第13章 第4~5节 电磁波的发现及应用 能量量子化 新教材高中物理必修第三册(人教版)(解析版)

第4节电磁波的发现及应用
第5节能量量子化
课程内容要求核心素养提炼
1．了解麦克斯韦电磁场理论，知道电磁波的形成和传播．2．知道波长、频率、波速，了解电磁波谱．3．知道普朗克关于能量子的概念，了解原子的能级和能级跃迁．
1．物理观念：电磁场，电磁波的波长、频率、
波速，电磁波谱，热辐射，能量子，能级．
2．科学思维：(1)电磁波的形成和传播．(2)能量子观点的建立和意义．一、电磁波的发现及应用
1．麦克斯韦电磁理论(1)变化的磁场产生电场．
(2)变化的电场产生磁场．
(3)变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场．2．电磁波(1)麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦电磁场理论．
(2)变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播形成了电磁波．
3．电磁波谱
(1)电磁波波速、波长、频率的关系式为c ＝λf ．
(2)电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱．
(3)不同电磁波有不同的特性，在生产、生活中具有广泛的应用．
①长波、中波、短波可用于广播及其他信号的传输．
②微波可用于卫星通信、电视等的信号传输．
③红外线可以用来加热理疗，紫外线可以消毒，X 射线可以用于诊断病情．
4．电磁波的能量
(1)赫兹用实验证实了电磁波的存在，说明电磁波是真正的物质存在．
(2)微波炉能加热食物，收音机能收到电台发射的电磁波，说明电磁波具有能量．
5．电磁波通信
(1)电信网、广播电视网、互联网、移动电话等都是通过电磁波传递信息．
(2)电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播．
[判断]
(1)稳定的电场产生稳定的磁场．(×)
(2)电磁波可以在介质中传播，也可以在真空中传播．(√)
(3)电磁波的传播速度一定为3×108m/s．(×)
(4)电磁波具有能量可用于对物体加热，也可以携带信息，用于信息通信．(√)
二、能量量子化
1．热辐射
(1)一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，叫作热辐射．
(2)黑体不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，经典的电磁理论不能解释黑体辐射的实验规律．
2．能量子
(1)普朗克假设：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，最小能量值ε叫作能量子．
(2)能量子的大小：ε＝hν，h称为普朗克常量．
(3)普朗克假设认为微观粒子的能量是量子化的，或者说是不连续(分立)的．
(4)爱因斯坦认为电磁场本身是不连续的，光本身是由能量子组成的，叫作光子．光子的能量ε＝hν．
3．能级
(1)原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级．原子可以自发地从能量较高的能级向能量较低的能级跃迁，放出光子．
(2)原子跃迁时放出光子的能量，等于前后两个能级之差．
[判断]
(1)物体在常温下也在不断地辐射电磁波．(√)
(2)黑体不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波．(√)
(3)普朗克认为带电微粒的能量是量子化的．(√)
(4)原子发生能级跃迁时要放出光子．(×)
探究点一麦克斯韦的电磁场理论
1．对麦克斯韦电磁场理论的理解
恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场
均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场
均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁
场
不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场
振荡磁场产生同频率的振荡电场
2．电磁场的产生
如果在空间某处有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生变化的电场——变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场．
关于电磁场的理论，下列说法正确的是(
)
A ．变化的电场周围产生的磁场一定是变化的
B ．变化的磁场周围产生的电场一定是变化的
C ．均匀变化的磁场周围产生的电场是均匀变化的
D ．振荡电场周围产生的磁场也是振荡的
D [非均匀变化的电场产生非均匀变化的磁场，而均匀变化的电场产生恒定的磁场，所以变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场，但不一定变化，故选项
A 、
B 错误；均匀变化的磁场一定产生恒定的电场，故选项
C 错误；周期性变化的振荡电场一定产生同周期变化的振荡磁场，故选项
D 正确．]
[训练1]下列有关电磁场理论说法正确的是()
A ．法拉第预言了电磁波的存在，并揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性
B ．变化的磁场一定产生变化的电场
C ．均匀变化的电场产生均匀变化的磁场
D ．赫兹通过一系列实验，证明了麦克斯韦关于光的电磁理论
D [法拉第预言了电磁波的存在，赫兹通过一系列实验，证明了麦克斯韦关于光的电磁理论，并揭示了电、磁、光现象在本质上的统一性，选项A 错误，选项
D 正确；均匀变化的磁场产生恒定的电场，选项B 错误；均匀变化的电场产生恒定的磁场，选项C 错误．]
[训练2]在下图所示的四种磁场情况中，能产生恒定的电场的是()
C [由电磁场理论，结合图像，则有：选项A 中磁场不变，则不会产生电场，故选项
A 错误；选项
B 中磁场方向变化，而大小不变，则不会产生恒定的电场，故选项B 错误；选项
C 中磁场随着时间均匀变化，则会产生恒定的电场，故选项C 正确；选项
D 中磁场随着时间非均匀变化，则会产生非均匀变化的电场，故选项D 错误．]
探究点二对电磁波的理解
1．电磁波的特点
(1)电磁场中储存电磁能，电磁波的发射过程就是辐射能量的过程．
(2)只有周期性变化的电场和磁场相互激发才能形成电磁波．
(3)电磁波可以在真空中传播，因为电磁波本身就是一种物质——场物质，所以传播时不再需要其他介质．
(4)任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于光在真空中的速度，即c ＝
3.0×108m/s ，电磁波传播虽然不需要介质，但在其他介质中的速度都比在真空中的小．
2．波长、频率与波速之间的关系
波速＝波长×频率，即v ＝λf ．
(1)频率由波源决定，与介质无关，波长、波速的大小与介质有关．所以同一电磁波在不同介质中传播时，频率不变，波速、波长发生改变，在介质中的速度都比在真空中速度小．
(2)不同频率的电磁波在同一介质中传播时，传播速度不同．
波长为0.6μm 的红光，从10m 外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长
