1、第十三章第十三章 电磁感应与电磁波初步电磁感应与电磁波初步 学学 习习 目目 标标 1.结合生活经验和已经学过的知识结合生活经验和已经学过的知识,认识热辐射、黑体和黑体辐认识热辐射、黑体和黑体辐 射射,能说出一般物体热辐射和黑体辐射的特点能说出一般物体热辐射和黑体辐射的特点,感悟以实验为基感悟以实验为基 础的科学探究方法础的科学探究方法. 2.通过对黑体辐射实验规律与经典电磁理论的矛盾的分析通过对黑体辐射实验规律与经典电磁理论的矛盾的分析,了解了解 普朗克的能量子假设的时代背景普朗克的能量子假设的时代背景,知道普朗克提出的能量子假设知道普朗克提出的能量子假设 的基本内容的基本内容;了解爱因斯坦
2、的光子说了解爱因斯坦的光子说,体会微观粒子与宏观物体体会微观粒子与宏观物体 遵循不同的规律遵循不同的规律,培养质疑问题的能力培养质疑问题的能力. 3.通过对原子的发射光谱的分析通过对原子的发射光谱的分析,了解原子的能量是量子化的了解原子的能量是量子化的,知知 道什么是能级和能级跃迁道什么是能级和能级跃迁,了解原子发光的原理了解原子发光的原理. 5 能量量子化能量量子化 知识点一知识点一 热辐射热辐射 1.热辐射热辐射:周围的一切物体都在辐射周围的一切物体都在辐射 ,这种辐射与这种辐射与 物体的物体的 有关有关,所以叫作热辐射所以叫作热辐射. 电磁波电磁波 温度温度 2.我们周围的物体都在进行热
3、辐射我们周围的物体都在进行热辐射.为什么我们的眼睛只能为什么我们的眼睛只能 观察到部分物体的热辐射观察到部分物体的热辐射?热辐射强度与什么因素有关热辐射强度与什么因素有关? 答案答案:温度不同的物体辐射的电磁波的波长不同温度不同的物体辐射的电磁波的波长不同,波长较长波长较长 的电磁波不能引起人的视觉的电磁波不能引起人的视觉,波长在一定范围内的电磁波波长在一定范围内的电磁波 才能引起人的视觉才能引起人的视觉.热辐射强度按波长分布情况随物体的热辐射强度按波长分布情况随物体的 温度不同而有所不同温度不同而有所不同. 3.什么是黑体什么是黑体?黑体能反射或辐射电磁波吗黑体能反射或辐射电磁波吗? 答案答
4、案:如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁 波而不发生反射波而不发生反射,这种物体就是黑体这种物体就是黑体.黑体不能反射电磁波黑体不能反射电磁波, 但是可以向外辐射电磁波但是可以向外辐射电磁波. 4.煤烟煤烟(如图如图)很接近黑体很接近黑体,其吸收率为其吸收率为99%,即投射即投射 到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收.一定量的煤一定量的煤 烟在阳光下照射烟在阳光下照射,它的温度是否会一直上升它的温度是否会一直上升(不考不考 虑与空气的热交换虑与空气的热交换)? 答案答案:不会不会.煤烟吸收能量的同时还伴随着能量的辐射煤
5、烟吸收能量的同时还伴随着能量的辐射,最终最终 将趋于平衡将趋于平衡,之后温度不再升高之后温度不再升高. 知识点二知识点二 能量子能量子 1. 做出了这样的大胆假设做出了这样的大胆假设:振动着的带电微粒的能量振动着的带电微粒的能量 只能是某一最小能量值只能是某一最小能量值的的 ,如如、2、3这个不这个不 可再分的可再分的 叫作能量子叫作能量子. 2.能量子的大小为能量子的大小为=h,其中其中是电磁波的是电磁波的 ,h是普朗克是普朗克 常量常量,其值为其值为h= . 3.爱因斯坦把能量子假设进行了推广爱因斯坦把能量子假设进行了推广,他认为电磁场本身就是他认为电磁场本身就是 不连续的不连续的,也就是
6、说也就是说,光本身就是由一个个不可分割的能量子光本身就是由一个个不可分割的能量子 组成的组成的, 频率为频率为的光的能量子为的光的能量子为 ,这些能量子后来被叫这些能量子后来被叫 作作 . 普朗克普朗克 整数倍整数倍 最小能量值最小能量值 频率频率 6.626 070 1510-34 J s h 光子光子 知识点三知识点三 能级能级 1.普朗克的能量子假设普朗克的能量子假设,在原子系统中是怎么体现的在原子系统中是怎么体现的?什么什么 叫能级叫能级? 答案答案:原子的能量是量子化的原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作这些量子化的能量值叫作 能级能级,不同的能级能量值不同不同的能级能量值不
