人教版高中物理新教材同步講義 必修第三冊 第13章　5　能量量子化（含解析）

5能量量子化[學習目標]1.了解熱輻射和黑體的概念.2.初步了解微觀世界的量子化特征，知道普朗克常量.3.了解原子的能級結構．一、熱輻射1．概念：一切物體都在輻射電磁波，且這種輻射與物體的溫度有關，所以叫熱輻射．2．特點：溫度升高時，熱輻射中波長較短的成分越來越強．3．黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射．二、能量子1．概念：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數倍，這個最小的能量值ε叫能量子．2．大?。害牛絟ν，其中h＝6.63×10－34J·s.3．愛因斯坦光子說：光是由一個個不可分割的能量子組成，能量大小為hν，光的能量子稱為光子．三、能級1．原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能級．2．原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出光子，光子的能量等于前后兩個能級之差．判斷下列說法的正誤．(1)紅外線的顯著作用是熱作用，溫度較低的物體不能輻射紅外線．(×)(2)黑體一定是黑色的．(×)(3)熱輻射只能產生于高溫物體．(×)(4)當原子從能量較高的能態(tài)躍遷到能量較低的能態(tài)時，會放出任意能量的光子．(×)一、熱輻射和黑體輻射1．黑體實際上是不存在的，只是一種理想情況．2．黑體不一定是黑的，只有當自身輻射的可見光非常微弱時看上去才是黑的；有些可看成黑體的物體由于有較強的輻射，看起來還會很明亮，如煉鋼爐口上的小孔．3．黑體同其他物體一樣也在輻射電磁波，黑體的輻射規(guī)律最為簡單，黑體輻射強度只與溫度有關．4．一般物體和黑體的熱輻射、反射、吸收的特點熱輻射不一定需要高溫，任何溫度都能發(fā)生熱輻射，只是溫度低時輻射弱，溫度高時輻射強．在一定溫度下，不同物體所輻射的光譜的成分有顯著不同．熱輻射特點吸收、反射的特點一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關，與材料的種類、表面狀況有關既吸收又反射，其能力與材料的種類及入射波的波長等因素有關黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關完全吸收各種入射電磁波，不反射例1(多選)下列敘述正確的是()A．一切物體都在輻射電磁波B．一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關D．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波答案ACD解析根據熱輻射定義知，A正確；根據熱輻射和黑體輻射的特點知，一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料的種類、表面狀況有關，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關，B錯誤，C正確；根據黑體定義知，D正確．例2(多選)關于對黑體的認識，下列說法正確的是()A．黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的B．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關D．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個空腔就成了一個黑體答案BD解析黑體能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射，這樣的物體稱為黑體，但不一定是黑色的，故A錯誤；黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與材料種類及表面狀況無關，故C錯誤，B正確；如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，就相當于吸收了所有電磁波，因此空腔成了一個黑體，故D正確．二、能量子1．普朗克的能量子概念(1)能量子：普朗克認為微觀世界中帶電粒子的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小能量值的整數倍，當帶電粒子輻射或吸收能量時，也只能以這個最小能量值為單位一份一份地吸收或輻射，這樣的一份最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν，其中h叫作普朗克常量，實驗測得h＝6.63×10－34J·s，ν為電磁波的頻率．(2)能量的量子化：在微觀世界中能量不能連續(xù)變化，只能取分立值，這種現象叫作能量的量子化．