高中物理第十三章电磁感应与电磁波初步5.能量量子化学案新人教版

5.能量量子化
新课程标准核心素养目标
1.知道光的能量是不
连续的
2．初步了解微观世界的量子化特征物理观念
通过生活实例，体会电磁波的辐射，初步形成热辐射
的物理观念
科学思维
利用普朗克假设和能量子的得出过程，培养学生的科
学思维
科学探究通过对氢原子光谱的分析，探究出跃迁过程的特点科学态度
与责任
知道量子理论对现代社会的引领作用及其在现代技术
中的重要作用
必备知识·自主学习——突出基础性素养夯基
一、热辐射
1.概念：一切物体都在辐射电磁波，且辐射与物体的________有关，所以叫热辐射．
2．特点：温度升高时，热辐射中波长较________的成分越来越强．
3．黑体：能够完全吸收入射的各种波长的________而不发生反射的物体．
二、能量子
1．概念：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的________，这个不可再分的最小的能量值ε叫能量子．
2．大小：ε＝________，其中h＝×10－34J·s.
3．爱因斯坦光子说：光是由一个个不可分割的能量子组成，能量大小为________，光的能量子称为________．
三、能级
1．原子的能量是________的，量子化的能量值叫________．
2．原子从高能态向低能态跃迁时________光子，光子的能量等于前后两个能级________．3．原子的能级是________的，放出的光子的能量也是分立的，原子的发射光谱只有一些________的亮线．
[情境思考]
新冠肺炎疫情期间，红外体温计成为生活必不可少的工具，如图所示的红外体温计具有方便快捷的特点，在疫情防控工作中发挥了重要作用．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．【思考辨析】判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”．
(1)红外线的显著作用是热作用，温度较低的物体不能辐射红外线．( )
(2)黑体一定是黑色的．( )
(3)热辐射只能产生于高温物体．( )
(4)当原子从能量较高的能态跃迁到能量较低的能态时，会放出任意能量的光子．( )
(5)普朗克认为带电微粒的能量是量子化的．( )
关键能力·合作探究——突出综合性素养形成
探究总结
1.在任何温度下，任何物体都会发射电磁波，并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同．当物体温度较低时(如室温)，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波(在红外线区域)，不能引起人的视觉；当温度升高时，热辐射中较短波长的成分辐射强度越来越强，可见光所占比例增大，如燃烧的炭会发出醒目的红光．
2．一般物体与黑体的比较
【例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．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
针对训练1 2021年疫情期间，很多地方用红外线热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知道他的体温是多少，关于其中的原理，下列说法正确的是( ) A．人的体温会影响周围空气温度，仪器通过测量空气温度便可知道人的体温
B．仪器发出的红外线遇人反射，反射情况与被测者的温度有关
C．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较短波长的成分强
D．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较长波长的成分强
探究点二能量子和能级
探究总结
1.能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化．量子化的基本特征就是在某一范围内取值是不连续的．
2．爱因斯坦的光子说
光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子．频率为ν的光子的能量为ε＝hν.