7、同. 2.下图是原子的发射光谱下图是原子的发射光谱,原子的发射光谱只有一些分原子的发射光谱只有一些分 立的亮线立的亮线,如何用能级概念解释如何用能级概念解释? 答案答案:原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量,等等 于前后两个能级之差于前后两个能级之差.由于原子的能级是分立的由于原子的能级是分立的,所以放出所以放出 的光子的能量也是分立的的光子的能量也是分立的,因此原子的发射光谱只有一些分因此原子的发射光谱只有一些分 立的亮线立的亮线. 小试身手小试身手 判断下列说法的正误并和同学交流判断下列说法的正误并和同学交流( (正确的打“正确的打“”, ,
8、错误错误 的打“的打“”).”). 1.只有高温物体能发生热辐射只有高温物体能发生热辐射.( ) 2.能完全吸收各种入射的电磁波而不反射电磁波的物体叫黑能完全吸收各种入射的电磁波而不反射电磁波的物体叫黑 体体.( ) 3.温度越高温度越高,黑体辐射电磁波的强度越弱黑体辐射电磁波的强度越弱.( ) 4.微观粒子的能量只能是能量子的整数倍微观粒子的能量只能是能量子的整数倍.( ) 5.能量子的能量是任意的能量子的能量是任意的,其大小与电磁波的频率无关其大小与电磁波的频率无关.( ) 6.氢原子的能级是连续的氢原子的能级是连续的.( ) 探究探究一一 热辐射热辐射 问题情境问题情境 1.把铁块投进火
9、炉中把铁块投进火炉中,刚开始铁块只发热不发光刚开始铁块只发热不发光,随着温度随着温度 的升高的升高,铁块会慢慢变红铁块会慢慢变红,开始发光开始发光,如图所示如图所示.不同温度的铁不同温度的铁 块块,为什么颜色不同为什么颜色不同?不同温度的铁块热辐射的强度相同吗不同温度的铁块热辐射的强度相同吗? 这些事实说明了什么这些事实说明了什么? 答案答案:铁块的温度升高铁块的温度升高,热辐射中波长较短的成分越来越强热辐射中波长较短的成分越来越强, 所以铁块的颜色发生变化所以铁块的颜色发生变化;铁块的温度不同铁块的温度不同,热辐射的强度热辐射的强度 不同不同;这说明热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度这说
10、明热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度 而有所不同而有所不同. 2.研究物体的热辐射的规律研究物体的热辐射的规律,为什么要研究黑体辐射为什么要研究黑体辐射? 答案答案:一般材料的物体一般材料的物体,会反射电磁波会反射电磁波,其辐射电磁波的情况与其辐射电磁波的情况与 温度和材料的种类及表面状况有关温度和材料的种类及表面状况有关,而黑体辐射电磁波的强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度按波长的分布只与黑体的温度有关. 3.黑体看上去一定是黑色的吗黑体看上去一定是黑色的吗?黑体在现实生活中是否存在黑体在现实生活中是否存在? 答案答案:黑体看上去不一定是黑色的黑体看上去不一定是黑
11、色的.黑体是一个理想模型黑体是一个理想模型.现实现实 中并不存在绝对黑体中并不存在绝对黑体. 过程建构过程建构 1.对热辐射的理解对热辐射的理解. (1)在任何温度下在任何温度下,任何物体都会辐射电磁波任何物体都会辐射电磁波,只是温度低只是温度低 时辐射弱时辐射弱,温度高时辐射强温度高时辐射强,其辐射强度按波长的分布情其辐射强度按波长的分布情 况随物体的温度而有所不同况随物体的温度而有所不同,这是热辐射的一种特性这是热辐射的一种特性. (2)在相同温度下在相同温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同物体所辐射的光谱成分有显著的 不同不同. 2.一般物体与黑体的比较一般物体与黑体的比较. 比
12、较项比较项 热辐射特点热辐射特点 吸收或反射电磁波的特点吸收或反射电磁波的特点 一般一般 物体物体 辐射电磁波的强度按波长辐射电磁波的强度按波长 的分布与它的温度、材料的分布与它的温度、材料 的种类及表面状况有关的种类及表面状况有关 既能吸收也能反射电磁波既能吸收也能反射电磁波,吸吸 收或反射电磁波的情况与物体收或反射电磁波的情况与物体 的材料的种类及入射波长等因的材料的种类及入射波长等因 素有关素有关 黑体黑体 辐射电磁波的强度按波长辐射电磁波的强度按波长 的分布只与黑体的温度有的分布只与黑体的温度有 关关 完全吸收各种入射电磁波完全吸收各种入射电磁波,不不 反射电磁波反射电磁波 【典例【典
