1、5.能量量子化能量量子化 学习目标学习目标：1.物理观念物理观念了解什么是热辐射及热辐射的特性了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射了解黑体与黑体辐射； 初步了解微观世界的量子化特征。初步了解微观世界的量子化特征。2.科学思维科学思维根据黑体辐射的实验规律，分析黑体根据黑体辐射的实验规律，分析黑体 辐射的强度与波长的关系辐射的强度与波长的关系。 3.科学探究科学探究由黑体辐射实验结论与光的电磁理论的矛盾由黑体辐射实验结论与光的电磁理论的矛盾， 探究能量子的概念建立的科学过程。探究能量子的概念建立的科学过程。4.科学态度与责任科学态度与责任由黑体辐射实验结论与光的由黑体辐射实验结论与
2、光的 电磁理论的矛盾，领会这一科学突破过程中科学家的思想。电磁理论的矛盾，领会这一科学突破过程中科学家的思想。 阅读本节教材，回答第阅读本节教材，回答第 124 页问题并梳理必要知识点。页问题并梳理必要知识点。 教材教材 P124问题提示问题提示：铁块温度升高铁块温度升高，辐射强度增大辐射强度增大，辐射出的电磁波的频率也在变辐射出的电磁波的频率也在变 化。化。 一、热辐射一、热辐射 1热辐射热辐射：一切物体都在辐射：一切物体都在辐射电磁波电磁波。 2热辐射规律热辐射规律：温度越高，热辐射中波长较：温度越高，热辐射中波长较短短的成分越强。的成分越强。 3黑体黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁
3、波而不发生：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射 反射的物体。的物体。 4黑体辐射黑体辐射：黑体向外辐射电磁波的现象。：黑体向外辐射电磁波的现象。 二、能量子二、能量子 1普朗克的能量子假设普朗克的能量子假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的的整数整数 倍倍，这个最小的能量值，这个最小的能量值叫作能量子。叫作能量子。 2能量子大小：能量子大小：h。 是电磁波的是电磁波的频率频率，h 是普朗克常量，是普朗克常量，h6.626 070 1510 34 Js。 3爱因斯坦光子假设爱因斯坦光子假设：光是由一个个不可分割的能量子组成，这些能
4、量子叫作光：光是由一个个不可分割的能量子组成，这些能量子叫作光 子，光子的能量子，光子的能量h。 三、能级三、能级 1定义：原子量子化的能量值。定义：原子量子化的能量值。 2原子处于能级最低的状态时最原子处于能级最低的状态时最稳定稳定，由高能级向低能级跃迁时放出，由高能级向低能级跃迁时放出光子光子。 3原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于两个能级之原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于两个能级之差差。 4原子光谱的谱线是一些分立的亮线。原子光谱的谱线是一些分立的亮线。 1思考判断思考判断(正确的打正确的打“”“”，错误的打，错误的打“”“”) (1)物体的温度越高，热辐射
5、的电磁波中波长越长的成分越强。物体的温度越高，热辐射的电磁波中波长越长的成分越强。() (2)黑体辐射的电磁波的强度按波长分布的规律只与温度有关。黑体辐射的电磁波的强度按波长分布的规律只与温度有关。() (3)普朗克量子假说认为微观粒子的能量是不连续的。普朗克量子假说认为微观粒子的能量是不连续的。() (4)原子的能量是不连续的。原子的能量是不连续的。() 2所谓黑体是指能全部吸收入射的电磁波而不发生反射的物体。显然，自然界不所谓黑体是指能全部吸收入射的电磁波而不发生反射的物体。显然，自然界不 存在真正的黑体存在真正的黑体，但许多物体在某些波段上可近似地看作黑体但许多物体在某些波段上可近似地看
6、作黑体。如图所示如图所示，用不透明的用不透明的 材料制成的带小孔的空腔，可近似地看作黑体。这是利用了材料制成的带小孔的空腔，可近似地看作黑体。这是利用了() A控制变量法控制变量法B比值法比值法 C类比法类比法D理想化方法理想化方法 D黑体实际上是一种物理模型黑体实际上是一种物理模型，把实际物体近似看作黑体把实际物体近似看作黑体，用到的自然是理想化用到的自然是理想化 方法，方法，D 对。对。 3已知某种单色光的波长为已知某种单色光的波长为，在真空中光速为，在真空中光速为 c，普朗克常量为，普朗克常量为 h，则电磁波辐，则电磁波辐 射的能量子射的能量子的值为的值为() Ahc Bh C c h
7、D以上均不正确以上均不正确 A由波速公式由波速公式 c，可得可得c ， ，由光的能量子公式由光的能量子公式h得得hc 。 。故故 A 正确正确。 对黑体和黑体辐射的理解对黑体和黑体辐射的理解 煤烟很接近黑体，其吸收率为煤烟很接近黑体，其吸收率为 99%，即投射到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收，即投射到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收， 把一定量的煤烟置于阳光下照射，问它的温度是否一直在上升？把一定量的煤烟置于阳光下照射，问它的温度是否一直在上升？ 提示提示：不会不会。煤烟吸收能量的同时还伴随着能量的辐射煤烟吸收能量的同时还伴随着能量的辐射，最终将趋于平衡最终将趋于平衡；温度不温度不 再升高。再升高。
8、 1对黑体的理解对黑体的理解 (1)绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果 在一个空腔壁上开一个小孔在一个空腔壁上开一个小孔， 那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸 收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。 (2)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 些可看作黑体的物体由于