3．能级
(1)原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能级．
(2)原子从高能态向低能态跃迁时放出光子，光子的能量等于前后两个能级之差．
(3)放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱是一些分立的亮线．
典例示范
例 2 (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
例 3 (多选)下列说法正确的是( )
A．原子的能量是连续的，原子的能量从某一能量值变为另一能量值，可以连续变化B．原子从低能级向高能级跃迁时放出光子
C．原子从高能级向低能级跃迁时放出光子，且光子的能量等于前后两个能级之差
D．由于能级的存在，原子放出的光子的能量是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线
针对训练2 (多选)原子的能量量子化现象是指( )
A．原子的能量是不可改变的
B．原子的能量与电子的轨道无关
C．原子的能量状态是不连续的
D．原子具有分立的能级
针对训练3 (多选)有关氢原子光谱的说法正确的是( )
A．氢原子的发射光谱是连续谱
B．氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光
C．氢原子光谱说明氢原子能级是分立的
D．氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关
针对训练4 光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400～700 nm.400 nm、700 nm
课堂检测·素养达标——突出创新性素养达标
1.以下宏观要领中，是“量子化”的有( )
A．人的身高B．物体的质量
C．汽车的速度 D．大象的头数
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
3．(多选)下列说法正确的是( )
A．只有温度高的物体才会有热辐射
B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量
C.黑体可以看起来很明亮，是因为黑体可以有较强的辐射
D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关
4．对于带电微粒的辐射或吸收能量时的特点，以下说法不正确的是( )
A．以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收
B．辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C．吸收的能量可以是连续的
D．辐射和吸收的能量是量子化的
5．40 W的白炽灯，有5%的能量转化为可见光．设所发射的可见光的平均波长为580 nm，那么该白炽灯每秒钟辐射的光子数为多少？(普朗克常量h＝×10－34J·s，光速c＝3×108 m/s)
6．如图所示，经测量，人体表面辐射本领的最大值落在波长为940 μm处．根据电磁辐射的理论得出，物体最强辐射的波长与物体的绝对温度的关系近似为Tλm＝×10－1m·K.
(1)人体表面的温度是多少？
(2)人体辐射的能量子的值是多少？(h＝×10－34J·s)
5．能量量子化
必备知识·自主学习
一、
1．温度
2．短
3．电磁波
二、
1．整数倍
2．hν
3．hν光子
三、
1．量子化能级
2．放出之差
3．分立分立
思考辨析
答案：(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√
关键能力·合作探究
探究点一
【例1】【解析】一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，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；除光源外，常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，D错误．
【答案】 B
针对训练1 解析：根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加；随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．人的体温的高低，直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度，通过监测被测者辐射的红外线的情况就可知道这个人的体温，C正确．
答案：C
探究点二
【例2】【解析】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，并不与现实世界相矛盾，故D错误．
【答案】BC
【例3】【解析】原子的能量是量子化的，原子从高能级向低能级跃迁时向外放出光子．光子的能量hν＝E初－E末，由于能级的分立性，放出的光子的能量也是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线，故C、D正确．
【答案】CD
针对训练2 解析：电子绕核运动的轨道半径是不连续的，与之对应的原子的能量是不
连续的，只能取一系列不连续的特定值，故C、D正确．
答案：CD
针对训练3 解析：A错：氢原子的发射光谱是一些分立的亮线．B、C对：氢原子光谱说明：氢原子只能发出特定频率的光，氢原子能级是分立的．D错：氢原子发射出的光子能量由前、后两个能级的能量差决定．
答案：BC
针对训练4 解析：根据公式ν＝和ε＝hν可知：
400 nm电磁波辐射的能量子ε1＝h＝×10－34×J≈×10－19 J.
700 nm电磁波辐射的能量子ε2＝h＝×10－34×J≈×10－19 J.
答案：×10－19 J ×10－19 J
课堂检测·素养达标
1．解析：能一份份地选取，且只能取整数，不能取小数的量均可以看作量子化，如大象的头数，学生个数等，故选项D正确．
答案：D
2．解析：根据光子的能量的公式：ε＝hν＝，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．
答案：A
3．解析：任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能量越多，A错误；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叫作黑体，黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波，有些黑体有较强的辐射，看起来也可以很明亮，B错误，C正确；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，与构成黑体的材料、形状无关，而一般材料的物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关，D正确．答案：CD
4．解析：带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸收的，是不连续的．故选项A、B、D正确，C选项错误，本题让选不正确的，故答案为C.
答案：C
5．解析：波长为λ的光子能量为：
ε＝hν＝h①
设白炽灯每秒内发出的光子数为n，白炽灯电功率为P，则：n＝②
式中，η＝5%是白炽灯的发光效率．联立①②式得：n＝
代入题给数据得：n≈×1018个
答案：×1018个
6．解析：(1)人体表面的温度为
T＝≈309 K≈36 ℃，
即t＝36 ℃.
(2)人体辐射的能量子的值为ε＝h＝×10－34× J＝×10－22 J. 答案：(1)36 ℃×10－22 J。