13、例1】关于对黑体的认识】关于对黑体的认识,下列说法正确的是下列说法正确的是 ( ) A.黑体只吸收电磁波黑体只吸收电磁波,不反射电磁波不反射电磁波,看上去是黑的看上去是黑的 B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外,还与材还与材 料的种类及表面状况有关料的种类及表面状况有关 C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,与材料的与材料的 种类及表面状况无关种类及表面状况无关 D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔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射入小孔的电磁波在空 腔内表
14、面会发生多次反射和吸收腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从小孔射出最终不能从小孔射出,这个带这个带 小孔的空腔就可以近似为一个黑体小孔的空腔就可以近似为一个黑体 解析解析:黑体自身能辐射电磁波黑体自身能辐射电磁波,黑体不一定是黑的黑体不一定是黑的,选项选项A 错误错误;黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温 度有关度有关,选项选项B错误错误,选项选项C正确正确;带小孔的空腔只吸收电磁带小孔的空腔只吸收电磁 波波,不反射电磁波不反射电磁波,因此带小孔的空腔可以近似为一个黑因此带小孔的空腔可以近似为一个黑 体体,选项选项D正确正确. 答案答案:
15、CD 探究探究二二 能量子和能级能量子和能级 问题情境问题情境 1.某激光器能发射波长为某激光器能发射波长为的激光的激光.激光光量子的能量可以取激光光量子的能量可以取 任意值吗任意值吗?为什么为什么? 答案答案:不可以取任意值不可以取任意值.因为光量子的能量不是连续的因为光量子的能量不是连续的,而是而是 一份一份的一份一份的. 2.普朗克常量为普朗克常量为h,每个波长为每个波长为的激光光量子的能量是多少的激光光量子的能量是多少? 真空中的光速为真空中的光速为c,如果激光发射功率为如果激光发射功率为P,那么每秒发射多少那么每秒发射多少 个光量子个光量子? 答案答案:每个激光光量子的能量每个激光光
16、量子的能量E=h=h ,每秒发射光量子的 每秒发射光量子的 个数个数n= = . 3.原子由高能量状态跃迁到低能量状态时原子由高能量状态跃迁到低能量状态时,释放出的光子的释放出的光子的 频率可以是任意值吗频率可以是任意值吗? 答案答案:不可以不可以.因为各能级是分立的因为各能级是分立的,放出的光子的能量也是放出的光子的能量也是 分立的分立的,由由E=h可知可知,原子跃迁时释放出的光子的频率也是原子跃迁时释放出的光子的频率也是 一系列分立的值一系列分立的值. 过程建构过程建构 1.在宏观尺度内研究物体的运动时在宏观尺度内研究物体的运动时,物体的运动是连续的物体的运动是连续的,能量能量 变化是连续
17、的变化是连续的,不必考虑量子化不必考虑量子化;在研究微观粒子时在研究微观粒子时,必须考虑必须考虑 能量量子化能量量子化. 2.通常情况下通常情况下,原子处于能量最低的状态原子处于能量最低的状态,这是最稳定的这是最稳定的.当原当原 子处于较高的能量状态时子处于较高的能量状态时,原子是不稳定的原子是不稳定的,原子会自发地向原子会自发地向 能量较低的能级跃迁能量较低的能级跃迁,放出光子放出光子. 3.原子从能量较高的能级原子从能量较高的能级(其能量记为其能量记为Em)跃迁到能量较低的跃迁到能量较低的 能级能级(其能量记为其能量记为En,mn)时时,会放出能量为会放出能量为h的光子的光子,该光子该光子
