13.5能量量子化-2023-2024學(xué)年高二物理（人教版2019必修第三冊）（解析版）

第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步第5節(jié)能量量子化課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)目標(biāo)知道光的能量是不連續(xù)的。初步了解微觀世界的量子化特征。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(jié)構(gòu)．（一）課前閱讀：把鐵塊投進(jìn)火爐中，剛開頭鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的上升，鐵塊會漸漸變紅，開頭發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色為什么會有這樣的變化呢?答案：隨著溫度的上升，鐵塊從發(fā)熱，再到發(fā)光，鐵塊的顏色也不斷發(fā)生變化。（二）基礎(chǔ)梳理一、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(guān)，所以叫熱輻射．2．特點(diǎn)：溫度上升時(shí)，熱輻射中波長較短的成分越來越強(qiáng)．3．黑體：能夠完全吸取入射的各種波長的而不發(fā)生反射．【拓展補(bǔ)充】量子通信衛(wèi)星“墨子號”如圖所示為我國首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”。“墨子號”的成功放射使我國在量子通信技術(shù)領(lǐng)域走在了世界前列。(1)量子通信的理論基礎(chǔ)是普朗克的能量量子化假設(shè)。(√)(2)該理論的提出背景是經(jīng)典電磁理論解釋不了黑體輻射試驗(yàn)的試驗(yàn)規(guī)律。(√)(3)黑體就是黑色的物體，所以它不向外輻射電磁波。(×)(4)黑體只吸取電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的。(×)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(shù)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：光是由一個個不行分割的能量子組成，能量大小為hν，光的能量子稱為光子．【即學(xué)即練】推斷下列說法的正誤.推斷下列說法的正誤．(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)黑體肯定是黑色的．(×)(3)熱輻射只能產(chǎn)生于高溫物體．(×)(4)當(dāng)原子從能量較高的能態(tài)躍遷到能量較低的能態(tài)時(shí)，會放出任意能量的光子．(×)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(shí)放出光子，光子的能量等于前后兩個能級之差．分立分立【拓展補(bǔ)充】氫原子光譜圖如圖所示為氫原子光譜圖，為什么只有一些分立的亮線？答案：原子放出光子，放出的光子的能量等于始、末兩個能級的能量差值，能量肯定，放出光子的頻率也肯定，因此氫原子的光譜只有些分立的亮線。一、熱輻射和黑體輻射1．黑體實(shí)際上是不存在的，只是一種抱負(fù)狀況．2．黑體不肯定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見光格外微弱時(shí)看上去才是黑的；有些可看成黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來還會很光明，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)律最為簡潔，黑體輻射強(qiáng)度只與溫度有關(guān)．4．一般物體和黑體的熱輻射、反射、吸取的特點(diǎn)熱輻射不肯定需要高溫，任何溫度都能發(fā)生熱輻射，只是溫度低時(shí)輻射弱，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)．在肯定溫度下，不同物體所輻射的光譜的成分有顯著不同．熱輻射特點(diǎn)吸取、反射的特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的狀況與溫度有關(guān)，與材料的種類、表面狀況有關(guān)既吸取又反射，其力量與材料的種類及入射波的波長等因素有關(guān)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)完全吸取各種入射電磁波，不反射【典例精析】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狀況只與溫度有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D．黑體能夠完全吸取入射的各種波長的電磁波答案ACD解析依據(jù)熱輻射定義知，A正確；依據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知，一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類、表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)，B錯誤，C正確；依據(jù)黑體定義知，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(rèn)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(shù)倍，當(dāng)帶電粒子輻射或吸取能量時(shí)，也只能以這個最小能量值為單位一份一份地吸取或輻射，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，試驗(yàn)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(xiàn)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(nèi)取值是不連續(xù)的．