5. 能量量子化（举一反三讲义）物理人教版必修第三册

本讲义聚焦能量量子化核心知识点，系统梳理热辐射与黑体辐射规律、普朗克能量子假说、爱因斯坦光子说及原子能级跃迁，构建从现象观察到理论建构再到应用的学习支架。 以铁块加热变色情景导入激发探究兴趣，结合例题、变式题及黑体辐射实验规律图，培养科学思维与能量观念。课中辅助教师系统授课，课后通过分层作业帮助学生巩固知识，查漏补缺。

5. 能量量子化 【新教材人教版】 【知识框架+知识精讲+课后作业】 模块二 知识精讲 情景导入 把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢？ 知识归纳 【知识点1 长度的单位】 【知识点1 热辐射和黑体辐射】 1．热辐射 (1)定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波。这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。 (2)特点：当温度升高时，热辐射中波长较短的电磁波的成分越来越强。 2．黑体 定义：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。 (2)特点 ①黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波。 ②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。 说明　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；有些可看成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。 【例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 【答案】A 【解答】解：A、任何物体任何温度都存在热辐射，只是温度越高，辐射能量越大，故A错误； BC、黑体是能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，黑体也会向外辐射电磁波，因为它不反射电磁波，所以研究它辐射电磁波（能量）时就不会受反射电磁波的影响，向外辐射能量的强度按照波长的分布只依赖于黑体的温度，当温度足够高，辐射能量足够强时，看起来就会很亮，故BC正确； 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，与实验结果相符，故D正确； 故选：A。 【变式1—1】为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家定义了一种理想物体——黑体，以此作为热辐射研究的标准物体。关于黑体和黑体辐射理论，下列说法正确的是（　　） A．爱因斯坦为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论和光子说 B．黑体向外辐射的是热量，是以光子的形式辐射的 C．一般物体辐射电磁波的情况只与物体的温度有关 D．黑色的物体简称黑体，黑体辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 【答案】B 【解答】解：A、爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说，普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论，故A错误； B、黑体的热辐射实际上是电磁辐射，是以光子的形式辐射的，故B正确； C、一般物体辐射电磁波的情况与物体的温度、物体的材料有关，而黑体辐射电磁波的情况只与物体的温度有关，故C错误； D、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，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D错误。 故选：B。 【变式1—2】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。 【变式1—3】普通物体辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，具有一定的分布规律，这种分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。黑体辐射实验规律如图所示，下列说法正确的是（　　） A．黑体辐射强度按波长的分布只跟黑体温度有关，与黑体材料无关 B．当温度降低时，各种波长的电磁波辐射强度均有所增加 C．当温度升高时，辐射强度峰值向波长较大的方向移动 D．黑体不能够完全吸收照射到它上面的所有电磁波 【答案】A 【解答】解：A、一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关；但黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，故A正确； B、由图可知，随温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所减小，故B错误； 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、能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体，因此黑体能够完全透射照射到它上面的光波，故D错误。 故选：A。 【知识点2 能量子】 1.普朗克能量子概念 （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ν为电磁波的频率，h叫作普朗克常量，实验测得h＝6.63×10－34 J·s。 （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。 2.爱因斯坦的光子说 （1）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。 （2）这说明光在发射和吸收时能量是一份一份的。 （3）频率为ν的光子的能量为ε＝hν 【例2】2022年5月5日，我国成功利用“墨子号”量子科学实验卫星，实现了地球上1200公里间的量子态远程传输，这次实验的成功，意味着我国在量子通信网络建设领域向前迈出了重要的一步。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 【答案】C 【详解】A．普朗克首先提出了“能量子”的概念，A错误；     B．物体的长度是连续的，B错误； C．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； D．根据 ，能量子与电磁波的频率成正比，D错误。 故选C。 【变式2—1】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。 【变式2—2】（多选）以下说法中正确的是（　　） A．麦克斯韦提出了电磁场理论，预言了电磁波并用实验证实了电磁波的存在 B．根据麦克斯韦的电磁场理论，只要有变化的电场，就可以形成电磁波 C．