9、有较强的辐射些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔如炼钢炉口上的小孔。一一 些发光的物体些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝如太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体来处理。也被当作黑体来处理。 2一般物体与黑体的比较一般物体与黑体的比较 热辐射特点热辐射特点吸收、反射特点吸收、反射特点 一般一般 物体物体 辐射电磁波的情况与温度有关，与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类及入射波长等因素有关 黑体黑体 辐射电磁波的强度按波长的
10、分布只辐射电磁波的强度按波长的分布只 与黑体的温度有关与黑体的温度有关 完全吸收各种入射电磁波，不反射完全吸收各种入射电磁波，不反射 3.黑体辐射的实验规律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。温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。 (2)随着温度的升高随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加；各种波长的辐射强度都有增加； 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。如图所示。辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。如图所示。 【例【例 1】(多选多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可
11、看作黑体，由小 孔的热辐射特性孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度就可以确定炉内的温度。如图所示如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光就是黑体的辐射强度与其辐射光 波长的关系图像，则下列说法正确的是波长的关系图像，则下列说法正确的是() AT1T2 BT1T2 C随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低随着温度的升高，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方向移动随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动 AD一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度(T)、辐射光的波长辐射光的波长、时间的时间的 长短和发射的面
12、积长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下而黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体全部吸收任何波长的辐射的物体，黑体黑体 辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关；实验表明实验表明，随着温度的升高随着温度的升高，各种波长各种波长 的辐射强度都有所增加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辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 从题图中可以看出从题图中可以看出， 1T2，选项，选项 A、D 正确。正确。 熟悉黑体辐射特点是解决问题的关键熟悉黑体辐射特点是解决问题的关键。随着温度的升高随着温度的升高，各种波长的辐射本领都在各
13、种波长的辐射本领都在 增加，当黑体温度升高时，辐射强度极大值向短波方向移动。增加，当黑体温度升高时，辐射强度极大值向短波方向移动。 跟进训练跟进训练 1关于对黑体的认识，下列说法正确的是关于对黑体的认识，下列说法正确的是() A黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，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，还与材料的种类及表面还与材料的种类及表面 状况有关状况有关 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， ，与材料的种类及表面状况与材料的
14、种类及表面状况 无关无关 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腔内表面经多次射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次 反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体 C黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，故选项黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，故选项 A 错误；黑体辐射电磁波的强错误；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，故选项度按波长的分布只与黑体的温度有关，故选项 B 错误，选项错误，选项 C 正确；小孔只吸收电磁正确；小孔只吸收电磁 波，不反射电磁波，因此是小孔成了一
15、个黑体，而不是空腔，故选项波，不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔，故选项 D 错误。错误。 能量子的理解和计算能量子的理解和计算 普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同？普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同？ 提示提示：宏观世界中我们认为能量是连续变化的宏观世界中我们认为能量是连续变化的，普朗克的能量子观点认为能量是一普朗克的能量子观点认为能量是一 份一份的，每一份是一个最小能量单位，即能量是不连续的。份一份的，每一份是一个最小能量单位，即能量是不连续的。 1能量的量子化能量的量子化 在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，