2．愛因斯坦的光子說光不僅在放射和吸取時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不行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.【典例精析】例2．(多選)對于帶電微粒在輻射和吸取能量時(shí)的特點(diǎn)，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取B．輻射和吸取的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸取的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸取的能量是量子化的答案ABD解析依據(jù)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(shù)倍，能量的輻射、吸取要一份份地進(jìn)行，故選A、B、D.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(yùn)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．拓展延長①能級越低，原子越穩(wěn)定．②除受到高速運(yùn)動的電子的撞擊外，當(dāng)吸取肯定大小的光子的能量(等于躍遷前后的兩能級之差)時(shí)，原子也能躍遷到高能級．3．原子的放射光譜(1)光譜特征如圖所示是氦原子的光譜，原子的放射光譜只有一些分立的亮線．(2)光譜分立的緣由原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差，由于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3．(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?，可以連續(xù)變化B．原子從低能級向高能級躍遷時(shí)放出光子C．原子從高能級向低能級躍遷時(shí)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，所以原子的放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(shí)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，所以原子的放射光譜只有一些分立的亮線，故C、D正確．1．對黑體的理解(1)確定的黑體實(shí)際上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替。如圖所示，假如在一個空腔壁上開一個小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和吸取，最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個確定黑體。(2)黑體不肯定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見光格外微弱時(shí)看上去才是黑的；有些可看作黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來還會很光明，如煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也被當(dāng)作黑體來處理。2．一般物體與黑體的比較一般物體黑體熱輻射特點(diǎn)輻射電磁波的狀況與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況有關(guān)輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)吸取、反射特點(diǎn)既吸取又反射，其力量與材料的種類及入射波長等因素有關(guān)完全吸取各種入射電磁波，不反射3．能量的量子化在微觀世界里，能量不能連續(xù)變化，只能取分立值，這種現(xiàn)象叫作能量的量子化。4．能量子觀點(diǎn)與黑體輻射試驗(yàn)的比較普朗克的能量子假設(shè)認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是分立的。借助于能量子的假說，普朗克得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與試驗(yàn)符合得很好。5．對能級躍遷的理解(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(shí)放出光子，光子的能量等于前后兩個能級之差。(3)放出的光子的能量是分立的，所以原子的放射光譜是一些分立的亮線。一、單選題1．以下關(guān)于光子的說法正確的是（）A．光子的能量跟它的頻率無關(guān)B．紫光光子的能量比紅光光子的能量小C．光子是具有質(zhì)量、能量和體積的實(shí)物微粒D．在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子【答案】D【解析】A．依據(jù)可知光子的能量與光子的頻率成正比，選項(xiàng)A錯誤；B．在可見光范圍內(nèi)，紫光的頻率最大，紅光的頻率最小，依據(jù)可知紫光光子的能量比紅光光子的能量大，選項(xiàng)B錯誤；C．光子具有能量，但沒有靜止質(zhì)量，也沒有具體的體積，它不是實(shí)物粒子，選項(xiàng)C錯誤；D．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，每一份叫做一個光子，選項(xiàng)D正確。故選D。2．紅外線熱像儀可以監(jiān)測人的體溫，當(dāng)被測者從儀器前走過時(shí)，便可知道被測者的體溫是多少。關(guān)于紅外線熱像儀測體溫的原理，下列說法正確的是（）A．