普朗克最早提出量子假说，开创了量子理论的新时代 D．量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位的整数倍 【答案】CD 【详解】A．麦克斯韦提出了电磁场理论，预言了电磁波，赫兹用实验证实了电磁波的存在，A错误； B．根据麦克斯韦的电磁场理论，均匀变化的电场，不能形成电磁波，B错误； C．普朗克最早提出量子假说，开创了量子理论的新时代，C正确； D．量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位的整数倍，D正确。 故选CD。 【变式2—3】太阳耀斑爆发是一种发生在太阳大气层中的剧烈太阳活动，2024年5月8日，太阳发生两次X射线强耀斑。若太阳辐射到地球表面的效率为η，地球表面探测仪正对太阳的面积为S，探测仪到太阳中心的距离为L，探测仪单位时间内探测到X射线的光子数为n。已知普朗克常量为h，X射线波长为λ，光速为c，太阳均匀地向各个方向辐射X射线，则太阳辐射X射线的总功率为（　　） A． B． C． D． 【答案】B 【解答】解：X射线中每个光子的能量为，太阳光均匀地向各个方向辐射X射线，设太阳单位时间内发射总光子数为N，则由，解得，故单位时间内太阳辐射X射线的总能量为 ，太阳辐射X射线的总功率为P，故B正确，ACD错误。 故选：B。 【知识点3 能级 】 1.能级：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。 2.能级跃迁：通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。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。 【例3】光子的发射和吸收过程是（　　） A．原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差 B．原子不能从低能级向高能级跃迁 C．原子吸收光子后从低能级跃迁到高能级，放出光子后从较高能级跃迁到较低能级 D．原子无论是吸收光子还是放出光子，吸收的光子或放出的光子的能量可大于始、末两个能级的能量差值 【答案】C 【详解】AB．原子从低能级向高能级跃迁要吸收光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差。故AB错误； C．原子从低能级向高能级跃迁要吸收光子，从高能级自发地向低能级跃迁要放出光子。故C正确； D．不管是吸收光子还是辐射光子，光子的能量总等于两能级之差。故D错误。 故选C。 【变式3—1】（多选）下列说法中正确的是（　　） A．原子处于能级最低的状态时，最稳定 B．原子由高能级向低能级跃迁时，放出光子 C．能量量子化成功解释了原子光谱的分立特征 D．原子能吸收任意能量值的光子向高能级跃迁 【答案】ABC 【详解】A．原子在不同的状态中具有不同的能量，能量最低的状态最稳定，A正确； B．原子由高能级向低能级跃迁时，能量减小，放出光子，B正确； C．能量量子化成功解释了原子光谱的分立特征，C正确； D．原子只能吸收等于能级差的光子向高能级跃迁，D错误。 故选ABC。 【变式3—2】下列说法正确的是（　　） A．原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化 B．原子从低能级向高能级跃迁时放出光子 C．原子从高能级向低能级跃迁时吸收光子，且吸收光子的能量等于前后两个能级之差 D．由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的光谱只有一些分立的亮线 【答案】D 【详解】原子的能量是量子化的，原子从高能级会自发地向低能级跃迁，向外放出光子，光子的能量 hν=E初-E末 由于能级的分立性，放出的光子的能量也是分立的。 故选D。 【变式3—3】（多选）关于原子的能级，下列说法正确的是（　　） A．原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于前后两个能级的能量差 B．原子不能从低能级向高能级跃迁 C．原子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级 D．原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后两个能级的能量差 【答案】CD 【详解】A．原子从基态跃迁到激发态要吸收光子，吸收的光子的能量等于前后两个能级的能量差，故A错误； B．原子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级，故B错误； C．原子吸收能量后可以从低能级向高能级跃迁，故C正确； D．原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后两个能级的能量差值，故D正确。 故选CD。 模块三 课后作业 一、单选题 1．关于电磁波、能量量子化、电磁感应现象，下列说法正确的是（　　） A．麦克斯韦预言并证实了电磁波的存在 B．电磁波是一种客观存在的物质 C．普朗克认为微观粒子的能量是连续的 D．奥斯特通过实验发现了“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的现象 【答案】B 【详解】A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，证实电磁波存在的人时赫兹，故A错误； B．电磁波具有能量，是一种物质，赫兹最早通过实验证明了电磁波的存在，故B正确； C．普朗克首先提出微观粒子的能量是量子化的，不是连续的，故C错误； D．法拉第通过实验发现了“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的现象，故D错误。 故选B。 2．下列说法正确的是（    ） ①普朗克提出“振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍”，从而建立了“能量量子化”观点 ②如果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，这种物体就被称为“黑体” ③我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与温度无关 ④爱因斯坦指出：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不可分割的能量子组成的 A．①② B．①④ C．①②④ D．①②③ 【答案】C 【详解】①普朗克提出“振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍”，从而建立了“能量量子化”观点，该说法正确； ②如果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，这种物体就被称为“黑体”，该说法正确； ③我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与温度有关，该说法错误； ④爱因斯坦指出：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不可分割的能量子组成的，该说法正确。 