人教版高中物理選修3-5學(xué)案第十七章學(xué)案1能量量子化

1能量量子化[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.2.了解能量子的概念及其提出的科學(xué)過(guò)程.3.了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)．一、黑體與黑體輻射[導(dǎo)學(xué)探究](1)黑體就是黑色的物體嗎？答案我們所說(shuō)的黑體并不是指物體的顏色，它是指能完全吸收各種波長(zhǎng)的電磁波的物體．(2)很多地方用紅外線熱像儀監(jiān)測(cè)人的體溫，只要被測(cè)者從儀器前走過(guò)，便可知道他的體溫是多少？你知道其中的道理嗎？答案根據(jù)熱輻射規(guī)律可知，人的體溫的高低，直接決定了該人輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度．通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)者輻射的紅外線的情況就可知道該人的體溫．[知識(shí)梳理]對(duì)黑體和黑體輻射的認(rèn)識(shí)(1)熱輻射①定義：我們周?chē)囊磺形矬w都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫熱輻射．②特點(diǎn)：熱輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同．室溫時(shí)，熱輻射的主要成分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)(填“較長(zhǎng)”或“較短”)的電磁波，不能引起人們的視覺(jué)；溫度升高時(shí)，較短(填“較長(zhǎng)”或“較短”)波長(zhǎng)的成分越來(lái)越強(qiáng)．(2)黑體及黑體輻射特點(diǎn)①定義：如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體．②黑體輻射特點(diǎn)：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)．[即學(xué)即用](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(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)D．黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波答案ACD解析我們周?chē)囊磺形矬w都在輻射電磁波，A正確；根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知，一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類(lèi)和表面狀況有關(guān)，而黑體輻射只與黑體的溫度有關(guān)，B錯(cuò)誤，C正確；根據(jù)黑體的定義知D正確．二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律[導(dǎo)學(xué)探究](1)黑體輻射的強(qiáng)度與什么有關(guān)？有怎樣的關(guān)系？(2)物理學(xué)家維思和瑞利在對(duì)黑體輻射做出解釋時(shí)，各在什么區(qū)與實(shí)驗(yàn)接近，什么區(qū)偏離較大？答案見(jiàn)知識(shí)梳理[知識(shí)梳理]黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：隨著溫度的升高，一方面，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．(2)對(duì)黑體輻射的解釋：維恩公式在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)非常接近，在長(zhǎng)波區(qū)則與實(shí)驗(yàn)偏離很大；瑞利公式在長(zhǎng)波區(qū)與實(shí)驗(yàn)基本一致，但在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符．由于波長(zhǎng)很小的輻射處在紫外線波段，故而由理論得出的這種荒謬結(jié)果被認(rèn)為是物理學(xué)理論的災(zāi)難，當(dāng)時(shí)稱為“紫外災(zāi)難”．[即學(xué)即用]下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的圖中，符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是()答案A解析隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度增加，輻射強(qiáng)度的極大值向著波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，A正確，B、C、D錯(cuò)誤．三、能量子[導(dǎo)學(xué)探究]普朗克的能量量子化的觀點(diǎn)與宏觀世界中我們對(duì)能量的認(rèn)識(shí)有什么不同？答案宏觀世界中的能量可以是任意值，是連續(xù)的，而普朗克認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，是一份一份的．[知識(shí)梳理]對(duì)能量子和能量量子化的認(rèn)識(shí)(1)普朗克的假設(shè)振動(dòng)著的帶電微粒能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，即：能量的輻射或者吸收只能是一份一份的，這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫做能量子．(2)能量子公式ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量，h＝6.626×10－34J·s.