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 浙江专版）

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的概念及特点，深入阐释能量子的量子化特征与普朗克常量，进而构建原子能级结构及跃迁规律，形成从宏观热辐射现象到微观量子化本质的认知支架。 该资料通过表格对比一般物体与黑体的辐射及吸收特性，结合红外体温计、激光治疗等实际案例，培养学生模型建构与科学推理能力。课中例题与针对训练辅助概念理解，课后课时对点练助力学生查漏补缺，强化知识应用与科学态度。

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。 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．黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况 C．黑体不向外辐射电磁波 D．一般物体辐射电磁波的强度与温度有关 答案　C 解析　一切物体都在辐射电磁波，故A正确，C错误；黑体是一种理想模型，故B正确；一般物体辐射电磁波的强度与温度有关，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 针对训练1　很多地方用红外线热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知道他的体温，关于其原理，下列说法正确的是(　　) A．人的体温会影响周围空气温度，仪器通过测量空气温度便可知道人的体温 B．仪器发出的红外线遇人反射，反射情况与被测者的温度有关 C．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较短波长的成分强 D．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较长波长的成分强 答案　C 解析　根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，波长较短的成分越来越强，人的体温的高低，直接决定了辐射的红外线的频率和强度，通过监测被测者辐射的红外线的情况，就可知道这个人的体温，故选C。 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。 说明：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·嘉兴市高二期末)关于能量子，下列说法正确的是(　　) A．能量子假设最早是由爱因斯坦提出 B．电磁波的波长越长，其能量子越大 C．电磁波的频率越高，其能量子越小 D．微观粒子的能量只能是能量子的整数倍 答案　D 解析　普朗克最早提出了能量量子化假说，普朗克认为微观粒子能量是不连续的，故A错误；电磁波波长越长，其频率越小，能量子hν越小，故B、C错误；微观粒子的能量只能是能量子的整数倍，故D正确。 例3　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，可利用聚光到纳米级的激光束进行治疗。一台功率为10 W的氩激光器，能发出波长λ＝500 nm的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要2×10－3 J的能量(普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s)，求： (1)每次“点焊”视网膜的时间； (2)在这段时间内发出的激光光子的数量。(保留1位有效数字) 答案　(1)2×10－4 s　(2)5×1015个 解析　(1)由E＝W＝Pt得，每次“点焊”视网膜的时间t＝，代入数据得t＝2×10－4 s (2)设每个光子的能量为E0，则E0＝hν＝h 设在这段时间内发出的激光光子的数量为n，则由E＝nE0 联立并代入数据得n≈5×1015个。 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。 拓展延伸　(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，当氢原子从较低能级向较高能级跃迁时，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。 针对训练2　(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：60分] [1～10题，每题4分] 考点一　热辐射和黑体辐射 1．黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是(　　) A．温度 B．材料 C．表面状况 D．以上都正确 答案　A 解析　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A正确，B、C、D错误。 2．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，是因为黑体可以反射电磁波 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状况有关 答案　D 解析　任何物体在任何温度下都存在热辐射，温度越高辐射的能力越强，故A错误；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、C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，与构成黑体的材料、形状及表面状况无关，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状况有关，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．(2024·嘉兴一中高二期中)普朗克在1900年提出了量子假说，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．物体所受的重力 C．物体的动能 D．物体运动的距离 答案　A 解析　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、距离等。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，如人的个数，只能是量子化的。故选A。 6．下列有关光子的说法不正确的是(　　) A．在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子 B．光子是具有质量、能量和体积的实物微粒 C．光子的能量跟它的频率有关 D．紫光光子的能量比红光光子的能量大 答案　B 解析　光是在空间传播的电磁波，是不连续的，是一份一份的能量，每一份叫作一个光子，A正确；光子没有静止质量，也没有具体的体积，B错误；根据ε＝hν可知光子的能量与光子的频率有关，紫光的频率大于红光的频率，所以紫光光子的能量比红光光子的能量大，C、D正确。 7．(多选)对于带电微粒的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。 8.(多选)(2023·衢州市高二期末)全飞秒激光是国际上最先进的角膜屈光手术模式之一。经查阅资料得知，飞秒激光是一种波长1 053 nm的激光，已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s，则下列说法正确的是(　　) A．飞秒激光的传播速度有可能超过3×108 m/s B．飞秒激光光子的能量是不连续的 C．飞秒激光的频率约为1.053×106 Hz D．飞秒激光的光子能量约为1.2 eV 答案　BD 解析　根据爱因斯坦的相对论观点，飞秒激光的速度不可能超过光在真空中的速度，故A错误；根据爱因斯坦光子说，可知飞秒激光的能量的变化是不连续的，故B正确；飞秒激光的频率为ν＝＝ Hz≈2.85×1014 Hz，故C错误；飞秒激光的光子能量为E＝hν＝ eV≈1.2 eV，故D正确。 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 [11题8分] 11．能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18 J，已知可见光的平均波长为0.6 μm，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s，恰能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为(　　) A．1个 B．3个 C．30个 D．300个 答案　B 解析　每个光子的能量为E0＝hν＝h，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E＝10－18 J，由E＝nE0得，能引起人眼的感觉进入人眼的光子数至少n＝＝＝个≈3个，故B正确，A、C、D错误。 12．(12分)人眼对绿光最为敏感，如果每秒有N个波长为λ的绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，现有一个光源以功率P均匀地向各个方向发射波长为λ的绿光，设瞳孔在暗处的直径为D，且不计空气对光的吸收，那么眼睛最远在多大距离处能够看到这个光源？(普朗克常量用h表示，真空中光速用c表示) 答案　见解析 解析　设瞳孔与光源相距为r，在t＝1 s内，以光源为球心、半径为r的球面上，单位面积上的能量为E0＝，则瞳孔在1 s内接收到的能量为E＝E0·π， 若此时刚好可以看到光源，则有E＝Nh， 联立可得r＝。 学科网（北京）股份有限公司 $