《量子概念的诞生》学案

量子概念的诞生
课标定位
1.理解热辐射，知道一切物体都在向外辐射能 量．
2．了解黑体和黑体辐射的实验Fra bibliotek律，知道普朗克 提出的能量子的假说．
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课前自主学案
一、热辐射问题、黑体与黑体辐射 1．热辐射：周围的一切物体都在辐射电磁波， 这种辐射的强度随波长如何分布都与物体的 _温__度___相关，所以叫做热辐射． 2．黑体：某物体能够__全__部__吸收外来电磁波 而不发生反射，这种物体称为绝对黑体，简称 黑体. 3．黑体辐射：黑体表面向外辐射电磁波的强 度按波长分布的情况与温度有关．
3．能量子概念的引入，解决了黑体辐射问题， 向人们展示了自然过程的非连续特性，标志着量 子论的诞生．
思考感悟
普朗克认为能量是量子化的，为什么我们感觉 不到宏观物体的量子化特征？
提示：对于宏观物体，因为普朗克常量h非常小， 可认为趋近于零，量子化的特征显示不出来．
二、普朗克提出的能量子概念和量子论诞生的 历史意义
1．能量子：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸 收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的 _的_整_．_数_这_倍_个_．_不即可：再能分的的辐最射小或能者量吸值收ε叫只做能_是_能_一_量_份_子_一_．_份_
2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率， h称为普朗克常量．h＝__6_.6_2_6_×__1_0_－__34_J·s(一般取 h＝6.63×10－34 J·s)

图4-1-4 小圆代表实验值，曲线是根据 普朗克的公式作出的．
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量子化现象 在宏观世界里，一个物理量的取值通常是连续的，但在微观世
界里，物理量的取值多是不连续的，只能取一些分立的值，物
理量分立取值的现象称量子化现象，量子化理论成为新物理学 思想的基石之一．
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【变式1】
下列关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有
( A．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加 B．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 C．黑体热辐射的强度与波长无关 )．
D．黑体辐射无任何实验
解析 黑体辐射的规律为随着温度的升高各种波长的辐射强度都
对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了 革命性的影响．普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现 了微观世界的基本特征．
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一、黑体辐射及其实验规律 对黑体的理解
(1)如果某种物体在任何温度下都能够完全吸收入射的各种电磁
波而不发生反射，这种物体就是黑体．所谓“黑体”是指能够 全部吸收所有频率的电磁辐射的理想物体，绝对的黑体实际上 是不存在的．
(1)黑体辐射的实验规律如图4-1-2所示，揭示了黑体辐射强度按
波长分布的情况： ①随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加． ②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．
图4-1-2
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(2)黑体辐射实验规律的理论解释：
经典物理学认为，物体中存在着不停运动的带电微粒，每个带电
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• 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．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入 小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终 不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体
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二、普朗克提出的能量子概念和量子论诞生的 历史意义
1．能量子：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸 收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的 __整__数__倍__．_即：能的辐射或者吸收只能是一份一份 的．这个不可再分的最小能量值ε叫做_能__量__子__．___
2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率， h称为普朗克常量．h＝____6_.6_3_×__1_0_－__34J·s
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钢水
低温物体发出的是 红外光，
炽热物体发出的是 可见光，
高温物体发出的是 紫外光。
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运动时人 体各部分 温度分布
头部各部分温度不同， 它们的热辐射存在差异， 这种差异可通过热象仪 转换成可见光图像。
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红外夜视图
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2. 对热辐射的初步认识
(1) 任何物体任何温度均存在热辐射； (2) 热辐射谱是连续谱； (3) 热辐射谱与温度有关：
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普朗克假设： 普朗克认为：金属空腔中的电子振动可视为一维谐 振子，这些谐振子辐射电磁波，也从周围电磁场中 吸收能量。谐振子的能量不能连续变化，只能取一 系列分立的值，其最小的能量称为能量子，与频率
成正比，即 h。
谐振子辐射和吸收的能量只能是的 h 整数倍。