(一般取h＝6.63×10－34J·s)(3)能量的量子化在微觀世界中能量是量子化的，或者說(shuō)是微觀粒子的能量是分立的，這種現(xiàn)象叫能量的量子化．(4)普朗克假設(shè)的意義①借助于能量的假說(shuō)，普朗克得出了黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的公式，與實(shí)驗(yàn)符合之好令人擊掌叫絕．②普朗克在1900年能把量子列入物理學(xué)，正確地破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，成為新物理學(xué)思想的基石之一．[即學(xué)即用](多選)以下宏觀概念中，哪些是“量子化”的()A．物體的帶電荷量 B．物體的質(zhì)量C．物體的動(dòng)量 D．學(xué)生的個(gè)數(shù)答案AD解析所謂“量子化”應(yīng)該是不連續(xù)的，是一份一份的，故選A、D.一、黑體輻射的規(guī)律例1(多選)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖1所示，由圖可知()圖1A．隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加B．隨溫度降低，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加C．隨溫度升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)D．隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的方向移動(dòng)解析由題圖可知，隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，當(dāng)溫度降低時(shí)，上述變化都將反過(guò)來(lái)．答案ACD歸納總結(jié)1．理解和熟記輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖象是解此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵．2．黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類(lèi)和表面狀況無(wú)關(guān)．二、能量子的理解和計(jì)算例2人眼對(duì)綠光較為敏感，正常人的眼睛接收到波長(zhǎng)為530nm的綠光時(shí)，只要每秒鐘有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)．普朗克常量為6.63×10－34J·s，光速為3.0×108m/s，則人眼能察覺(jué)到綠光時(shí)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解析因只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)．所以察覺(jué)到綠光所接收的最小功率P＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，又ε＝hν＝heq\f(c,λ)，可解得P＝eq\f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9)W≈2.3×10－18W.答案A歸納總結(jié)1．普朗克能量子假設(shè)認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或者說(shuō)微觀粒子的能量是分立的．2．能量子的大?。害牛絟ν，其中ν是電磁波的頻率，h是一個(gè)常量，稱為普朗克常量，其值為h＝6.626×10－34J·s.針對(duì)訓(xùn)練小燈泡的功率P＝1W，設(shè)其發(fā)出的光向四周均勻輻射，平均波長(zhǎng)λ＝10－6m，求小燈泡每秒鐘輻射的光子數(shù)是多少？(h＝6.63×10－34J·s)答案5×1018個(gè)解析每秒鐘小燈泡發(fā)出的能量為E＝Pt＝1J1個(gè)光子的能量：ε＝hν＝eq\f(hc,λ)＝eq\f(6.63×10－34×3×108,10－6)J＝1.989×10－19J小燈泡每秒鐘輻射的光子數(shù)：n＝eq\f(E,ε)＝eq\f(1,1.989×10－19)個(gè)≈5×1018個(gè)．1．一束紅光從空氣射入玻璃，則這束紅光的能量子將()A．變小B．變大C．不變D．不能確定答案C解析光由空氣射入玻璃時(shí)，頻率不發(fā)生變化，由ε＝hν可知，紅光的能量子不變，C正確．2．在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度．如圖2所示是黑體的輻射強(qiáng)度與其輻射光波長(zhǎng)的關(guān)系圖象，則下列說(shuō)法正確的是()圖2A．T1>T2B．T1<T2C．隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度都有所降低D．隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)方向移動(dòng)答案A解析一般材料的物體輻射能的多少?zèng)Q定于物體的溫度(T)、輻射波的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短和輻射的面積，而黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體，黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)．實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有所增加，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．從圖中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，本題正確選項(xiàng)為A.3．