高中物理 第三章 第三节 氢原子光谱 粤教版选修3-5

选修3-5第三章第3节氢原子光谱教学设计【课题】粤教版选修3－5第三章第3节氢原子光谱【课时】1个课时【教学目标】1．知识与技能a)了解氢原子光谱的不连续性及各个线系。

b)知道每种原子都有其特定的原子光谱，了解光谱分析在科学技术中的应用。

2．过程与方法通过观察氢原子光谱的实验，知道一种观察光谱的方法，明确原子光谱的不连续性。

3．情感、态度与价值观了解光谱分析的应用，体会物理学对技术、生活的推动作用，培养浓厚的科学兴趣。

【学情分析】学生通过α粒子散射实验了解了原子结构，知道原子是由原子核及核外电子组成，但核外电子在核外如何运动并不清楚，本节课正是从这里引入。

另外，学生对于量子化的了解只局限于普朗克关于能量量子假说的初步印象中，这也成为下节课的难点内容，故本节课应先通过光谱分析使学生对于能量量子化的理解有初步的思考，这也是本节课的任务之一。

【教学内容分析】1.课程标准：通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。

2.教材分析：本节课安排在原子结构与原子的能级结构之间，起着承上启下的作用。

通过氢原子光谱的不连续性、巴耳末公式引起学生对原子能级结构的思考，通过对光谱的介绍，使学生了解光谱分析在科学技术中的应用。

【重难点】重点：氢原子光谱的不连续性及各个线系难点：通过光谱分析理解巴耳末公式的意义【教学方法】逻辑推理法、实验法、比较法等【教学用具】实验器材：分光镜、三棱镜、手电筒、稀薄气体放电管、高压感应圈【教学环节与活动】么是光谱呢？演示实验：利用三棱镜和手电筒演示光的色散。

解释光带如何形成的及强调不同位置的光对应着不同波长的光。

为了能精确地测量不同光的波长，简要介绍分光镜的作用和结构。

二、氢原子光谱实验规律（板书）为了方便研究，我们研究最简单的原子光谱——氢原子光谱。

演示实验：利用稀薄氢气的放电管演示氢原子发光。

播放视频：氢原子光谱，显示氢原子光谱。

提出问题：显示各氢原子光谱线的波长，并引导学生思考并总结氢原子光谱线的特点。

3.3氢原子光谱 3.4原子的能级结构 讲学案 高二级 班 姓名 座号 周次 星期 一、学习目标: 1.知道氢原子光谱的不连续性及各个线系，每种原子都有其特定的原子光谱； 2.了解原子的能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念；3.理解原子的能级公式并会利用公式分析一些有关原子能级的问题。

二、复习检测:如图1所示，M 、N 为原子核外的两个等势面，已知UNM ＝100 V ．一个α粒子以2.5×105 m/s 从等势面M 上的A 点运动到B 点，求α粒子在B 点时速度的大小．(已知m α＝6.64×10－27 kg)图1三、新课教学知识点一：氢原子光谱1．原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，这种光谱被称为 ．2．每种原子都有自己特定的原子光谱，不同的原子，其原子光谱 ，因而原子光谱被称为原子的 ．3．人们把一系列符合 的光谱线称为巴耳末系，其公式为1λ＝R (122－1n2)．n ＝3,4,5…… 典题：对于巴耳末公式下列说法正确的是( )A ．所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应B ．巴耳末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长C ．巴耳末公式确定了氢原子发光的一个线系的波长，其中既有可见光，又有紫外光D ．巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长知识点二：原子的能级结构1．由于氢原子光谱是 的，因此我们猜想原子内部的能量也是 的，并把此能量称为原子的能级．2．氢原子的能级公式为E n ＝－Rhc n2，n ＝1,2,3，其中E 1＝ _eV ，这个最低能级对应的状态称为 ，其他状态称为 ．典题：氢原子的基态能量为E 1，如图1所示，四个能级图正确代表氢原子能级的是( )图1知识点三：原子的能级跃迁1．处于 的氢原子是不稳定的，它会向 的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以 的形式向外辐射，辐射出来的能量等于两能级间的能量差．2．巴耳末系是氢原子从n ＝3,4,5…等能级跃迁到n ＝ 的能级时辐射出来的光谱．典题：氢原子从能级m 跃迁到能级n 时辐射红光的频率为ν1，从能级n 跃迁到能级k 时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常量为h ，若氢原子从能级k 跃迁到能级m ，则( )A ．吸收光子的能量为hν1＋hν2B ．辐射光子的能量为hν1＋hν2C ．吸收光子的能量为hν2－hν1D ．辐射光子的能量为hν2－hν1四、巩固练习1．(双选)巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式1λ＝R (122－1n 2)，n ＝3,4,5…，对此，下列说法正确的是( ) A ．巴耳末依据该式结构理论总结出巴耳末公式 B ．巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性C ．巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式D ．巴耳末公式准确反映了氢原子发光的实际，其波长的分立值并不是人为规定的2．已知氢原子的基态能量为E 1，激发态能量 E n ＝E 1/n 2，其中n ＝2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速．能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为( )A ．－4hc 3E 1B ．－2hc E 1C ．－4hc E 1D ．－9hcE 13．用频率为ν0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为1、ν2、ν3的三条谱线，且ν3>ν2>ν1，则________．(填入正确选项前的字母)A ．ν0<ν1B ．ν3＝ν2＋ν1C ．ν0＝ν1＋ν2＋ν3 D.1ν1＝1ν2＋1ν3五、课堂小结六、作业1．氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( )A.59B.49C.79D.292．氢原子核外的电子从基态跃迁到n ＝2的能级时，吸收的能量为E ，则电子从n ＝2能级跃迁到n ＝3能级时需要吸收的能量是( )A ．5E /27B ．E /3C ．5E /18D ．5E /363．(双选)氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时，可能发生的情况是( )A ．放出光子，电子动能减少，原子的能量增加B ．放出光子，电子动能增加，原子的能量减少C ．吸收光子，电子动能减少，原子的能量增加D ．吸收光子，电子动能增加，原子的能量减少4．一个氢原子处于第3能级时，外面射来一个波长λ＝6.63×10－7 m 光子，下列说法正确的是( )A ．氢原子不吸收这个光子，光子穿过氢原子B ．氢原子被电离，电离后电子的动能是0.36 eVC ．氢原子被电离，电离后电子的动能是零D ．氢原子吸收光子，但不电离。