人的體溫會影響四周空氣溫度，儀器通過測量空氣溫度便可知道人的體溫B．儀器發(fā)出的紅外線遇人反射，反射狀況與被測者的體溫有關(guān)C．被測者會輻射紅外線，所輻射紅外線的強(qiáng)度以及按波長的分布狀況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)，且較短波長的輻射強(qiáng)度大D．被測者會輻射紅外線，所輻射紅外線的強(qiáng)度以及按波長的分布狀況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)，且較長波長的輻射強(qiáng)度大【答案】C【解析】AB．依據(jù)熱輻射的試驗(yàn)規(guī)律可知，人的體溫上升，人體輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度就會增加，通過監(jiān)測被測者輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度，就可以知道該人的體溫了，故A、B錯誤；CD．被測者會輻射紅外線，輻射強(qiáng)度以及按波長的分布狀況與溫度有關(guān)，隨著溫度的上升，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動，因此熱輻射中較短波長的成分越來越多，故C正確，D錯誤。故選C。3．下列說法正確的是（）A．只有溫度高的物體才會有熱輻射B．黑體只是從外界吸取能量，從不向外界輻射能量C．黑體可以看起來很光明，是由于黑體可以反射電磁波D．一般材料的物體，輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類和表面狀況有關(guān)【答案】D【解析】A．任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的力量越強(qiáng)，故A錯誤；BC．能夠完全吸取入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫作黑體，黑體不反射電磁波，但可以向外輻射電磁波，有些黑體有較強(qiáng)的輻射，看起來也可以很光明，故BC錯誤；D．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)，與構(gòu)成黑體的材料、外形無關(guān)，而一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類和表面狀況有關(guān)，故D正確。故選D。4．第五代移動通信技術(shù)，簡稱，將開啟萬物互聯(lián)時(shí)代：車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、才智城市、自動駕駛技術(shù)等將逐一實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用頻段的無線電波傳送信號，相比于現(xiàn)有的（頻段）而言，所應(yīng)用的無線電波（）A．在真空中的波長更長 B．在真空中的波長更短C．在真空中的傳播速度更小 D．在真空中的傳播速度更大【答案】B【解析】AB．5G應(yīng)用3300MHz~5000MHz頻段的無線電波傳送信號，4G應(yīng)用1880MH~2635MHz頻段的無線電波傳送信號，則5G信號的頻率比4G信號高，由可知5G電波比4G電波在真空中的波長更短，A錯誤，B正確；CD．依據(jù)麥克斯韋電磁場理論，可知任何電磁波在真空中的傳播速度均為光速，CD錯誤。故選B。5．如圖所示，用一束太陽光去照射橫截面為三角形的玻璃磚，在光屏上能觀看到一條彩色光帶。下列說法正確的是（）A．玻璃對b光的折射率大B．c光子比b光子的能量大C．此現(xiàn)象是由于光在玻璃磚中發(fā)生全反射形成的D．減小a光的入射角度，各種色光會在光屏上依次消逝，最先消逝的是b光【答案】B【解析】AB．由光路可知，c光的偏折程度較大，可知玻璃對c光的折射率大，則c光的頻率較大，依據(jù)可知，c光子比b光子的能量大，選項(xiàng)A錯誤，B正確；C．此現(xiàn)象是由于光在玻璃磚中發(fā)生折射形成的，選項(xiàng)C錯誤；D．因可知，c光的臨界角較小，若減小a光的入射角度，各種色光在右側(cè)面的入射角變大，c光的入射角最先達(dá)到臨界角發(fā)生全反射，則最先消逝的是c光，選項(xiàng)D錯誤。故選B。6．硅光電池是將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能。若有個波長為的光子打在硅光電池極板上，這些光子的總能量為為普朗克常量，為真空中的光速（）A． B． C． D．【答案】B【解析】由于單個光子的能量為所以個光子的總能量又由于解得故選B。7．能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量為，已知可見光的平均波長約為，普朗克常量為，則進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為（）A．個 B．個 C．個 D．個【答案】B【解析】每個光子的能量為能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量為由得能引起人眼的感覺，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少個個ACD錯誤，B正確。故選B。8．對于帶電微粒在輻射和吸取能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說法不正確的是（）A．以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸取B．輻射和吸取的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸取的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸取的能量是量子化的【答案】C【解析】帶電微粒輻射和吸取能量時(shí)是以最小能量值，即能量子ε的整數(shù)倍一份一份地輻射或吸取的，是不連續(xù)的。