18、 的能量的能量h=Em-En,能级差越大能级差越大,放出光子的频率就越高放出光子的频率就越高. 【典例【典例2】人眼对绿光较为敏感】人眼对绿光较为敏感,正常人的眼睛接收波长为正常人的眼睛接收波长为 530 nm的绿光时的绿光时,只要每秒有只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔个绿光的光子射入瞳孔,眼睛眼睛 就能察觉就能察觉.普朗克常量为普朗克常量为6.6310-34 J s,光速为光速为3.0108 m/s, 则人眼能察觉到绿光时所接收的最小功率约是则人眼能察觉到绿光时所接收的最小功率约是 ( ) A.2.310-18 W B.3.810-19 W C.7.010-10 W D.1.210-18 W
19、 解析解析:因为只要每秒有因为只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉眼睛就能察觉. 察觉到绿光时所接收的最小功率察觉到绿光时所接收的最小功率P= ,式中式中E=6,=h=h ,联立 联立 各式可解得各式可解得P=2.310-18 W. 答案答案:A 课堂评价课堂评价 答案答案:BCD 1.(多选多选)关于热辐射关于热辐射,下列说法正确的是下列说法正确的是 ( ) A.物体在室温时物体在室温时,热辐射的主要成分是波长较短的电磁波热辐射的主要成分是波长较短的电磁波 B.随着温度的升高随着温度的升高,热辐射中波长较短的成分越来越强热辐射中波长较短的成分越来越强 C.给一块
20、铁加热给一块铁加热,铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色 D.辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同,这这 是热辐射的一种特性是热辐射的一种特性 答案答案:BC 2.(多选多选)关于对普朗克的能量子假设的认识关于对普朗克的能量子假设的认识,下列说法正确下列说法正确 的是的是( ) A.振动着的带电微粒的能量可以是任意的值振动着的带电微粒的能量可以是任意的值 B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的 整数倍整数倍 C.能量子与电磁波的频率成正比能量子与电磁
21、波的频率成正比 D.这一假说与现实世界相矛盾这一假说与现实世界相矛盾,因而是错误的因而是错误的 3.很多地方用红外线热像仪监测人的体温很多地方用红外线热像仪监测人的体温,只要被测者从只要被测者从 仪器前走仪器前走,便可知道他的体温是多少便可知道他的体温是多少.关于红外线热像仪的关于红外线热像仪的 原理原理,下列说法正确的是下列说法正确的是 ( ) A.人的体温会影响周围空气温度人的体温会影响周围空气温度,仪器通过测量空气温度仪器通过测量空气温度 便可知道人的体温便可知道人的体温 B.仪器发出的红外线遇人反射仪器发出的红外线遇人反射,反射情况与被测者的温度反射情况与被测者的温度 有关有关 C.被
22、测者会辐射红外线被测者会辐射红外线,辐射强度按波长的分布情况与温辐射强度按波长的分布情况与温 度有关度有关,温度高时辐射强且波长较短的成分强温度高时辐射强且波长较短的成分强 D.被测者会辐射红外线被测者会辐射红外线,辐射强度按波长的分布情况与温辐射强度按波长的分布情况与温 度有关度有关,温度高时辐射强且波长较长的成分强温度高时辐射强且波长较长的成分强 答案答案:C 4.两束能量相同的色光两束能量相同的色光,都垂直射到物体表面都垂直射到物体表面,第一束光在第一束光在 某段时间内打到物体表面的光子数与第二束光在相同时某段时间内打到物体表面的光子数与第二束光在相同时 间内打到物体表面的光子数之比为间
23、内打到物体表面的光子数之比为54,则这两束光的光则这两束光的光 子能量和波长之比分别为子能量和波长之比分别为 ( ) A.45 45 B.54 45 C.54 54 D.45 54 答案答案:D 5.氦氖激光器发出波长为氦氖激光器发出波长为633 nm的激光的激光,当激光器的输出当激光器的输出 功率为功率为1 mW时时,普朗克常量为普朗克常量为6.6310-34 J s,每秒发出的每秒发出的 光子数为光子数为 ( ) A.2.21015个个 B.3.21015个个 C.2.21014个个 D.3.21014个个 答案答案:B 解析解析:一个光子的能量一个光子的能量=h= ,当激光器输出功率为当激光器输出功率为1 mW 时时,每秒发出的光子数为每秒发出的光子数为N= = ,t=1 s,代入数据得代入数据得N= 3.21015个个,选项选项B正确正确.
