2019-2020学年高中物理第17章波粒二象性第1节能量量子化课件 人教版选修3-5 49页

第 1 节　能量量子化 [ 学习目标 ] 1. 了解热辐射和黑体辐射的概念，了解黑体辐射的实验规律．　 2. 了解能量子的概念及其提出的科学过程．　 3. 了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点．　 1 ． 热辐射 一切物体都在辐射 __________ ，这种辐射与物体的 ________ 有关，叫做热辐射． 要点一　黑体与黑体辐射 电磁波　 课前教材预案 温度　 2 ． 黑体 是指能够 ________ 吸收入射的各种波长的电磁波而不发生 ________ 的物体． 3 ． 一般材料物体的辐射规律 辐射电磁波的情况与 ________ 、 ______________ 、物体的 ____________ 有关． 完全　 反射　 温度　 材料的种类　 表面情况　 4 ． 黑体辐射的实验规律 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 ________ 有关，如图所示． (1) 随着温度的升高，各种波长的辐射强度都 ________ ； (2) 随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较 ______ 的方向移动． 温度　 增加　 短　 1 ． 定义 普朗克做出了这样的大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 ε 的 ________ 倍．当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位 ____________ 地辐射或吸收的．这个不可再分的最小能量值 ε 叫做能量子． 整数　 要点二　能量子 一份一份　 2 ． 表达式 ε ＝ hν ，其中 h 是一个常量，称为 ____________ ，其值为 h ＝ 6.626×10 － 34 J · s ， ν 是电磁波的 ________ ． 3 ． 能量量子化 普朗克认为，微观粒子的能量是 __________ 的，或者说微观粒子的能量是 ________ 的． 普朗克常量　 频率　 量子化　 分立　 问题与思考 1 ．判断下列说法的正误 (1) 黑体就是黑色的物体 ( 　　 ) (2) 黑体能够完全吸收各种电磁波，但不辐射电磁波 ( 　　 ) (3) 黑体辐射电磁波的强度按波长分布只与黑体的温度有关 ( 　　 ) 答案　 (1) 黑体是指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，不一定是黑色的物体， (1) 错误． (2) 黑体不仅能够吸收电磁波，而且还能够辐射电磁波，只是不能够反射电磁波， (2) 错误． (3) 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， (3) 正确． 2 ．普朗克是在什么情况下大胆提出能量量子化假说的？ 答案　 黑体辐射的实验规律在用当时已有的电磁场理论无法解释的情况下，普朗克大胆提出了能量量子化的假说，得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，并与黑体辐射的实验规律相当符合． 课堂深度拓展 考点一　对热辐射的理解 1 ．在任何温度下，任何物体都会辐射电磁波，并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一种特性． 在室温下，大多数物体辐射不可见的红外线；但当物体被加热到 500 ℃ 左右时，开始发出暗红色的可见光．随着温度的不断上升，红光逐渐亮起来，而且波长较短的辐射越来越多，大约在 1 500 ℃ 时变成明亮的白炽光．这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高光谱中能量最大的辐射相对应的频率也越高． 2 ．在一定温度下，不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同．例如，将钢加热到 800 ℃ 时，就可观察到明亮的红色光，但在同一温度下，熔化的水晶却不辐射可见光． 对热辐射的理解误区 热辐射不需要高温，任何温度下物体都会发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强． 【例题 1 】　 关于对热辐射的认识，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波 B ．温度越高，物体辐射的电磁波越强 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 ．常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色 答案　 B 　 解析　 一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，选项 A 错误， B 正确；辐射强度按波长的分布情况不仅与物体的温度有关，还与材料的种类及表面状况有关，选项 C 错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，选项 D 错误． 【变式 1 】 ( 多选 ) 下列关于辐射强度与波长的关系的说法正确的是 ( 　　 ) 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　 由辐射强度随波长变化关系图知，随着温度的升高各种波长的波的辐射强度都增加，而热辐射不是仅辐射一种波长的电磁波，故选项 B 、 C 正确． 1 ． 黑体辐射的实验规律 温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值． 随着温度的升高： (1) 各种波长的辐射强度都增加； (2) 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动． 考点二　黑体辐射的规律 2 ． 黑体辐射的实验规律的理论解释 (1) 物体中存在大量不停运动的带电微粒，带电微粒的振动产生变化的电磁场，向外辐射电磁波． (2) 维恩公式解释： 1896 年，德国物理学家维恩利用热学知识推导出一个公式，这个公式在短波区与实验非常接近，但在长波区与实验偏离很大，如图所示． (3) 瑞利公式解释： 1900 年，英国物理学家瑞利从电磁学的知识出发推导出一个公式，这个公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，如图所示，而且当波长趋于零时，辐射强度变成无穷大，这种情况被称为“紫外灾难”． 