时间？它的频率是多少？(c ＝3×108m/s)
解析由速度公式v ＝x t
可求得时间，可根据电磁波波长、频率和波速关系式c ＝λf 可求得频率
其中t ＝x c ＝103×108
s ≈3.33×10－8s 由c ＝λf 得f ＝c λ＝3×1086×10
－7Hz ＝5×1014Hz ．答案 3.33×10－8s 5×1014Hz
[训练3]关于电磁场和电磁波，下列说法不正确的是(
)A ．变化的电场周围产生变化的磁场，变化的磁场周围产生变化的电场，两者互相联系，统称为电磁场
B ．电磁场从发生区域由近及远地传播形成电磁波
C ．电磁波是一种物质，可在真空中传播．所以，平时说真空没有实物粒子，但不等于
什么都没有，还有“场”这种特殊物质
D ．电磁波可在真空中传播，也可在介质中传播
A [根据麦克斯韦电磁场理论，非均匀变化的电场周围产生变化的磁场，均匀变化的电场周围产生的是恒定的磁场，所以选项A 错误．]
[训练4](多选)下列关于电磁波的说法正确的是(
)A ．只要电场和磁场发生变化，就能产生电磁波
B ．电磁波的传播需要介质
C ．停止发射电磁波，发射出去的电磁波仍能独立存在
D ．电磁波具有能量，电磁波的传播是伴随着能量向外传递的
CD [要想产生持续的电磁波，变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)必须是非均匀变化的，所以选项A 错误；电磁波是物质波，电磁波的传播可以不需要介质而在真空中传播，选项B 错误；电磁波可以脱离“波源”而独立存在，选项C 正确；电磁波具有能量，电磁波传播的过程也就是能量传播的过程，所以选项D 正确．]
探究点三
电磁波谱
1．电磁波谱是把电磁波按波长由大到小的顺序排列起来的图表．顺序为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线．它们共同构成了范围广阔的电磁波谱．
2．电磁波谱中各种波段的特征用途比较(如下表)
电磁
波谱无线电波红外线可见光紫外线X 射线γ射线特性波动性强热作
用强
感光性强化学作用荧光效应穿透力大穿透力最强用途通信广
播、导航
加热、遥测遥
感、红外摄像、
红外制导照明、照相等杀菌消毒、治疗皮肤
病等检查、探测、透视、治疗探测、治疗(多选)下列有关电磁波的特性和应用，说法正确的是()
A ．红外线和X 射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体
B ．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康
C ．电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞
D ．紫外线和X 射线都可以使感光底片感光
CD[X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，红外线则不能，选项A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，选项B错误；电磁波中频率最大的为γ射线，可以摧毁病变的细胞，选项C正确；紫外线和X射线都可以使感光底片感光，选项D正确．] [训练5]下列关于紫外线的说法正确的是()
A．照射紫外线可增进人体对钙的吸收，因此人们应尽可能多地接受紫外线的照射
B．一切高温物体发出的光都含有紫外线
C．紫外线有很强的荧光效应，常被用来防伪
D．紫外线有杀菌消毒的作用，是因为其有热效应
C[由于紫外线有显著的生理作用，杀菌能力较强，在医疗上有其应用，但是过多地接受紫外线的照射，对人体来说也是有害的，选项A、D错误；并不是所有的高温物体发出的光都含有紫外线，选项B错误；紫外线有很强的荧光效应，可用来防伪，选项C正确．] [训练6]关于生活中遇到的各种波，下列说法正确的是()
A．电磁波可以传递信息，声波不能传递信息
B．手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波
C．太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同
D．遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同
B[声波、电磁波都能传递能量和信息，A项错误；在手机通话过程中，既涉及电磁波又涉及声波，B项正确；可见光属于电磁波，“B超”中的超声波是声波，波速不同，C项错误；红外线波长较X射线波长长，故D项错误．]
探究点四对能量子的理解与计算
1．每个能量子的能量ε＝hν，其中ν是电磁波的频率；光子的能量ε＝hν，其中ν是光的频率．
2．能量子观点与黑体辐射实验的比较
普朗克能量子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分立的．借助于能量子的假说，普朗克得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得很好．3．对能量量子化的理解
(1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态．
(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能量量子化．
人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒
有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉．普朗克常量为6.63×10－34J·s，光速为3.0×108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()
A．2.3×10－18W B．3.8×10－19W
C．7.0×10－10W D．1.2×10－18W
A[因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，所以察觉到绿光所接收的最
小功率P＝E
t，式中E＝6ε，t＝1s，又ε＝hν＝h
c
λ，可解得P＝
6×6.63×10－34×3×108
530×10－9×1
W＝
2.3×10－18W．]
[题后总结]分析有关能量子问题的技巧
(1)熟练掌握能量子的计算公式：ε＝hν＝hc
λ．
(2)把握宏观能量E＝Pt与微观能量子的关系：E＝nε．
(3)正确建立模型．
[训练7](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
BC[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，故选项A错误，选项B正确；能量子与电磁波的频率成正比，故选项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，故选项D错误．]
[训练8](多选)对于带电微粒辐射或吸收能量时的特点，下列说法正确的是() A．以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收
B．辐射或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．辐射或吸收的能量是量子化的
ABD[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A、B、D正确，C错误．]。