故选C。 3．关于黑体辐射，下列说法正确的是（    ） A．温度太低的物体不会辐射电磁波 B．黑体不会辐射电磁波 C．爱因斯坦通过提出的能量子假说，很好地解释了黑体辐射规律 D．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 【答案】D 【详解】AB．理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射，并将这些辐射转化为热辐射；一切物体都会辐射电磁波，故AB错误； CD．普朗克在研究黑体辐射时最早提出了能量子假说，能够很好地解释黑体辐射规律，他认为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，故C错误，D正确。 故选D。 4．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。 5．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。 6．下列关于能量量子化说法正确的是（　　） A．爱因斯坦最早提出了能量量子化假说 B．普朗克认为微观粒子能量是连续的 C．频率为v的光的能量子为hv D．电磁波波长越长，其能量子越大 【答案】C 【详解】A．能量子假说是由普朗克最早提出来的，故A错误； B．根据普朗克能量量子化假说，微观粒子能量不连续，故B错误； CD．能量子的能量 所以电磁波波长越长，其能量子越小。故C正确，D错误。 故选C。 7．2022年5月5日，我国成功利用“墨子号”量子科学实验卫星，实现了地球上1200公里间的量子态远程传输，这次实验的成功，意味着我国在量子通信网络建设领域向前迈出了重要的一步。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 【答案】C 【详解】A．普朗克首先提出了“能量子”的概念，A错误；     B．物体的长度是连续的，B错误； C．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； D．根据 ，能量子与电磁波的频率成正比，D错误。 故选C。 8．被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星，领先世界。天眼对距地球为L的天体进行观测，其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐射光子中，有η（η＜1）倍被天眼接收，天眼每秒接收到该天体发出的频率为ν的N个光子。普朗克常量为h，则该天体发射频率为ν光子的功率为（　　） 测量序号 Bx/μT By/μT Bz/μT 1 0 21 ﹣45 2 0 ﹣20 ﹣46 3 21 0 ﹣45 4 ﹣21 0 ﹣45 A． B． C． D． 【答案】A 【解答】解：设该天体发射频率为ν的光子的功率为P，则t时间内该天体向外辐射的光子的总能量为E＝Pt，以天体为圆心、L为半径的球面面积为，则地球上单位面积接收到的光子的能量为，又“中国天眼”的接收面积为，所以t时间内“中国天眼”接收的光子能量为，又由题意可知t时间内“中国天眼”接收的光子能量也可表达为E'＝Nhνt，解得，故A正确，BCD错误。 故选：A。 二、多选题 9．（多选）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。 10．（多选）下列说法正确的是（　　） A．只有温度高的物体才会有热辐射 B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量 C．黑体可以看起来很明亮，是因为黑体可以有较强的辐射 D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关 【答案】CD 【详解】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； BC．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错误，C正确； D．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，与构成黑体的材料、形状无关，而一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关，故D正确。故选CD。 11．（多选）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只与温度有关，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度极大值向波长较长的方向移动 C．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 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 【答案】CD 【详解】A．能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体，A错误； B．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，温度升高时，黑体辐射强度的极大值向波长减小的方向移动，B错误； C．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，与实验结果相符，C正确； D．小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体，故D正确。 故选CD。 12．普通物体辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，具有一定的分布规律，这种分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。黑体辐射实验规律如图所示，下列说法正确的是（　　） A．黑体辐射强度按波长的分布只跟黑体温度有关，与黑体材料无关 B．当温度降低时，各种波长的电磁波辐射强度均有所增加 C．当温度升高时，辐射强度峰值向波长较短的方向移动 D．黑体不能够完全吸收照射到它上面的所有电磁波 【答案】AC 【解答】解：A、一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关；但黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，故A正确； B、当温度降低时，各种波长的电磁波辐射强度均有所减小，故B错误； C、当温度升高时，辐射强度峰值向波长较短的方向移动，故C正确； D、黑体之所以称为黑体，就是能够完全吸收照射到它上面的所有电磁波，故D错误。 故选：AC。 13．（多选）下列说法中正确的是（　　） A．原子处于能级最低的状态时，最稳定 B．原子由高能级向低能级跃迁时，放出光子 C．能量量子化成功解释了原子光谱的分立特征 D．原子能吸收任意能量值的光子向高能级跃迁 【答案】ABC 【详解】A．原子在不同的状态中具有不同的能量，能量最低的状态最稳定，A正确； B．