高中物理人教版 (2019)必修 第三册5 能量量子化导学案

第十三章 第5节　能量量子化

【学习目标】

1．了解黑体辐射及其研究的历史脉络，感悟以实验为基础的科学探究方法。

2．了解能量子的概念及其提出的过程，领会这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想。

3．了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子理论的建立极大地丰富和深化了人们对于物质世界的认识。

【知识梳理】

一、热辐射

1．热辐射：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与温度有关。

2．热辐射规律：温度越高，热辐射中波长较短的成分越强。

3．黑体：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。

4．黑体辐射：黑体向外辐射电磁波的现象。

(1)绝对的黑体实际上是不存在的，是一种理想化模型。

(2)黑体不一定是黑的，黑体不会反射外来的电磁波，但是可以向外辐射自身的电磁波(包含可见光)，如炼钢炉口上的小孔、一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)都被当作黑体来处理。

(3)辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关

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，各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

5．一般材料物体除了热辐射，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。所以辐射电磁波的情况不仅与温度有关，也与材料的种类及表面状况有关。

二、能量子

1．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ε的整数倍，这个最小的能量值ε叫作能量子。

2．能量子大小：ε＝hν。

ν是电磁波的频率，h是普朗克常量，h＝6.626 070 15×10－34 J·s。

(在电工学和电子技术中，频率常用f表示，而在研究微观世界的物理学中，频率常用希腊字母ν表示)

3．爱因斯坦光子假设：光(电磁波)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ε＝hν。

三、能级

1．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稳定，称为基态；处于较高能级状态时，称为激发态。

3．原子由高能级向低能级跃迁时放出光子。光子的能量等于两个能级之差，hν＝Em－En

4．原子光谱的谱线是一些分立的亮线。

▲判一判

(1)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。 (√)

(3)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。 (√)

【学习过程】

任务一：对热辐射以及黑体的理解

[例1]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

B．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，与材料的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，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

C　[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度按波长的分布只与黑体的温度有关，故选项B错误，选项C正确；小孔只吸收电磁波，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。]

[变式训练1-1]近年来军事行动中，士兵都配戴“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．红外线属于可见光

B　[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。故只有B正确。]

任务二：对能量子的理解

[例2]已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为(　　)

A．h　　　B．  C．　　D．以上均不正确

A　[由波速公式c＝λν，可得ν＝，由光的能量子公式ε＝hν得ε＝h。故选A。]

[变式训练2-1] (多选)关于对能量子的认识，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

BC　[由普朗克能量子假说可知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，A错误，B正确；最小能量值ε＝hν，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。]

任务三：对能级及能级跃迁的理解

[例3]氢原子基态的能量为E1＝－13.6 eV。大量氢原子处于某一激发态。由这些氢原子可能发出的所有的光子中，频率最大的光子能量为－0.96E1，在原子所在激发态能量为________eV(保留2位有效数字)。

解析　频率最大的光子能量为－0.96E1，即En－(－13.6 eV)＝－0.96×(－13.6 eV)，解得En＝－0.54 eV。

答案　－0.54

[变式训练3-1]氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常量为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则(　　)

A．吸收光子的能量为hν1＋hν2

B．辐射光子的能量为hν1＋hν2

C．吸收光子的能量为hν2－hν1

D．辐射光子的能量为hν2－hν1

解析　由题意可知：Em－En＝hν1，Ek－En＝hν2。因为紫光的频率大于红光的频率，所以ν2>ν1，即k能级的能量大于m能级的能量，氢原子从能级k跃迁到能级m时向外辐射能量，其值为Ek－Em＝hν2－hν1，故只有D项正确。

答案　D