故ABD正確，C錯誤。故選C。二、多選題9．對宇宙微波背景輻射的黑體譜外形的爭辯被譽(yù)為是宇宙學(xué)爭辯進(jìn)入精密科學(xué)時(shí)代的起點(diǎn)。下列與宇宙微波背景輻射的黑體譜相關(guān)的說法中正確的是（）A．微波是指波長在10-3m到10m之間的電磁波B．微波和聲波一樣都只能在介質(zhì)中傳播C．黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射D．普朗克在爭辯黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說【答案】ACD【解析】A．微波是電磁波中按波長分類波長較小的一種，微波是指波長在10-3m到10m之間電磁波，故A正確；B．微波是電磁波，電磁波既能在介質(zhì)中傳播也能在真空中傳播，而聲波是機(jī)械波，只能在介質(zhì)中傳播，故B錯誤；C．黑體向外輻射的是熱量，是以光子的形式輻射的，而光是電磁波，所以黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射故，C正確。D．普朗克在爭辯黑體輻射的過程中提出了黑體輻射的能量是一份一份的，從而提出了能量子的假說，故D正確。故選ACD。10．關(guān)于普朗克“能量量子化”的假設(shè)，下列說法正確的是（）A．認(rèn)為帶電微粒輻射或吸取能量時(shí)，是一份一份的B．認(rèn)為能量值是連續(xù)的C．認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的、連續(xù)的D．認(rèn)為微觀粒子的能量是分立的【答案】AD【解析】普朗克的理論認(rèn)為帶電微粒輻射或吸取能量時(shí)，是一份一份的，微觀粒子的能量是量子化的，是分立的。故選AD。11．關(guān)于波的性質(zhì)，下列說法正確的是（

）A．波是振動的傳播，所以波的傳播都需要介質(zhì)B．只要兩列波的頻率相同，就能形成穩(wěn)定干涉C．哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到遙遠(yuǎn)恒星發(fā)光的紅移現(xiàn)象（頻率變小），證明白宇宙在膨脹D．兩列機(jī)械波疊加時(shí)，振動減弱點(diǎn)可能始終處于平衡位置E．光的衍射現(xiàn)象證明白光是一種波，而偏振現(xiàn)象則說明它是橫波【答案】CDE【解析】A．機(jī)械波是介質(zhì)之間相互作用，將振動的形式傳播下去，所以機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，而電磁波是電磁場相互激發(fā)產(chǎn)生進(jìn)行傳播的，不需要介質(zhì)，故A錯誤；B．形成穩(wěn)定干涉的條件是，兩列波的頻率相同且相位差保持恒定不變，故B錯誤；C．依據(jù)多普勒效應(yīng)，哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到遙遠(yuǎn)恒星發(fā)光的紅移現(xiàn)象（頻率變小），說明遙遠(yuǎn)恒星正在遠(yuǎn)離我們，證明白宇宙在膨脹，故C正確；D．假如兩列機(jī)械波的振幅相同，疊加時(shí)，振動減弱點(diǎn)始終處于平衡位置，故D正確；E．光的衍射現(xiàn)象證明白光是一種波，而偏振現(xiàn)象則說明它是橫波，故E正確。故選CDE。12．下列說法正確的是（）A．一切物體都在輻射電磁波B．一般物體輻射電磁波的狀況只與溫度有關(guān)C．黑體的熱輻射實(shí)質(zhì)上是電磁輻射D．普朗克在爭辯黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說【答案】ACD【解析】A．依據(jù)熱輻射定義可知，一切物體都在輻射電磁波，A正確；B．一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關(guān)外，還與材料種類和表面狀況有關(guān)，而黑體輻射只與黑體的溫度有關(guān)，B錯誤；CD．普朗克在爭辯黑體輻射時(shí)最早提出了能量子假說，他認(rèn)為能量是一份一份的，每一份是一個能量子，黑體輻射本質(zhì)上是電磁輻射，CD正確。故選ACD。13．對于帶電微粒在輻射和吸取能量時(shí)的特點(diǎn)，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取B．輻射和吸取的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸取的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸取的能量是量子化的【答案】ABD【解析】帶電微粒輻射和吸取能量時(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取的，是不連續(xù)的。故選ABD。14．2006年度諾貝爾物理學(xué)獎授予了兩名美國科學(xué)家，以表彰他們發(fā)覺了宇宙微波背景輻射的黑體譜外形及其溫度在不同方向上的微小變化。他們的精彩工作被譽(yù)為是宇宙學(xué)爭辯進(jìn)入精密科學(xué)時(shí)代的起點(diǎn)。下列與宇宙微波背景輻射黑體譜相關(guān)的說法正確的是（）A．一切物體都在輻射電磁波B．一般物體輻射電磁波的狀況只與溫度有關(guān)C．黑體的熱輻射實(shí)質(zhì)上是電磁輻射D．普朗克在爭辯黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說【答案】ACD【解析】A．由熱輻射的定義：任何物體都具有不斷輻射、吸取、反射電磁波的性質(zhì)。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有肯定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射