量子化的基本特征就是在某一范圍內取值是不連續(xù)的．2．愛因斯坦的光子說光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，這些能量子被稱為光子．頻率為ν的光子的能量為ε＝hν.例3(多選)(2021·江蘇南通中學期中)對于帶電微粒在輻射和吸收能量時的特點，以下說法正確的是()A．以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸收B．輻射和吸收的能量是某一最小值的整數倍C．吸收的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸收的能量是量子化的答案ABD解析根據普朗克能量子假說，帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍，能量的輻射、吸收要一份份地進行，故選A、B、D.例4(多選)(2021·西安一中月考)某光源放出波長為500～600nm的各種光子，若已知該光A．2.0×1015 B．3.0×1015C．2.6×1015 D．1.5×1015答案BC解析每秒內該光源發(fā)光的能量E光源＝Pt＝1×10－3J，而波長為λ的光子的能量為E光子＝eq\f(hc,λ)，則每秒鐘發(fā)射的光子數為n＝eq\f(E光源,E光子)＝eq\f(E光源λ,hc)，代入數值，得2.5×1015<n≤3.0×1015，故選B、C.三、能級1．能級原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級．2．能級之間的躍遷處于低能級的原子受到高速運動的電子的撞擊，有可能躍遷到較高的能量狀態(tài)，處于高能級的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地向能量較低的能級躍遷，放出光子．拓展延伸①能級越低，原子越穩(wěn)定．②除受到高速運動的電子的撞擊外，當吸收一定大小的光子的能量(等于躍遷前后的兩能級之差)時，原子也能躍遷到高能級．3．原子的發(fā)射光譜(1)光譜特征如圖所示是氦原子的光譜，原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線．(2)光譜分立的原因原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差，因為原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的．例5(多選)下列說法正確的是()A．原子的能量是連續(xù)的，原子的能量從某一能量值變?yōu)榱硪荒芰恐担梢赃B續(xù)變化B．原子從低能級向高能級躍遷時放出光子C．原子從高能級向低能級躍遷時放出光子，且光子的能量等于前后兩個能級之差D．由于能級的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線答案CD解析原子的能量是量子化的，原子從高能級向低能級躍遷時向外放出光子．光子的能量hν＝E初－E末，由于原子的能級是分立的，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線，故C、D正確．針對訓練(多選)關于原子的能級躍遷，下列說法正確的是()A．原子從低能級躍遷到高能級要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末兩個能級的能量差B．原子不能從低能級向高能級躍遷C．原子吸收光子后從低能級向高能級躍遷，放出光子后從較高能級躍遷到較低能級D．原子躍遷時無論是吸收光子還是放出光子，光子的能量都等于始、末兩個能級的能量差的絕對值答案CD考點一熱輻射和黑體輻射1．黑體輻射電磁波的波長分布的影響因素是()A．溫度 B．材料C．表面狀況 D．以上都正確答案A解析黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關，故選項A正確，B、C、D錯誤．2．關于熱輻射的認識，下列說法正確的是()A．熱的物體向外輻射電磁波，冷的物體只吸收電磁波B．溫度越高，物體輻射的電磁波越強C．輻射強度按波長的分布情況只與物體的溫度有關，與材料種類及表面狀況無關D．常溫下我們看到的物體的顏色就是物體輻射電磁波的顏色答案B解析一切物體都不停地向外輻射電磁波，且溫度越高，輻射的電磁波越強，A錯誤，B正確；選項C是黑體輻射的特性，C錯誤；除光源外，常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色，D錯誤．3．(多選)下列說法正確的是()A．物體在某一溫度下只能輻射某一固定波長的電磁波B．當鐵塊呈現黑色時，說明它的溫度不太高C．當鐵塊的溫度較高時會呈現赤紅色，說明此時輻射的電磁波中該顏色的光強度最強D．早、晚時分太陽呈現紅色，而中午時分呈現白色，說明中午時分太陽溫度最高答案BC解析物體在某一溫度下能輻射不同波長的電磁波，A錯誤；鐵塊呈現黑色，是由于它的輻射強度的極大值對應的波長段在紅外部分，甚至波長更長，說明它的溫度不太高，當鐵塊的溫度較高時鐵塊呈現赤紅色，說明此時輻射的電磁波中該顏色的光強度最強，故B、C正確；太陽早、晚時分呈現紅色，而中午時分呈現白色，是大氣吸收與反射了部分光的原因，不能說明中午時分太陽溫度最高，D錯誤．考點二能量子4．普朗克在1900年將“能量子”引入物理學，開創(chuàng)了物理學的新紀元．在下列宏觀概念中，具有“量子化”特征的是()A．人的個數 B．物體所受的重力C．物體的動能 D．物體的長度答案A解析依據普朗克量子化觀點，能量是不連續(xù)的，是一份一份地變化的，屬于“不連續(xù)的，一份一份”的概念的是A選項，故A正確，B、C、D錯誤．5．下列有關光子的說法不正確的是()A．在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個光子B．光子是具有質量、能量和體積的實物微粒C．光子的能量跟它的頻率有關D．紫光光子的能量比紅光光子的能量大答案B解析光是在空間傳播的電磁波，是不連續(xù)的，是一份一份的能量，每一份叫作一個光子，A正確；光子沒有靜止質量，也沒有具體的體積，B錯誤；根據E＝hν可知光子的能量與光子的頻率有關，紫光的頻率大于紅光的頻率，所以紫光光子的能量比紅光光子的能量大，C、D正確．6．(多選)(2021·重慶一中期中)下列說法正確的是()A．微觀粒子的能量變化是跳躍式的B．能量子與電磁波的頻率成正比C．紅光的能量子比綠光的大D．電磁波波長越長，其能量子越大答案AB解析微觀粒子的能量變化是跳躍式的，選項A正確；由ε＝hν可知，能量子與電磁波的頻率成正比，選項B正確；紅光的頻率比綠光的小，由ε＝hν可知，紅光的能量子比綠光的小，選項C錯誤；電磁波波長越長，其頻率越小，能量子越小，選項D錯誤．7．(2021·湖北武昌實驗中學期中)某激光器能發(fā)射波長為λ的激光，發(fā)射功率為P，c表示光速，h為普朗克常量，則激光器每秒發(fā)射的光子數為()A.eq\f(λP,hc)B.eq\f(hP,λc)C.eq\f(cPλ,h)D．λPhc答案A解析每個光子的能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ)，激光器每秒發(fā)射的總能量為P，則激光器每秒發(fā)射的光子數n＝eq\f(P,ε)＝eq\f(λP,hc).故選A.考點三能級8．一個氫原子從較高能級躍遷到較低能級．該氫原子()A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量減少C．吸收光子，能量增加D．吸收光子，能量減少答案B解析由原子的能級躍遷規(guī)律知，氫原子從高能級躍遷到低能級時，輻射一定頻率的光子，氫原子能量減少，光子的能量由這兩個能級的能量差決定．故選B.9．(多選)(2021·銀川一中期中)下列關于氦原子光譜和能級的說法正確的是()A．氦原子光譜中的亮線是由于氦原子從高能級向低能級躍遷時釋放出光子形成的B．氦原子光譜不是連續(xù)的，是一些分立的亮線，說明了氦原子的能級是量子化的C．原子能量越高原子越穩(wěn)定D．原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷會放出光子，光子能量等于兩個能級之差答案ABD10．(2021·海南中學期中)一盞電燈發(fā)光功率為100W，假設它發(fā)出的光向四周均勻輻射，光的平均波長λ＝6.0×10－7m，光速c＝3×108m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，在距電燈10m遠處，以電燈為球心的球面上，1m2的面積每秒通過的光子數約為()A．2×1017個 B．2×1016個C．2×1015個 D．2×1023個答案A解析功率為100W的電燈每秒產生光能E＝100J，設電燈每秒發(fā)射的能量子數為n，E＝nhν＝nheq\f(c,λ)，在以電燈為球心的半徑為10m的球面上，1m2的面積每秒通過的能量子數n′＝eq\f(Eλ,4πR2hc)≈2.4×1017個．故選A.11．(2021·天津市南開中學期中)人眼對綠光最為敏感，正常人的眼睛接收到波長為530nm的綠光時，只要每秒有6個綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺．普朗克常量為6.63×10－34J·s，光速為3.0×108m/s，則人眼能察覺到綠光時所接收到的最小功率是()A．2.3×10－18W B．3.8×10－19WC．7.0×10－10W D．1.2×10－18W答案A解析因每秒有6個綠光的光子射入瞳孔，所以察覺到綠光所接收到的最小功率P＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，又因為ε＝h