【讲与练】高中物理人教版(2019)必修3：13.5 能量量子化学案

5．能量量子化课程标准1．知道热辐射、黑体辐射的概念。2．了解普朗克的能量子假设和爱因斯坦的光子假设。3．了解原子能级及能级跃迁规律。素养目标物理观念1.了解黑体辐射和能量子的概念。2.了解黑体辐射的实验规律。3.知道能量子。4.了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念。科学思维1.了解黑体辐射、一般辐射的特点。2.理解能量量子化、轨道量子化，初步了解量子理论。知识点1热辐射1．热辐射的概念：物体具有的与温度有关的辐射电磁波的方式。2．热辐射规律：物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。3．黑体：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。4．黑体辐射规律：黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波，而且辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关。『判一判』(1)只有高温的物体才会热辐射。(×)(2)热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同。(√)(3)黑体就是指黑色的物体。(×)『选一选』(2023·宁夏永宁县回民高级中学高二阶段练习)下列有关黑体和黑体辐射的说法错误的是(C)A．黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射B．黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)C．黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释D．黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释解析：黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，故A正确不符合题意；根据辐射规律可知，黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)，故B正确不符合题意；黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释，故C错误符合题意D正确不符合题意。『想一想』很多地方用红外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，你知道其中的道理吗？答案：根据热辐射规律可知，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知道这个人的体温。知识点2能量子1．定义：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。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。2．能量子的大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h是一个常量，称为普朗克常量。3．普朗克认为微观粒子的能量是量子化的，是不连续(分立)的。4．爱因斯坦的光子说：光是一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子被叫作光子。『判一判』(4)普朗克认为微观粒子的能量是量子化的。(√)(5)根据普朗克理论可知，光不是一种波。(×)知识点3能级1．定义：原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。2．原子的稳定性：原子处于能量最低的状态时最稳定，原子处于能量较高的状态时不稳定，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。3．能级跃迁规律：原子从高能级态向低能级态跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差。4．原子的发射光谱的特征：原子的能级是分立的，放出的光子的能量也是分立的，因此，原子的发射光谱只有一些分立的亮线。『判一判』(6)原子处于最低能级时最稳定。(√)(7)原子发生能级跃迁时要放出光子。(×)探究热辐射要点提炼,1.热辐射(1)定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。太阳、白炽灯中光的发射就属于热辐射。(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。2．对黑体的理解绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个带有小孔的空腔就成了一个绝对黑体。3．一般物体与黑体的比较热辐射特点吸收、反射特点一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关既吸收，又反射，其能力与材料的种类及入射光波长等因素有关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完全吸收各种入射电磁波，不反射典例剖析典题1下列说法正确的是(D)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．黑体可以看起来很是明亮，是因为黑体可以反射电磁波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，温度越高辐射的能力越强，故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，故B、C错误；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，故D正确。对点训练❶(多选)以下关于辐射强度与波长的关系的说法中正确的是(BC)A．物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波B．当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高C．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强D．早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高解析：物体在某一温度下能辐射不同波长的电磁波，故A错误；黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，则辐射强度的极大值也就越大。当铁块呈现黑色时，是由于它的辐射强度的极大值对应的波长段在红外部分，甚至波长更长，说明它的温度不太高，故B正确；当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强，故C正确；太阳早、晚时分呈现红色，而中午时分呈现白色，是由于大气吸收与反射了部分光的原因，不能说明中午时分太阳温度最高，故D错误。故选BC。探究能量子和能级要点提炼1.能量子物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的，只能是hν的整数倍，hν称为一个能量子，其中ν是谐振子的振动频率，h是一个常数，称为普朗克常量。h＝6.63×10－34J·s2．量子化现象在微观世界中物理量分立取值的现象称为量子化现象。3．能级(1)当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，原子在不同的状态中具有不同的能量，即原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级。(2)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一能级“飞跃”到另一能级，而不可能停留在不符合这些能级的任何一个中间状态。(3)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。典例剖析典题2(2023·江苏宿迁高二上期中)由中国健康发展研究中心发布的《国民视觉健康报告》白皮书显示，我国学生的近视患病率在逐年增加。课业负担重、沉迷电子产品已成为影响青少年视力的两大“杀手”。现代医学采用激光“焊接”视网膜技术来治疗近视，所用激光的波长λ＝660nm。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光在真空中传播速度c＝3×108m/s，则该激光中每个光子的能量为(A)A．3.0×10－19JB．1.6×10－19JC．1.0×10－19JD．1.0×10－18J解析：由ε＝hν＝heq\f(c,λ)，代入数据可得每个光子的能量ε＝3.0×10－19J，故选A。对点训练❷下列说法正确的是(D)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吸收光子，且吸收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，所以原子的光谱只有一些分立的亮线解析：原子的能量是量子化的，原子从高能级会自发地向低能级跃迁，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，故选D。黑体与黑体辐射的实验规律1．黑体一定是黑色的吗？(1)黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看成黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔。(2)黑体是一种理想模型，绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个带小孔的空腔可近似成一个绝对黑体。2．黑体辐射的实验规律(1)任何温度下黑体都会同时辐射各种波长的电磁波；(2)随着温度的升高，黑体辐射不同波长的电磁波的强度都有所增加；(3)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。案例(多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特征，就可以确定炉内的温度，如图所示就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像，则下列说法正确的是(AD)A．T1>T2B．T1<T2C．温度越高，该温度下辐射强度最大的电磁波的波长越长D．温度越高，辐射强度的极大值就越大解析：随温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，所以T1>T2，故A正确，B错误；随温度升高，黑体辐射强度的极大值增大并向波长较短的方向移动，故C错误，D正确。一、热辐射1．(多选)2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。下列与热辐射相关的说法正确的是(AC)A．一切物体都在辐射电磁波B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C．黑体的热辐射实质上是电磁辐射D．爱因斯坦在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说解析：由热辐射的定义可知，我们周围的一切物体都在辐射电磁波，故A正确；一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，故B错误；普朗克在研究黑体辐射时最早提出了能量子假说，他认为能量是一份一份的，每一份是一个能量子，黑体辐射本质上是电磁辐射，故C正确，D错误。2．(2023·河南栾川县第一高级中学高二阶段练习)关于黑体与黑体辐射，下列说法正确的是(C)A．一般物体辐射电磁波的情况与温度无关，只与材料的种类及表面情况有关B．黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，所以看起来是黑色的C．随着温度的升高，黑体辐射电磁波的辐射强度将会增加D．黑体辐射随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动解析：一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，也与材料的种类及表面情况有关，A错误；黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，但有些黑体有较强的辐射，看起来不是黑的，B错误；随着温度的升高，黑体辐射电磁波的辐射强度将会增加，C正确；黑体辐射随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，D错误。二、能量子、能级3．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是(BC)A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值εB．能量子是最小的能量值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，因而是错误的解析：由普朗克能量子假说可知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，最小能量值叫作能量子，由ε＝hν可知，能量子与电磁波的频率成正比，能量子假说能很好地解释黑体辐射的实验规律，也为原子物理学的研究提供了重要的思维方式和理论依据，并不与现实世界相矛盾，B、C正确。4．(2023·吉林省实验中学高二下学期期末)一盏灯发光功率为100W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长6.0×10－7m，在