2020新教材高中物理第十三章电磁感应与电磁波初步5能量量子化练习含解析 人教版必修第三册 6页

能量量子化 一　热辐射的特点 ‎1.一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 ‎2.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。‎ ‎3.辐射强度与波长关系图像:‎ ‎4.电磁理论对黑体辐射理论解释遇到的困难:‎ 当波长趋于零时,辐射强度变为无穷大,在物理学中称它为“紫外灾难”。电磁理论解释黑体辐射的实验规律遇到了严重的困难。‎ ‎【思考·讨论】‎ ‎(1)一般材料的物体和黑体辐射电磁波的情况有什么不同呢? (物理观念)‎ 提示:一般材料的物体辐射电磁波的情况除与温度有关,还与材料的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的温度有关。‎ ‎(2)只有高温时才可以发生热辐射吗? (物理观念)‎ 提示:热辐射不一定要高温,任何温度的物体都发出一定的热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。‎ ‎【典例示范】‎ ‎(多选)黑体辐射的实验规律如图所示,由图可知 (　　) ‎ - 6 -‎ A.随温度升高,各种波长的辐射强度都增加 B.随温度降低,各种波长的辐射强度都增加 C.随温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 D.随温度降低,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 ‎【解析】选A、C、D。由题图可知,随温度升高,各种波长的辐射强度都增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,当温度降低时,上述变化都将反过来,故A、C、D正确,B错误。‎ ‎【素养训练】‎ ‎1.(多选)关于对热辐射的认识,下列说法正确的 (　　)‎ A.温度越高,物体辐射的电磁波越强 B.冷的物体只吸收电磁波 C.辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关,与材料的种类及表面状况无关 D.常温下看到的不透明、非发光物体的颜色是反射光的颜色 ‎【解析】选A、D。一切物体都在不停地向外辐射电磁波,且温度越高,辐射的电磁波越强,A正确,B错误;选项C是黑体辐射的特性,C错误;常温下看到的不透明、非发光物体的颜色是反射光的颜色,D正确。‎ ‎2.关于黑体及黑体辐射,下列说法正确的是 (　　)‎ A.黑体是真实存在的 B.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 C.随着温度升高黑体辐射的各波长的强度有些会增强,有些会减弱 D.黑体辐射无任何实验依据 ‎【解析】选B。黑体并不是真实存在的,故A错误;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,故B正确;随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加,故C错误;黑体辐射是有实验依据的,故D错误。‎ - 6 -‎ ‎【补偿训练】‎ 对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 ‎【解析】选A。对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是温度,A正确,B、C、D错误。‎ 二　能量子和能级 ‎1.能量子:‎ ‎(1)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,带电微粒辐射或吸收能量时也是以这个能量值为单位一份一份地进行,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。‎ ‎(2)物体(带电微粒)辐射电磁波或者物体(带电微粒)吸收电磁波时,辐射或者吸收的能量也是以ε为单位一份一份地辐射或吸收的。E=nε,ε叫作能量子,简称量子,n为量子数,n只能取为正——能量的量子化。‎ ‎(3)电磁波最小能量为ε=hν。(ν是电磁波的频率,h是普朗克常量,h=6.626‎ ‎×10-34 J·s)‎ ‎2.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。‎ ‎3.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。‎ ‎【思考·讨论】‎ ‎(1)普朗克量子假说提出的背景是什么? (物理观念)‎ 提示:经典电磁理论难以正确解释黑体辐射实验规律的情况下提出的。‎ ‎(2)弹簧振子的能量、楼梯的台阶哪一个是连续的、哪一个是不连续的? (物理观念)‎ 提示:弹簧振子的能量是连续的,楼梯的台阶是不连续的。‎ ‎【典例示范】‎ 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=‎ - 6 -‎ ‎-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;‎ ‎(3)用波长是多少的光照可使其电离?‎ ‎(4)电子在核外旋转的等效电流(已知电子质量m=9.1×10-31 kg)。‎ ‎【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=m=‎ ‎= eV≈13.6 eV。‎ ‎(2)因为E1=Ek1+Ep1,‎ 所以Ep1=E1-Ek1=-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV。‎ ‎(3)设用波长为λ的光照射可使氢原子电离=0-E1‎ 所以λ=-= m≈91.4 nm。‎ ‎(4)等效的环形电流I=‎ 由=mr1()2可得T=2π 所以I==,‎ 代入数据得I=1.05×10-3A。‎ 答案:(1)13.6 eV　(2)-27.2 eV ‎(3)91.4 nm　(4)1.05×10-3A - 6 -‎ ‎【素养训练】‎ ‎1.(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】选B、D。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。‎ ‎2.(多选)关于对普朗克能量子假说的认识,下列说法正确的是(　　)‎ A.振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍 C.能量子与电磁波的频率成正比 D.这一假说与现实世界相矛盾,因而是错误的 ‎【解析】选B、C。普朗克能量子假说认为,能量存在某一个最小值,带电微粒辐射或吸收的能量只能是这个最小能量值的整数倍,故A错误,B正确;能量子与电磁波的频率成正比,故C正确;能量子假说反映的是微观世界的特征,不同于宏观世界,并不是与现实世界相矛盾,故D错误。‎ ‎【总结提升】能量子的有关问题 ‎(1)对能量子的理解:物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电微粒向外辐射的,微粒的能量是不连续的,只能是hν的整数倍。‎ ‎(2)能量子假说的意义:解决了“紫外灾难”的问题,破除了“能量连续变化”的传统观念。‎ ‎3.(多选)下列有关于原子能级的说法中正确的是(　　)‎ A.原子处在具有一定能量的定态中,虽然电子做变速运动,但不向外辐射能量 B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应,而电子的可能轨道的分布是不连续的 C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,辐射(或吸收)一定频率的光子 D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率 ‎【解析】选A、B、C。A、B、C三项其核心是原子定态概念的引入与能量跃迁学说的提出,也就是“量子化”的概念,原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应,是经典理论与量子化概念的结合,原子辐射的能量与电子在某一可能轨道上绕核的运动无关,则A、B、C正确,D项错误。‎ - 6 -‎ - 6 -‎