原子由高能级向低能级跃迁时，能量减小，放出光子，B正确； C．能量量子化成功解释了原子光谱的分立特征，C正确； D．原子只能吸收等于能级差的光子向高能级跃迁，D错误。 故选ABC。 三、计算题 14.纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面。将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官。糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，的患者都可以避免失明的严重后果。一台功率为的氩激光器，能发出波长的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要的能量，其中：，，求： 每次“点焊”视网膜的时间； 在这段时间内发出的激光光子的数量。 【答案】（1） （2） 【解析】已知激光器的功率，每次“点焊”需要的能量 ， 根据得，每次“点焊”视网膜的时间是： ； 设每个光子的能量为，则， 在这段时间内发出的激光光子的数量： 个。 。 15.小灯泡的功率，设其发出的光向四周均匀辐射，平均波长，求在距离处，每秒钟落在垂直于光线方向、面积为的球面上的光子数是多少？，结果保留三位有效数字 【答案】个 【解析】每秒钟小灯泡发出的能量为  个光子的能量  小灯泡每秒钟辐射的光子数  个  距离小灯泡的球面面积为    每秒钟落在的球面上的光子数为个。  1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 5. 能量量子化 【新教材人教版】 【知识框架+知识精讲+课后作业】 模块二 知识精讲 情景导入 把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢？ 知识归纳 【知识点1 长度的单位】 【知识点1 热辐射和黑体辐射】 1．热辐射 (1)定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波。这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。 (2)特点：当温度升高时，热辐射中波长较短的电磁波的成分越来越强。 2．黑体 定义：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。 (2)特点 ①黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波。 ②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。 说明　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；有些可看成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。 【例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 【变式1—1】为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家定义了一种理想物体——黑体，以此作为热辐射研究的标准物体。关于黑体和黑体辐射理论，下列说法正确的是（　　） A．爱因斯坦为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论和光子说 B．黑体向外辐射的是热量，是以光子的形式辐射的 C．一般物体辐射电磁波的情况只与物体的温度有关 D．黑色的物体简称黑体，黑体辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 【变式1—2】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 【变式1—3】普通物体辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，具有一定的分布规律，这种分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。黑体辐射实验规律如图所示，下列说法正确的是（　　） A．黑体辐射强度按波长的分布只跟黑体温度有关，与黑体材料无关 B．当温度降低时，各种波长的电磁波辐射强度均有所增加 C．当温度升高时，辐射强度峰值向波长较大的方向移动 D．黑体不能够完全吸收照射到它上面的所有电磁波 【知识点2 能量子】 1.普朗克能量子概念 （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ν为电磁波的频率，h叫作普朗克常量，实验测得h＝6.63×10－34 J·s。 （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。 2.爱因斯坦的光子说 （1）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。 （2）这说明光在发射和吸收时能量是一份一份的。 （3）频率为ν的光子的能量为ε＝hν 【例2】2022年5月5日，我国成功利用“墨子号”量子科学实验卫星，实现了地球上1200公里间的量子态远程传输，这次实验的成功，意味着我国在量子通信网络建设领域向前迈出了重要的一步。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 【变式2—1】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 【变式2—2】（多选）以下说法中正确的是（　　） A．麦克斯韦提出了电磁场理论，预言了电磁波并用实验证实了电磁波的存在 B．根据麦克斯韦的电磁场理论，只要有变化的电场，就可以形成电磁波 C．普朗克最早提出量子假说，开创了量子理论的新时代 D．量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位的整数倍 【变式2—3】太阳耀斑爆发是一种发生在太阳大气层中的剧烈太阳活动，2024年5月8日，太阳发生两次X射线强耀斑。若太阳辐射到地球表面的效率为η，地球表面探测仪正对太阳的面积为S，探测仪到太阳中心的距离为L，探测仪单位时间内探测到X射线的光子数为n。已知普朗克常量为h，X射线波长为λ，光速为c，太阳均匀地向各个方向辐射X射线，则太阳辐射X射线的总功率为（　　） A． B． C． D． 【知识点3 能级 】 1.能级：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。 2.能级跃迁：通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。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。 【例3】光子的发射和吸收过程是（　　） A．原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差 B．原子不能从低能级向高能级跃迁 C．原子吸收光子后从低能级跃迁到高能级，放出光子后从较高能级跃迁到较低能级 D．