第三节 氢原子光谱[学习目标] 1.知道什么是光谱，能说出连续谱和线状谱的区别.2.能记住氢原子光谱的实验规律．一、氢原子光谱的实验规律[导学探究] 如图1所示为氢原子的光谱．图1(1)仔细观察，氢原子光谱具有什么特点？(2)阅读课本，指出氢原子光谱的谱线波长具有什么规律？ 答案 (1)从右至左，相邻谱线间的距离越来越小．(2)可见光区域的四条谱线的波长满足巴耳末公式：1λ＝R (122－1n 2)，n ＝3,4,5，…[知识梳理]1．某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，这种光谱被称为原子光谱． 2．巴耳末公式：1λ＝R (122－1n 2)，n ＝3,4,5…式中R 叫做里德伯常量，实验值为R ＝1.097×107m －1.(1)公式特点：第一项都是122；(2)巴耳末公式说明氢原子光谱的波长只能取分立值，不能取连续值．巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征．3．广义巴耳末公式：1λ＝R (1m 2－1n2)，式中m 和n 均为正整数，且n ＞m .[即学即用] 判断以下说法的正误．(1)光是由原子核内部的电子运动产生的，光谱研究是探索原子核内部结构的一条重要途径．( × )(2)稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，使气体变成导体．( √ ) (3)巴耳末公式中的n 既可以取整数也可以取小数．( × ) 二、原子光谱和光谱分析1．光谱的分类和比较光谱分类产生条件光谱形式发射光谱连续谱炽热固体、液体和高压气体发光形成连续分布，一切波长的光都有线状谱(原子光谱)稀薄气体发光形成一些不连续的亮线组成．不同元素谱线不同(又叫特征谱线)吸收光谱炽热的白光通过温度较低的气体后，某些波长的光被吸收后形成用分光镜观察时，见到连续谱背景上出现一些暗线(与特征谱线对应)2．光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线，可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分，这种方法称为光谱分析．3．太阳光谱(1)太阳光谱的特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱．(2)产生原因：当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，这就形成了连续谱背景下的暗线．[即学即用] 判断以下说法的正误．(1)各种原子的发射光谱都是连续谱．( ×)(2)不同原子的发光频率是不一样的．( √)(3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质．( ×)一、氢原子光谱的实验规律例1(多项选择)巴耳末通过对氢原子光谱的研究总结出巴耳末公式1λ＝R(122－1n2)，n＝3,4,5，…，对此，以下说法正确的选项是( )A．巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式B．巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性C．巴耳末依据氢原子光谱的分析总结出巴耳末公式D．巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性，其波长的分立值并不是人为规定的答案 CD解析 巴耳末公式是根据氢原子光谱总结出来的．氢原子光谱的不连续性反映了氢原子发光的分立性，即辐射波长的分立特征，选项C 、D 正确．针对训练1 氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( ) A.59 B.49 C.79 D.29 答案 A解析 由巴耳末公式1λ＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－1n 2n ＝3,4,5，…当n →∞时，有最小波长λ1，1λ1＝R 122， 当n ＝3时，有最大波长λ2，1λ2＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－132，得λ1λ2＝59.二、光谱和光谱分析 1．光谱的分类光谱⎩⎨⎧发射光谱⎩⎪⎨⎪⎧连续谱线状谱吸收光谱2．光谱分析(1)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－10g.(2)应用：a.发现新元素；b.鉴别物体的物质成分． (3)用于光谱分析的光谱：线状谱和吸收光谱．例2 (多项选择)以下关于光谱和光谱分析的说法中，正确的选项是( ) A ．太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱B ．煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱C ．进行光谱分析时，可以用线状谱，不能用连续谱D ．我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分 答案 BC解析 太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱，正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致，白炽灯发出的是连续谱，选项A 错误；月球本身不会发光，靠反射太阳光才能使我们看到它，所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分，选项D 错误；光谱分析只能是线状谱或吸收光谱，连续谱是不能用来进行光谱分析的，所以选项C正确；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱，选项B 正确．