【例题 2 】　 ( 多选 ) 如图所示，画出四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系图象，从图象可以看出，随着温度的升高，则 ( 　　 ) A ．各种波长的辐射强度都有增加 B ．只有波长短的辐射强度增加 C ．辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 D ．辐射电磁波的波长先增大后减小 答案　 AC 　 解析　 根据黑体辐射的实验规律，随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故选项 A 、 C 正确． 【变式 2 】 ( 多选 ) 在实验室或工厂的高温炉子上开一个小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特征，就可以确定炉内的温度，如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象，则下列说法正确的是 ( 　　 ) A ． T 1 > T 2 B ． T 1 < T 2 C ．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低 D ．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 答案　 AD 　 解析　 一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度 ( T ) 、辐射波的波长 ( λ ) 、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，全部吸收入射的任何波长的电磁波的物体，黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关，实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，从题图中可看出， λ 1 < λ 2 ，则 T 1 ＞ T 2 ，选项 A 、 D 正确． 1 ． 普朗克的量子化假设 (1) 能量子：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．例如，可能是 ε ， 2 ε ， 3 ε ， … ，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量为单位一份一份地辐射或吸收的．这个不可再分的最小能量值 ε 叫做能量子． 考点三　能量量子化 (2) 能量子表达式： ε ＝ hν ，其中 ν 表示电磁波的频率， h 表示一个常量，后被称为普朗克常量，其值为 h ＝ 6.626×10 － 34 J · s ． (3) 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． 2 ． 量子化假设的实验证实 普朗克公式与实验结果比较发现，它与实验结果“令人满意地相符”．比较图线如图所示，曲线是根据普朗克的公式作出的，小圆圈代表实验值． 3 ． 能量子假说的意义 普朗克的能量子假说，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响．普朗克常量 h 是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征，架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁． 【例题 3 】 某广播电台发射功率为 10 kW ，在空气中波长为 187.5 m 的电磁波，则： (1) 该电台每秒钟从天线发射多少个光子？ (2) 若发射的能量子四面八方视为均匀的，试求在离天线 2.5 km 处直径为 2 m 的环状天线每秒钟接收的光子个数以及接收功率． ( 已知普朗克常量 h ＝ 6.63×10 － 34 J · s ， c ＝ 3×10 8 m/s) 答案　 (1)10 31 个　 (2)4×10 23 个　 4×10 － 4 W 答案　 A 　 1 ．下列宏观概念，属于“量子化”的是 ( 　　 ) A ．一棵树苗生长的高度 B ．从车站开出的汽车行驶过的路程 C ．人的个数 D ．烧水时温度计的示数 答案　 C 　 课末随堂演练 解析　 根据量子化的含义，某个量必须是不连续的，且是分立的值，故选项 C 正确． 2 ．近年来军事行动中，士兵都配带“红外夜视仪”，在夜间也能清楚地看清目标，主要是因为 ( 　　 ) A ．“红外夜视仪”发射出强大的红外线，照射被视物体 B ．一切物体均在不停地辐射红外线 C ．一切高温物体均在不停地辐射红外线 D ．“红外夜视仪”发射出 X 射线，被射物体受到激发而发出红外线 答案　 B 　 解析　 一切物体都在不停地向外辐射红外线，不同物体辐射出来的红外线不同，采用 “ 红外夜视仪 ” 可以清楚地分辨出物体的形状、大小和位置，不受白天和夜晚的影响，即可确认出目标从而采取有效的行动，故选项 B 正确． 3 ． ( 多选 ) 关于能量量子化和光的粒子性，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．黑色的物体是黑体 B ．光电子不是光子，光电子本质上是电子 C ．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 D ．光子的质量是指它的相对论质量，俗称动质量，没有静止质量 答案　 BD 　 解析　 光电子本质上是电子，选项 B 正确．光子不可能静止，故其只有动质量而无静止质量，选项 D 正确． 4 ．二氧化碳能很好地吸收红外长波辐射，这种长波辐射的波长范围是 1.43×10 － 3 ～ 1.6×10 － 3 m ，相应的光子能量的范围是 __________ ，“温室效应” 使大气全年的平均温度升高，空气温度升高，从微观上看就是空气中分子的 __________.( 已知普朗克常量 h ＝ 6.6×10 － 34 J · s ，真空中的光速 c ＝ 3.0×10 8 m/s ，结果取两位有效数字 ) 答案　 1.2×10 － 22 ～ 1.4×10 － 22 J 　无规则运动 ( 或热运动 ) 更剧烈，或无规则运动 ( 或热运动 ) 的平均动能增大 5 ．“神光 Ⅱ” 装置是我国规模最大，国际上为数不多的大功率固体激光系统，利用它可获得能量为 2 400 J 、波长 λ 为 0.36 μm 的一束紫外激光，已知普朗克常量 h ＝ 6.63×10 － 34 J · s ，求该束紫外激光所含的光子数． ( 结果保留一位有效数字 ) 答案　 4×10 21 个