原子无论是吸收光子还是放出光子，吸收的光子或放出的光子的能量可大于始、末两个能级的能量 【变式3—1】（多选）下列说法中正确的是（　　） A．原子处于能级最低的状态时，最稳定 B．原子由高能级向低能级跃迁时，放出光子 C．能量量子化成功解释了原子光谱的分立特征 D．原子能吸收任意能量值的光子向高能级跃迁 【变式3—2】下列说法正确的是（　　） A．原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化 B．原子从低能级向高能级跃迁时放出光子 C．原子从高能级向低能级跃迁时吸收光子，且吸收光子的能量等于前后两个能级之差 D．由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的光谱只有一些分立的亮线 【变式3—3】（多选）关于原子的能级，下列说法正确的是（　　） A．原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于前后两个能级的能量差 B．原子不能从低能级向高能级跃迁 C．原子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级 D．原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后两个能级的能量差 模块三 课后作业 一、单选题 1．关于电磁波、能量量子化、电磁感应现象，下列说法正确的是（　　） A．麦克斯韦预言并证实了电磁波的存在 B．电磁波是一种客观存在的物质 C．普朗克认为微观粒子的能量是连续的 D．奥斯特通过实验发现了“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的现象 2．下列说法正确的是（    ） ①普朗克提出“振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍”，从而建立了“能量量子化”观点 ②如果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，这种物体就被称为“黑体” ③我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与温度无关 ④爱因斯坦指出：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不可分割的能量子组成的 A．①② B．①④ C．①②④ D．①②③ 3．关于黑体辐射，下列说法正确的是（    ） A．温度太低的物体不会辐射电磁波 B．黑体不会辐射电磁波 C．爱因斯坦通过提出的能量子假说，很好地解释了黑体辐射规律 D．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 4．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 5．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 6．下列关于能量量子化说法正确的是（　　） A．爱因斯坦最早提出了能量量子化假说 B．普朗克认为微观粒子能量是连续的 C．频率为v的光的能量子为hv D．电磁波波长越长，其能量子越大 7．2022年5月5日，我国成功利用“墨子号”量子科学实验卫星，实现了地球上1200公里间的量子态远程传输，这次实验的成功，意味着我国在量子通信网络建设领域向前迈出了重要的一步。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 8．被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星，领先世界。天眼对距地球为L的天体进行观测，其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐射光子中，有η（η＜1）倍被天眼接收，天眼每秒接收到该天体发出的频率为ν的N个光子。普朗克常量为h，则该天体发射频率为ν光子的功率为（　　） 测量序号 Bx/μT By/μT Bz/μT 1 0 21 ﹣45 2 0 ﹣20 ﹣46 3 21 0 ﹣45 4 ﹣21 0 ﹣45 A． B． C． D． 二、多选题 9．（多选）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 10．（多选）下列说法正确的是（　　） A．只有温度高的物体才会有热辐射 B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量 C．黑体可以看起来很明亮，是因为黑体可以有较强的辐射 D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关 11．（多选）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只与温度有关，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度极大值向波长较长的方向移动 C．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 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 12．普通物体辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，具有一定的分布规律，这种分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。黑体辐射实验规律如图所示，下列说法正确的是（　　） A．黑体辐射强度按波长的分布只跟黑体温度有关，与黑体材料无关 B．当温度降低时，各种波长的电磁波辐射强度均有所增加 C．当温度升高时，辐射强度峰值向波长较短的方向移动 D．黑体不能够完全吸收照射到它上面的所有电磁波 13．（多选）下列说法中正确的是（　　） A．原子处于能级最低的状态时，最稳定 B．原子由高能级向低能级跃迁时，放出光子 C．能量量子化成功解释了原子光谱的分立特征 D．原子能吸收任意能量值的光子向高能级跃迁 三、计算题 14.纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面。将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官。糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，的患者都可以避免失明的严重后果。一台功率为的氩激光器，能发出波长的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要的能量，其中：，，求： 每次“点焊”视网膜的时间； 在这段时间内发出的激光光子的数量。 15.小灯泡的功率，设其发出的光向四周均匀辐射，平均波长，求在距离处，每秒钟落在垂直于光线方向、面积为的球面上的光子数是多少？，结果保留三位有效数字 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $