高中物理人教版 (2019)必修 第三册5 能量量子化多媒体教学ppt课件

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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。(科学探究)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。(科学思维)3.了解宏观物体和微观粒子的能量变化的特点,体会量子理论的建立极大丰富和深化了人们对物质世界的认识。(科学态度与责任)
【必备知识】一、热辐射想一想红外体温计具有方便快捷的特点,那么,这种体温计是根据什么制成的呢?提示 将被测物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号。红外线辐射能量的大小与物体本身的温度是相关联的,根据转变成电信号大小,就可以确定物体的温度。
1.热辐射:我们周围的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫热辐射。2.辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。当温度升高时,热辐射中波长较短的成分越来越强。3.除了热辐射外,物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。4.黑体: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,这种物体就叫作黑体。黑体虽然不反射电磁波,但是可以向外辐射电磁波。黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关。
二、能量子1.定义:普朗克认为,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或2ε、3ε……这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。2.能量子大小:ε= hν ,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。3.能量的量子化:普朗克的假设认为,微观粒子的能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是不连续(分立)的。4.光子:光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,h是普朗克常量,这些能量子叫光子。
三、能级1.微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统,原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作能级。通常情况下,原子处于能量最低的状态,这是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击,有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出光子。2.原子由高能态向低能态跃迁时放出光子的能量,等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的,所以放出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立的亮线。
【自我检测】1.正误判断,判断结果为错误的小题说明原因。(1)温度较低的物体不能辐射红外线。(　　)答案 ×解析 我们周围的一切物体都能进行辐射。(2)黑体一定是黑色的。(　　)答案 ×解析 黑体是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。
(3)温度越高,热辐射中波长较长的成分越强。(　　)答案 ×解析 一切物体都在辐射电磁波,温度越高,热辐射中波长较短的成分越强。(4)当原子从能量较高的能级跃迁到能量较低的能级时,会放出任意能量的光子。(　　)答案 ×解析 当原子从能量较高的能级跃迁到能量较低的能级时,放出光子的能量等于前后两个能级之差。
2.光子的能量与其(　　)A.频率成正比　　　　B.波长成正比C.速度成正比D.速度平方成正比答案 A解析 根据光子的能量的公式 ,可知光子的能量与其频率成正比,与波长成反比,与速度无关,故A正确。
【情境导引】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,把一定量的煤烟置于阳光下照射,它的温度是否一直在上升?要点提示 不会,因为随着能量不断吸收,还伴随着能量的辐射,最终将趋于平衡。
【知识归纳】1.黑体实际上是不存在的,只是一种理想情况。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。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也有时被看作黑体来处理。3.黑体同其他物体一样也在辐射电磁波,黑体的辐射规律最为简单,黑体辐射强度只与温度有关。
4.一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点。热辐射不一定需要高温,任何温度都能发生热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。在一定温度下,不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。
【典例示范】例1某军事演习中,士兵佩戴着“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,故B正确。
变式训练1(多选)下列叙述正确的是(　　)A.一切物体都在辐射电磁波B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波答案 ACD解析 根据热辐射定义知A正确;根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料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温度有关,B错误,C正确;根据黑体的定义知D正确。
【情境导引】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?要点提示 宏观世界中我们认为能量是连续变化的,普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的,每一份是一个最小能量单位,即能量不是连续的。宏观世界中我们认为能量是连续变化的是因为每一个能量子的能量都很小,宏观变化中有大量的能量子,就可以看作连续的。而研究微观粒子时,单个的能量子能量就显示出不连续性。
【知识归纳】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最小能量值ε的整数倍。例如,可能是ε或2ε、3ε……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一份一份地辐射或吸收,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)能量子公式:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。h=6.626 070 15×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。(3)能量量子化:在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫能量量子化。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,能量变化是连续的,不必考虑量子化;在研究微观粒子时必须考虑量子化。
【典例示范】例2光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400~700 nm,求400 nm、700 nm的电磁辐射的能量子的值是多少?答案 4.97×10-19 J　2.84×10-19 J解析 根据公式c=λν和ε=hν
变式训练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εB.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.能量子假说与现实世界相矛盾,因而是错误的答案 BC解析 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。
【情境导引】玻尔认为,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的最小半径是0.53×10-10 m,其他的轨道半径只能是2.12×10-10 m、4.77×10-10 m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?
要点提示 根据经典理论,随着不断向外辐射能量,电子的能量减少,电子绕原子核运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。
【知识归纳】1.能级:微观世界的能量取分立值的观念也适用于原子系统,原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作能级。2.原子处于能量最低的状态是最稳定的。3.原子获得能量有可能跃迁到较高的能量状态,这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁。4.原子从高能级向低能级跃迁放出的光子的能量等于前后两个能级之差,原子从低能级跃迁到高能级吸收光子的能量也等于前后两个能级之差。5.由于原子的能级是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
【典例示范】例3一个氢原子从高能级跃迁到低能级,该氢原子(　　)A.放出光子,能量增加B.放出光子,能量减少C.吸收光子,能量增加D.吸收光子,能量减少答案 B解析 氢原子能级越高对应的能量越大,当氢原子从较高能级向较低能级跃迁时放出光子,能量减少,B正确,A、C、D错误。
变式训练3下列叙述正确的是(　　)A.原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差B.原子处于能级最高的状态时是最稳定的C.气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击只会跃迁到较低的能量状态D.原子的发射光谱是一些连续的亮线
答案 A解析 原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作能级,原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量,等于前后两个能级之差,选项A正确;通常情况下,原子处于能级最低的状态,这是最稳定的,选项B错误;气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击,有可能跃迁到较高的能量状态,这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁放出光子,选项C错误;由于原子的等级是分立的,所以放出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立的亮线,选项D错误。
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.一般温度越高,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,且一般温度越高,辐射的电磁波越强,A错误、B正确;选项C是黑体辐射的特性,C错误;常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色,D错误。