二氧化碳能很好的吸收紅外長(zhǎng)波輻射，這種長(zhǎng)波輻射的波長(zhǎng)范圍約是1.43×10－3～1.6×10－3m，相應(yīng)的光子能量的范圍是________．(已知普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，真空中的光速c＝3.0×108m/s，結(jié)果取兩位有效數(shù)字)答案1.2×10－22～1.4×10－22J解析由c＝λν，得ν＝eq\f(c,λ)，代入數(shù)據(jù)得頻率范圍為1.88×1011～2.1×1011Hz，又由ε＝hν得能量范圍為1.2×10－22～1.4×10－22J.一、選擇題(1～9為單選題)1．對(duì)黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)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解析根據(jù)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，A對(duì)．2．能正確解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是()A．能量的連續(xù)經(jīng)典理論B．普朗克提出的能量量子化理論C．以上兩種理論體系任何一種都能解釋D．牛頓提出的微粒說(shuō)答案B解析根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，隨著溫度的升高，一方面各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，只能用普朗克提出的能量量子化理論才能正確解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律，B對(duì)．3．對(duì)于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說(shuō)法正確的是()A．以某一個(gè)最小能量值一份一份地輻射或吸收B．輻射和吸收的能量可以不是某一最小值的整數(shù)倍C．吸收的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸收的能量都可以是連續(xù)的答案A解析帶電微粒輻射和吸收能量時(shí)是以最小能量值——能量子ε的整數(shù)倍一份一份地輻射或吸收的，是不連續(xù)的．故選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B、C、D均錯(cuò)．4．普朗克常量是自然界的一個(gè)基本常數(shù)，它的數(shù)值是()A．6.02×10－23molB．6.625×10－3mol·sC．6.626×10－34J·sD．1.38×10－16mol·s答案C解析普朗克常量是一個(gè)定值，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得它的精確數(shù)值為6.626×10－34J·s，在記憶時(shí)關(guān)鍵要注意它的單位．5．紅、橙、黃、綠四種單色光中，光子能量最小的是()A．紅光 B．橙光C．黃光 D．綠光答案A解析在四種顏色的光中，紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)而頻率最小，由光子的能量ε＝hν可知紅光光子能量最?。?．已知某種單色光的波長(zhǎng)為λ，在真空中光速為c，普朗克常量為h，則電磁波輻射的能量子ε的值為()A．heq\f(c,λ) B.eq\f(h,λ)C.eq\f(c,hλ) D．以上均不正確答案A解析由波速公式c＝λν可得：ν＝eq\f(c,λ)，由光的能量子公式得ε＝hν＝heq\f(c,λ)，故選項(xiàng)A正確．7．某激光器能發(fā)射波長(zhǎng)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(shù)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(gè)光子的能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ)，每秒鐘發(fā)射的總能量為P，則n＝eq\f(Pt,ε)＝eq\f(λP,hc).8．在自然界生態(tài)系統(tǒng)中，蛇與老鼠和其他生物通過(guò)營(yíng)養(yǎng)關(guān)系構(gòu)成食物鏈，在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用．蛇是老鼠的天敵，它是通過(guò)接收熱輻射來(lái)發(fā)現(xiàn)老鼠的．假設(shè)老鼠的體溫約37℃，它發(fā)出的最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為λmin.根據(jù)熱輻射理論，λmin與輻射源的絕對(duì)溫度T的關(guān)系近似為T(mén)λmin＝2.90×10－3m·K，則老鼠發(fā)出的最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為()A．7.8×10－5m B．9.4×10－6mC．1.16×10－4m D．9.7×10－8m答案B解析由Tλmin＝2.90×10－3m·K可得，老鼠發(fā)出最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為λmin＝eq\f(2.90×10－3,T)m＝eq\f(2.90×10－3,273＋37)m≈9.4×10－6m，B正確．9．硅光電池是利用光電效應(yīng)將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能．若有N個(gè)波長(zhǎng)為λ0的光子打在光電池極板上，這些光子的總能量為(h為普朗克常量)()A．heq\f(c,λ0) B．Nheq\f(c,λ0)C．Nhλ0 D．2Nhλ0答案B解析一個(gè)光電子的能量ε＝hν＝heq\f(c,λ0)，則N個(gè)光子的總能量E＝Nheq\f(c,λ0)，選項(xiàng)B正確．二、非選擇題10．神光“Ⅱ