第十三章 5 能量量子化（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二物理必修第三册学习笔记（人教版）

本高中物理讲义围绕能量量子化核心知识点，从热辐射的定义与特点切入，通过黑体模型（完全吸收电磁波、辐射仅与温度有关）过渡到能量子概念（普朗克常量、能量分立），最终延伸至原子能级结构（定态、跃迁、发射光谱），构建宏观到微观的知识支架。 资料通过对比表格清晰区分一般物体与黑体的辐射及吸收特点，结合例题（如红外体温计原理、激光打标能量计算）培养科学思维与推理能力。课中辅助教师突破难点，课后分考点课时对点练帮助学生巩固知识，查漏补缺。

5　能量量子化 [学习目标]　1.了解热辐射和黑体的概念。2.初步了解微观世界的量子化特征，知道普朗克常量(难点)。 3.了解原子的能级结构(重点)。 一、热辐射 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。 (3)理解： ①并非只有高温物体才会发生热辐射，任何物体在任何温度下都会发生热辐射，这是由于物体中分子、原子受到激发会发射电磁波。 ②热辐射是内能转化为电磁能的过程。 ③除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波(如图)。除光源外，常温下我们看到的物体的颜色就是其反射的光的颜色。 2.黑体 (1)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。 注意：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　(多选)(2024·南宁市高二期末)下列有关黑体和黑体辐射的说法中正确的是(　　) A.黑体的热辐射实际上是电磁辐射 B.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 C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与它的温度、材料的种类及表面状况有关 D.黑体辐射随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加 答案　ABD 解析　黑体的热辐射实际上是电磁辐射，故A正确；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，故B正确；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关，故C错误；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，即各种波长的辐射强度都增加，故D正确。 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 二、能量子 1.概念：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，这个不可再分的最小的能量值ε叫作能量子。 2.大小：ε=hν，其中普朗克常量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，频率为ν的光的能量子为hν，光的能量子称为光子。 注意：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。 例2　(2024·宁夏银川唐徕中学高二期末)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子假说 B.普朗克认为微观粒子能量是连续的 C.频率为ν的光的能量子为hν D.电磁波波长越长，其能量子越大 答案　C 解析　能量子假说是由普朗克最早提出来的，故A错误；根据普朗克能量子假说，微观粒子能量不连续，故B错误；能量子的大小ε=hν=h，所以电磁波波长越长，其能量子越小，故C正确，D错误。 例3　可见光波长的大致范围是400~760 nm。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s，光速c=3×108 m/s，则波长为400 nm、760 nm的可见光发生电磁辐射的能量子ε的值分别是多少(结果保留3位有效数字)？ 答案　4.97×10-19 J　2.62×10-19 J 解析　由能量子ε=hν=h得，波长为400 nm的可见光发生电磁辐射的能量子为 ε1=h= J≈4.97×10-19 J 波长为760 nm的可见光发生电磁辐射的能量子为ε2=h= J≈2.62×10-19 J。 三、能级 1.能级 原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。 原子具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫作基态，其他的状态叫作激发态。 2.能级之间的跃迁 处于低能级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，处于高能级的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。 注意：(1)能级越低，原子越稳定。 (2)除受到高速运动的电子的撞击外，当吸收一定大小的光子的能量(等于跃迁前后的两能级之差)时，原子也能从低能级跃迁到高能级。 3.原子的发射光谱 (1)光谱特征 如图所示是氦原子的光谱，原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 (2)光谱分立的原因 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，因为原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。 例4　一个氢原子从低能级跃迁到高能级，该氢原子(　　) A.吸收光子，吸收光子的能量等于两能级之差 B.吸收光子，能量减少 C.放出光子，能量增加 D.放出光子，放出光子的能量等于两能级之差 答案　A 解析　氢原子能级越高对应的能量越大，当氢原子从低能级向高能级跃迁时，吸收光子，能量增加，吸收光子的能量等于两能级之差，故A正确，B、C、D错误。 例5　(多选)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放出光子，且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，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线 答案　CD 解析　原子的能量是量子化的，原子从高能级向低能级跃迁时向外放出光子，放出的光子的能量等于前后两个能级之差，由于能级的分立性，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线，故C、D正确。 课时对点练 [分值：100分] [1~10题，每题9分] 考点一　热辐射 1.(2024·山西省高二学业考试)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 解析　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A、B错误；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。 2.(多选)(2024·白银市高二期末)下列有关热辐射的说法中，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 答案　BD 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。 3.(多选)下列说法正确的是(　　) A.物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波 B.当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高 C.当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强 D.早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高 答案　BC 解析　物体在某一温度下能辐射不同波长的电磁波，A错误；铁块呈现黑色，是由于它的辐射强度的极大值对应的波长段在红外部分，甚至波长更长，说明它的温度不太高，当铁块的温度较高时铁块呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强，故B、C正确；太阳早、晚时分呈现红色，而中午时分呈现白色，是大气吸收与反射了部分光的原因，不能说明中午时分太阳温度最高，D错误。 4.生活中常利用红外体温计测量体温，下列说法正确的是(　　) A.当体温超过37.3℃时人体才辐射红外线 B.当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线 C.红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的 D.红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的 答案　D 考点二　能量子 5.(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，下列说法正确的是(　　) 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 解析　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A、B、D正确，C错误。 6.(2024·江苏五市十一校高二联考)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 解析　依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地进行变化。则人的个数具有量子化特征，而人的质量、物体的动能、物体长度都是连续变化的，不具有量子化特征，故A正确，B、C、D错误。 7.(2025·扬州市高二期末)红外线理疗仪发出的红外线的频率为ν，波长为λ，光子的能量为ε，普朗克常量为h，光速为c，下列关系式中正确的是(　　) A.ε= B.ε=hν C.λ=cν D.λ= 答案　B 解析　ε是光子能量，h是普朗克常量，ν是光的频率，光子能量公式ε=hν，故A错误，B正确；λ=cT=，故C、D错误。 8.(2024·南昌市开学考试)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，真空中光速c=3×108 m/s)(　　) A.5.6×10-22 J B.5.6×10-19 J C.5.6×10-16 J D.5.6×10-13 J 答案　B 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为 ε=hν=，解得ε≈5.6×10-19 J，故选B。 考点三　能级 9.一个氢原子从较高能级跃迁到较低能级，该氢原子(　　) A.放出光子，能量增加 B.放出光子，能量减少 C.吸收光子，能量增加 D.吸收光子，能量减少 答案　B 解析　由原子的能级跃迁规律知，氢原子从高能级跃迁到低能级时，放出一定频率的光子，氢原子能量减少，光子的能量由这两个能级的能量差决定，故选B。 10.(多选)下列关于氦原子光谱和能级的说法正确的是(　　) A.氦原子光谱中的亮线是由于氦原子从高能级向低能级跃迁时释放出光子形成的 B.氦原子光谱不是连续的，是一些分立的亮线，说明了氦原子的能级是量子化的 C.原子能量越高，原子越稳定 D.氦原子从高能级向低能级跃迁会放出光子，光子能量等于两个能级之差 答案　ABD [10分] 11.两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，第一束光在某段时间内打在物体上的光子数与第二束光在相同时间内打在物体表面上的光子数之比为4∶5，已知c=λν，则这两束光的光子能量和波长之比为(　　) A.4∶5　4∶5 B.5∶4　4∶5 C.5∶4　5∶4 D.4∶5　5∶4 答案　B 解析　由E=nε知，能量相同时n与ε成反比，所以光子能量之比为5∶4；又根据ε=hν=h，所以波长之比为4∶5，B正确。 学科网（北京）股份有限公司 $