针对训练2 关于光谱，以下说法正确的选项是( )A．一切光源发出的光谱都是连续谱B．一切光源发出的光谱都是线状谱C．稀薄气体发光形成的光谱是线状谱D．白光通过钠蒸气产生的光谱是线状谱答案 C解析由于物质发光的条件不同，得到的光谱不同，故A、B错误；稀薄气体发光形成的光谱为线状谱，C正确；白光通过钠蒸气产生的光谱是吸收光谱，D错误.1．(多项选择)以下关于巴耳末公式1λ＝R⎝⎛⎭⎪⎫122－1n2的理解，正确的选项是( )A．此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的B．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱C．公式中n只能取大于或等于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱D．公式不仅适用于氢原子光谱的分析，还适用于其他原子光谱的分析答案AC解析巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的，故A选项正确；公式中的n只能取大于或等于3的整数值，故氢光谱是线状谱，B选项错误，C选项正确；巴耳末公式只适用于氢光谱的分析，不适用于其他原子光谱的分析，D选项错误．2．(多项选择)关于光谱，以下说法中正确的选项是( )A．炽热的液体发射连续谱B．线状谱和吸收光谱都可以对物质进行光谱分析C．太阳光谱中的暗线，说明太阳中缺少与这些暗线相对应的元素D．发射光谱一定是连续谱答案AB解析炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，故A正确；线状谱和吸收光谱都可以用来进行光谱分析，B正确；太阳光谱中的暗线说明太阳大气中含有与这些暗线相对应的元素，C错误；发射光谱有连续谱和线状谱，D错误．3．利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分，关于光谱分析，以下说法中正确的选项是( )A ．利用高温物体的连续谱就可以鉴别其组成成分B ．利用物质的线状谱就可以鉴别其组成成分C ．高温物体发出的光通过某物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分D ．我们观察月亮射来的光的光谱，可以确定月亮的化学组成 答案 B解析 由于高温物体的光谱包括了各种频率的光，与其组成成分无关，故A 错误；某种物质发光的线状谱中的亮线与某种原子发出的某频率的光有关，通过这些亮线与原子的特征谱线对照，即可确定物质的组成成分，B 正确；高温物体发出的光通过其他物质后某些频率的光被吸收而形成暗线，这些暗线与所经物质有关，与高温物体无关，C 错误；月亮反射到地面的光是太阳光，D 错误．4．根据巴耳末公式，可求出氢原子光谱在可见光的X 围内波长最长的2条谱线，其波长分别为654.55×10－9m 和484.85×10－9m ，求所对应的n 值． 答案 n 1＝3 n 2＝4解析 据巴耳末公式1λ＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－1n 2，n ＝3,4,5，…得 1654.55×10－9＝1.10×107×⎝ ⎛⎭⎪⎫122－1n 21，1484.85×10－9＝1.10×107×⎝ ⎛⎭⎪⎫122－1n 22，解得n 1＝3，n 2＝4.一、选择题(1～7题为单项选择题，8～10题为多项选择题) 1．关于原子光谱，以下说法中不正确的选项是( ) A ．原子光谱是不连续的B ．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的C ．由于各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同D ．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素 答案 B解析 原子光谱为线状谱，A 正确；各种原子都有自己的特征谱线，故B 错，C 对；根据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成．由此知A 、C 、D 说法正确，B 说法错误． 2．巴耳末公式简洁显示了氢原子光谱的( )A．分立特征B．连续特征C．既连续又分立D．既不连续又不分立答案 A解析巴耳末公式中的n只能取正整数，得到的波长是一些分立的值．3．以下对于巴耳末公式的说法正确的选项是( )A．所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应B．巴耳末公式只确定了氢原子发光中可见光部分的光的波长C．巴耳末公式确定了氢原子发光中一个线系的波长，其中既有可见光，又有紫外光D．巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长答案 C解析巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系的波长，不能描述氢原子发出的各种光的波长，也不能描述其他原子的发光，A、D错误；巴耳末公式是由当时的可见光中的部分谱线总结出来的，但它适用于整个巴耳末线系，该线系包括可见光和紫外光，B错误，C正确．