16、这种现象叫作能量的量子化在微观世界里，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。 2能量子观点与黑体辐射实验的比较能量子观点与黑体辐射实验的比较 普朗克能量子假设认为微观粒子的能量是量子化的普朗克能量子假设认为微观粒子的能量是量子化的， 或者说微观粒子的能量是分立或者说微观粒子的能量是分立 的的。借助于能量子的假说借助于能量子的假说，普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合与实验符合 得很好。得很好。 3对能量量子化的理解对能量量子化的理解 (1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态物体在发射或接收能量的时候，只能从某一
17、状态“飞跃飞跃”到另一状态，而不可到另一状态，而不可 能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。 (2)在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变 化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。 【例【例 2】人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为 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
18、，眼睛就能察觉。普朗克常量为个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为 6.6310 34 Js， 光速为光速为 3.0108m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是() A2.310 18 WB3.810 19 W C7.010 10 WD1.210 18 W A因每秒有因每秒有 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，所以察觉到绿光所接收的所以察觉到绿光所接收的 最小功率最小功率 PE t ，式中式中 E6，t1 s，又又hhc ， ，可解得可解得 P6 6.6310 34 3108 53010 9 1
19、 W2.310 18 W，故，故 A 正确。正确。 有关能量子问题的解题技巧有关能量子问题的解题技巧 (1)熟练掌握能量子的计算公式：熟练掌握能量子的计算公式：hhc 。 (2)把握宏观能量把握宏观能量 EPt 与微观能量子的关系：与微观能量子的关系：En。 (3)正确建立模型。正确建立模型。 跟进训练跟进训练 2(多选多选)以下宏观概念中，是以下宏观概念中，是“量子化量子化” ”的有的有() A物体的带电荷量物体的带电荷量B物体的质量物体的质量 C物体的动量物体的动量D学生的个数学生的个数 AD所谓所谓“量子化量子化”应该是不连续的，是一份一份的，故应该是不连续的，是一份一份的，故 A、D
20、正确。正确。 能级能级能级跃迁能级跃迁 玻尔认为玻尔认为，电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动，如氢原子中电子运动轨道如氢原子中电子运动轨道 的最小半径是的最小半径是 0.5310 10 m， 其他的轨道半径只能是其他的轨道半径只能是 2.1210 10 m、 4.7710 10 m 等等， 轨道半径不可能是介于这些值之间的中间值，经典物理学的观点是怎样的？轨道半径不可能是介于这些值之间的中间值，经典物理学的观点是怎样的？ 提示提示：根据经典理论根据经典理论，随着不断向外辐射能量随着不断向外辐射能量，电子的能量减少电子的能量减少，电子绕原子核运电子绕原子
21、核运 行的轨道半径连续地减小行的轨道半径连续地减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动就像绕地球运动 的人造地球卫星受到阻力作用不断损失能量后，要落到地面上的一样。的人造地球卫星受到阻力作用不断损失能量后，要落到地面上的一样。 1能量量子化能量量子化 (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。的，这样的状态也称之为定态。 (2)由于原子的可能状态由于原子的可能状态(定态定态)是不连续的是不连续的，具有的能量也是不
22、连续的具有的能量也是不连续的，这样的能量这样的能量 值，称为能级，量子数值，称为能级，量子数 n 越大，表示能级越高。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。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。 2跃迁：跃迁：原子从一种定态原子从一种定态(设能量为设能量为 E2)跃迁到另一种定态 跃迁到另一种定态(设能量为设能量为 E1)时，它辐时，它辐 射射(或吸收或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定。一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定。 【例【例 3】氢原子在轨道半径氢原子在轨道半径
23、r10.5310 10 m 运动时能量最低运动时能量最低，称为基态称为基态，能能量量 E113.6 eV。求氢原子处于基态时：。求氢原子处于基态时： (1)电子的动能；电子的动能； (2)原子的电势能。原子的电势能。 解析解析(1)设处于基态的氢原子核周围的电子速度为设处于基态的氢原子核周围的电子速度为 v1，则，则ke 2 r21 mv 2 1 r1 所以电子动能所以电子动能 Ek11 2mv 2 1ke 2 2r1 9109 1.610 19 2 20.5310 10 1.610 19 eV13.6 eV。 (2)因为因为 E1Ek1Ep1，所以，所以 Ep1E1Ek113.6 eV13.
