正确的是(　　) A．爱因斯坦首先提出了“能量子”的概念 B．物体的长度是量子化的 C．对于宏观带电物体，其电荷量是量子化的 D．能量子与电磁波的频率成反比 [解析]　普朗克首先提出了“能量子”的概念，A错误；物体的长度是连续的，B错误；对于宏观带电物体，其电荷量是量子化的，是元电荷的整数倍，C正确；根据ε＝hν ，能量子与电磁波的频率成正比，D错误。 [答案]　C 角度2　能量子的计算 　(2024·江西南昌统考)现在市场上常用来激光打标的是355 nm紫外纳秒固体激光器，该激光器单光子能量高，能直接打断某种材料的分子键，使之从材料表面脱离。据此判断，打断该材料分子键需要的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，真空光速c＝3×108 m/s)(　　) A.10－22 J　 B．10－19 J　 C．10－16 J　 D．10－13 J [解析]　打断该材料分子键需要的能量为该激光器单光子能量，则该激光的光子能量ε＝hν＝，解得ε≈5.6×10－19 J。 [答案]　B 1．(麦克斯韦电磁场理论)(多选)(2024·浙江温州期中)关于电磁波，下列说法正确的是(　　) A．麦克斯韦首先预言了电磁波的存在，赫兹最先用实验证实了电磁波的存在 B．周期性变化的电场和磁场可以相互“激发”，形成电磁波 C．在真空中，频率越高的电磁波传播速度越大 D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输 解析：选AB。麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，故A正确；根据麦克斯韦的电磁场理论可知，非均匀周期性变化的电场产生非均匀周期性变化的磁场，非均匀周期性变化的磁场产生非均匀周期性变化的电场，电场和磁场可以相互激发，形成电磁波，故B正确；在真空中，所有电磁波传播速度相同，为光速，故C错误；电磁波可以通过电缆、光缆进行有线传输，也可以实现无线传输，故D错误。 2．(电磁波谱和电磁波的应用)(2024·河北定兴三中期中)我国研制的055新型防空驱逐舰采用“双波段(X波段和S波段)”雷达系统，雷达发射的X波段的频率为8 GHz～12 GHz，S波段的频率为2 GHz～4 GHz，下列说法正确的是(　　) A．在空气中X波段的传播速度大于S波段的 B．在空气中S波段的波长比X波段的更短 C．S波段和X波段的频率都比紫外线的小 D．X波段能量子的能量比S波段能量子的能量小 解析：选C。X波段和S波段均为电磁波，它们在空气中的传播速度相同，故A错误；根据v＝fλ，X波段的频率较大，可知在空气中S波段的波长比X波段的更长，故B错误；S波段和X波段的频率都比紫外线的小，故C正确；能量子的能量与其频率成正比，X波段能量子的能量大于S波段能量子的能量，故D错误。 3．(黑体辐射)(多选)下列叙述正确的是(　　) 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 解析：选ACD。根据热辐射定义知，A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知，一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B错误，C正确；根据黑体定义知，D正确。 4．(对能量子的理解)(多选)对于带电微粒的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 解析：选ABD。带电微粒辐射或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，A、B、D正确，C错误。 学科网（北京）股份有限公司 $