4.1量子概念的诞生 学案（2020年教科版高中物理选修3-5）

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1、1 量子概念的诞生量子概念的诞生 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道热辐射、黑体和黑体辐射的概念，知道黑体辐射的实验规律.2.知道普朗克 提出的量子假说. 科学态度与责任：1.了解能量子概念的提出过程，体会物理学发展的艰辛.2.了解科学家探索 微观世界规律的方法，培养热爱科学的科学态度与责任. 一、热辐射 我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，而且辐射强度随波长的变化规律与 物体的温度有关. 二、黑体与黑体辐射 1.黑体：某种物体能够全部吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对 黑体，简称黑体. 2.黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有

2、关. 三、能量子 1.定义：普朗克认为，黑体辐射是谐振子向外辐射的各种电磁波.谐振子具有的能量是不连续 的，而只能取一些分立的值，即 Ennh(n1,2,3，)，最小的一份能量称为能量子. 2.大小：h，其中 是谐振动(电磁波)的频率，h 是普朗克常量，h6.6310 34 J s. 3.能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的. 判断下列说法的正误. (1)黑体一定是黑色的物体.( ) (2)能完全吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体.( ) (3)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大.( ) (4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比.( )

3、(5)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，与材料的种类及表面状况无 关.( ) 一、黑体与黑体辐射 1.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 1 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，这个小孔就成了一个绝对黑体. 图 1 2.一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、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

4、波，不反射 3.黑体辐射的实验规律 (1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值. (2)随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加； 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如图 2 所示. 图 2 例 1 热辐射是指所有物体都在向外辐射电磁波的现象.辐射强度指垂直于电磁波方向的单 位面积在单位时间内所接收到的辐射能量.在研究同一物体在不同温度下向外辐射的电磁波 的波长与其辐射强度的关系时，得到如图 3 所示的图线，图中横轴 表示电磁波的波长，纵 轴M表示某种波长的电磁波的辐射强度， 则由M图线可知， 同一物体在不同温度下( ) 图 3 A.向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度相同 B

5、.向外辐射的电磁波的波长范围是相同的 C.向外辐射的电磁波的总能量随温度升高而减小 D.辐射强度的极大值随温度升高而向波长较短的方向移动 答案 D 解析 由题图线可知，对于同一物体，随着温度的升高，一方面，各种波长电磁波的辐射强 度都有所增加，向外辐射的电磁波的总能量增大；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短 的方向移动.选项 D 正确，A、B、C 错误. 提示 熟记黑体辐射的实验规律并结合图线变化分析判断此类问题.由辐射强度随波长的变 化关系图像可知，温度升高时各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较 短的方向移动. 针对训练 1 关于对黑体的认识，下列说法正确的是( ) A.

6、黑体不仅能吸收电磁波，也能反射电磁波 B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关 C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关 D.以上均不正确 答案 C 解析 黑体只能吸收电磁波，不能反射电磁波，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，故 A、B、D 错误，C 正确. 针对训练 2 (2018 辛集中学期中)下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符 合黑体辐射实验规律的是( ) 答案 A 解析 随着温度的升高，黑体辐射的强度与波长的关系：一方面，各种波长的辐射强度都有 增加，另一方面，辐射强度的极大

7、值向波长较短的方向移动.由此规律可知应选 A. 二、能量子 1.普朗克的量子化假设 (1)能量子 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍，例如可能是 或 2、3当 带电微粒辐射或吸收能量时， 也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的.这个不 可再分的最小能量值 叫做能量子. (2)能量子公式：h 是电磁波的频率，h 是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为 h6.6310 34 J s. (3)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，这种现象叫做能量的量子化. 2.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”地过渡到另一状

8、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. 例 2 (多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是( ) 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 答案 ABD 解析 带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值能量子 为单位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 错误. 学科素养 例 2 考查了带电

9、微粒辐射、吸收的能量量子化的特点，加强了对能量量子化的 认识，促进了能量量子化物理观念的形成. 例 3 人眼对绿光较为敏感， 正常人的眼睛接收到波长为 530 nm 的绿光时， 只要每秒钟有 6 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉.普朗克常量为 6.6310 34 J s，光速为 3108 m/s， 则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率约是( ) A.2.310 18 W B.3.810 19 W C.7.010 10 W D.1.210 18 W 答案 A 解析 察觉到绿光所接收到的最小功率 PE t，因只要每秒有 6 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就 能察觉，所以式中E6，又hhc ，可解得

10、P 66.6310 343108 153010 9 W2.310 18 W. 提示 解决此类题目的关键是熟练掌握 h 和 c 及 EnPt 等公式. 针对训练 3 “神光”装置是高功率固体激光系统，利用它可获得能量为 2 400 J、波长 为 0.35 m 的紫外激光，已知普朗克常量 h6.6310 34 J s，光速 c3.0108 m/s，则该紫 外激光所含光子数为多少个？(结果保留两位有效数字) 答案 4.21021个 解 析 每 个 激 光 光 子 的 能 量 为 h c ， 该 紫 外 激 光 中 所 含 光 子 数 为 n E 2 400 6.6310 34 3.0108 0.35

11、10 6 个4.21021个. 1.(黑体辐射的规律)(多选)黑体辐射的实验规律如图 4 所示，由图可知( ) 图 4 A.随温度升高，各种波长的辐射强度都增加 B.随温度降低，各种波长的辐射强度都增加 C.随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 D.随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 答案 ACD 解析 由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长 较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故 A、C、D 正确. 2.(对能量子的理解)(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

12、一能量值 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 答案 BC 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；能量子 h，与电磁波的频率 成正比，C 正确. 3.(能量子的理解及 h 的应用)二氧化碳能强烈吸收红外长波辐射， 这种长波辐射的波长范 围约是 1.410 31.6103 m，相应的频率范围是_，相应的光子能量的范围是 _.(已知普朗克常量 h6.610 34J s，真空中的光速 c3.0108 m/s.结果取两 位有效数字) 答案 1.910112.11011Hz 1.310 221.41022J 解析 由 c 得 c ， 则求得频率范围为 1.910 112.11011Hz.又由 h 得能量范围为 1.310 221.41022J.