24、6 eV27.2 eV。 答案答案(1)13.6 eV(2)27.2 eV 跟进训练跟进训练 3(多选多选)下列关于氢原子能级叙述中正确的是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原子内电子的轨道是不连续的 BD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按照经典物理学的观点，电子绕核运动有加
25、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很短时间内电子的能量就会消失， 与客观事实相矛盾与客观事实相矛盾， 由能级和能量子理论可知选项由能级和能量子理论可知选项 A、 C 错误，错误，B 正确；原子内电子轨道是不连续的，正确；原子内电子轨道是不连续的，D 正确。正确。 1对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是() A温度温度B材料材料 C表面状况表面状况D以上都正确以上都正确 A根据黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素知其只与温度有关，根据黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素知其只与温度有关，A 正确。正确。 2普朗克常量是自然界的一个基本常
26、数，它的数值是普朗克常量是自然界的一个基本常数，它的数值是() A6.0210 23 molB6.62510 3 mols C6.62610 34 JsD1.3810 16 mols C普朗克常量是一个定值普朗克常量是一个定值， 由实验测得它的精确数值为由实验测得它的精确数值为 6.62610 34 Js， 在记忆在记忆 时关键要注意它的单位。时关键要注意它的单位。 3下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图像中，符合黑体辐射实验规下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图像中，符合黑体辐射实验规 律的是律的是() ABCD A根据黑体辐射的实验规律根据黑体辐射的实验规律：随着温度的升高
27、随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加各种波长的辐射强度都增加，辐辐 射强度的极大值向波长较短的方向移动，故选项射强度的极大值向波长较短的方向移动，故选项 A 正确。正确。 4(多选多选)2006 年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇 宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。 他们的出色工作被誉他们的出色工作被誉 为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。 下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说下列与宇宙微波
28、背景辐射的黑体谱相关的说 法正确的是法正确的是() A微波是指波长在微波是指波长在 10 3 m 到到 10 m 之间的电磁波之间的电磁波 B微波和声波一样都只能在介质中传播微波和声波一样都只能在介质中传播 C黑体的热辐射实际上是电磁辐射黑体的热辐射实际上是电磁辐射 D普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说 ACD微波是一种电磁波微波是一种电磁波，它的波长在它的波长在 10 3 m10 m 之间之间，传播不需要介质传播不需要介质，A 正确正确，B 错误错误；由于分子和原子的热运动引起的一切物体不断向外辐射的电磁波又叫热由于分子和原子的热运动
29、引起的一切物体不断向外辐射的电磁波又叫热 辐射辐射， C 正确正确； 普朗克引入能量子假说建立的黑体辐射理论与实验符合非常好普朗克引入能量子假说建立的黑体辐射理论与实验符合非常好， D 正确正确。 5情境：情境：在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链， 在维持生态平衡方面发挥着重要作用在维持生态平衡方面发挥着重要作用，蛇是老鼠的天敌蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老它是通过接收热辐射来发现老 鼠的。假设老鼠的体温约鼠的。假设老鼠的体温约 37 ，它发出的最强的热辐射的波长为，它发出的最强的热辐射的波长为min。 问题：问题：若若min与辐射源的绝对温度与辐射源的绝对温度 T 的关系近似为的关系近似为 Tmin2.9010 3mK，则老鼠 ，则老鼠 发出的最强的热辐射的波长是多少？发出的最强的热辐射的波长是多少？ 解析解析由由 Tmin2.9010 3 mK 可得，老鼠发出最强的热辐射的波长为可得，老鼠发出最强的热辐射的波长为min 2.9010 3mK T 2.90 10 3 27337 m9.410 6 m。 答案答案9.410 6 m