4．以下关于光谱的说法正确的选项是( )A．炽热固体、液体和高压气体发出的光形成连续谱B．对月光作光谱分析可以确定月亮的化学组成C．气体发出的光只能产生线状谱D．甲物质发出的光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱答案 A5．太阳光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于( ) A．太阳表面大气层中缺少相应的元素B．太阳内部缺少相应的元素C．太阳表面大气层中存在着相应的元素D．太阳内部存在着相应的元素答案 C解析太阳光谱中的暗线是由于太阳发出的连续谱通过太阳表面大气层时某些光被吸收造成的，因此，太阳光谱中的暗线是由于太阳表面大气层中存在着相应的元素，故C正确，A、B、D均错误．6．氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的光波的光子能量为E 1，其次为E 2，那么E 1E 2为( ) A.2027 B.2720 C.23 D.32 答案 A解析 由1λ＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－1n 2得：当n ＝3时，波长最长，1λ1＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－132， 当n ＝4时，波长次之，1λ2＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－142， 解得：λ1λ2＝2720，由E ＝h c λ得：E 1E 2＝λ2λ1＝2027. 7．如图1甲所示的a 、b 、c 、d 为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为( )图1A ．a 元素B ．b 元素C ．c 元素D ．d 元素 答案 B解析 把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照，b 元素的谱线在该线状谱中不存在，应选项B 正确，与几个元素的特征谱线不对应的线说明该矿物中还有其他元素． 8．关于光谱和光谱分析，以下说法中正确的选项是( ) A ．发射光谱包括连续谱和线状谱 B ．太阳光谱是连续谱，氢光谱是线状谱 C ．只有线状谱可用作光谱分析 D ．光谱分析帮助人们发现了许多新元素 答案 AD解析 光谱分为发射光谱和吸收光谱，发射光谱分为连续谱和线状谱，A 正确；太阳光谱是吸收光谱，B 错误；线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析，C 错误；光谱分析可以精确分析物质中所含元素，并能帮助人们发现新元素，D 正确． 9．要得到钠元素的特征谱线，以下做法正确的选项是( ) A ．使固体钠在空气中燃烧 B ．将固体钠高温加热成稀薄钠蒸气 C ．使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸气 D ．使炽热固体发出的白光通过高温钠蒸气 答案 BC解析 炽热固体发出的是连续谱，燃烧固体钠不能得到特征谱线，A 错误；稀薄气体发光产生线状谱，B 正确；强烈的白光通过低温钠蒸气时，某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱，C 正确，D 错误．10．关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系，以下说法正确的选项是( ) A ．经典电磁理论很容易解释原子的稳定性B ．根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上C ．根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的D ．氢原子光谱彻底否定了经典电磁理论 答案 BC解析 根据经典电磁理论：电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上，原子不应该是稳定的，并且发射的光谱应该是连续的．氢原子光谱并没有完全否定经典电磁理论，而是引入了新的概念．故正确答案为B 、C. 二、非选择题11．氢原子光谱除了巴耳末系外，还有赖曼系、帕邢系等，其中帕邢系的公式为1λ＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫132－1n 2，n ＝4、5、6…，R ＝1.10×107 m －1.假设帕邢系的氢原子光谱在红外线区域，试求：(1)n ＝6时，对应的波长；(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多大？n ＝6时，传播频率为多大？ 答案 (1)1.09×10－6m (2)3×108m/s 2.75×1014Hz解析 (1)由帕邢系公式1λ＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫132－1n 2，当n ＝6时，得λ≈1.09×10－6m.(2)帕邢系形成的谱线在红外区域，而红外线属于电磁波，在真空中以光速传播，故波速为光速c ＝3×108 m/s ，由v ＝λT ＝λf ，得f ＝v λ＝c λ＝3×1081.09×10－6 Hz≈2.75×1014Hz.。