1 量子概念的诞生[学习目标] 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.知道普朗克提出的能量子假说．一、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．二、黑体与黑体辐射1．黑体：某种物体能够完全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．谐振子的能量是不连续的，而只能取一些分立的值，即E n ＝nhν(n ＝1,2,3，…)，最小的一份能量称为能量子．2．大小：ε＝hν，其中ν是谐振动(电磁波)的频率，h 是普朗克常量，h ＝6.63×10－34J·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． [即学即用]1．判断下列说法的正误．(1)黑体一定是黑色的物体．( × )(2)能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)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍．( √ )(5)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比．( √ )2．人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm 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6.63×10－34J·s，光速为3×108m/s ，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率约是( ) A ．2.3×10－18W B ．3.8×10－19W C ．7.0×10－10WD ．1.2×10－18W答案 A解析 因为只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉．所以察觉到绿光时所接收到的最小功率P ＝E t ，式中t ＝1s 时E ＝6ε，又ε＝hν＝h c λ，可解得P ≈2.3×10－18W.一、黑体辐射的规律 [导学探究]1．什么是黑体辐射？它与热辐射有什么不同？答案 能够完全吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，叫做黑体．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，而热辐射还与其他因素有关(材料的种类和表面状况)．2．黑体辐射电磁波的强度按波长分布如图1所示，当温度从1300K升高到1700K时，各种波长的电磁波的辐射强度怎么变化？辐射强度极大值对应的波长如何变化？图1答案变强．辐射强度极大值向波长较短的方向移动，即变短．[知识深化]1．一般物体与黑体的比较2.3．现实生活中不存在理想的黑体，实际的物体都能辐射红外线(电磁波)，也都能吸收和反射红外线(电磁波)，绝对黑体不存在，是理想化的模型．例1 (多选)黑体辐射的实验规律如图2所示，由图可知( )图2A ．随着温度升高，各种波长的辐射强度都增加B ．随着温度降低，各种波长的辐射强度都增加C ．随着温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D ．随着温度降低，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，随着温度升高，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． 二、能量子[导学探究] 某激光器能发射波长为λ的激光，那么激光能量子的能量可以取任意值吗？是连续的还是一份一份的？设普朗克常量为h ，那么每个激光能量子的能量是多少？如果激光发射功率为P ，那么每秒钟发射多少个能量子？(光速为c)答案 激光能量子的能量不是连续的，而是一份一份的，ε＝h c λ.个数n ＝P ε＝Pλhc .[知识深化]1．物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量规律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，能量变化也是连续的，不必考虑能量量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化．3．能量子的能量ε＝hν，其中h 是普朗克常量，ν是电磁波的频率． 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为单位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ε的整数倍或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．1．思维程序：c ＝λν→光的频率―――――――→ν＝c λ能量子的能量――→ε＝hν激光束的总能量E ＝nε→能量子的个数2．解决此类题目的关键是熟练掌握ε＝hν和c ＝λν及E ＝nε＝Pt 等公式．1.(对黑体辐射规律的理解)(多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看做黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度．如图3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( )图3A ．T 1>T 2B ．T 1<T 2C ．随着温度的升高，各种波长黑体辐射的强度都有所降低D ．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 答案 AD解析 黑体是指在任何温度下，能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不反射的物体，黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关．实验表明，随着温度的升高，黑体辐射中各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．从题图中可以看出，λ1<λ2，T 1>T 2，本题正确选项为A 、D. 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一能量值εB ．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 BC3．(能量量子化的理解)硅光电池是将光辐射的能量转化为电能．若有N 个波长为λ0的光子打在硅光电池极板上，这些光子的总能量为(h 为普朗克常量，c 为真空中的光速)( ) A ．h c λ0B ．Nh c λ0C ．Nhλ0D ．2Nhλ0答案 B解析 一个光子的能量ε＝hν＝h c λ0，则N 个光子的总能量E ＝Nh cλ0，选项B 正确．一、选择题考点一黑体辐射的理解和应用1．关于对热辐射的认识，下列说法中正确的是( )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答案 B解析一切物体都在不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，对于一般材料的物体，辐射强度按波长的分布除与物体的温度有关外，还与材料的种类和表面状况有关；常温下我们看到的物体的颜色是反射光的颜色．2．黑体辐射电磁波的强度按波长分布的影响因素是( )A．温度B．材料C．表面状况D．以上都正确答案 A解析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，A对．3．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图像中，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增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．由此规律可知应选A.4．“非典”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答案 C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．5．下列叙述错误的是( )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．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波答案 B解析根据热辐射定义知A对；根据热辐射和黑体辐射的特点知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，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B错，C 对；根据黑体定义知D对．考点二能量子的理解和应用6．普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，开创了物理学的新纪元．在下列宏观概念中，具有“量子化”特征的是( )A．人的个数B．物体所受的重力C．物体的动能D．物体的长度答案 A解析依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地变化的，属于“不连续的，一份一份”的概念的是A选项，故A正确，B、C、D错误．7．已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为( )A．h cλB.hλC.chλD．以上均不正确答案 A解析由波速公式c＝λν可得：ν＝cλ，由光的能量子公式得ε＝hν＝hcλ，故选项A正确．8．能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18J，已知可见光的平均波长为0.6μm，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速为3×108m/s，若恰能引起人眼的感觉，则进入人眼的光子数至少为( )A．1个B．3个C．30个D．300个答案 B解析每个光子的能量为E0＝h cλ，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E为10－18 J，由E＝nE0得进入人眼的光子数至少为n＝EE0＝Eλhc＝10－18×6×10－76.63×10－34×3×108个≈3个．故选B.9．在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用．蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的．假设老鼠的体温约37℃，它发出的最强的热辐射的波长为λmin.根据热辐射理论，λmin与辐射源的绝对温度T的关系近似为Tλmin＝2.90×10－3m·K，则老鼠发出的最强热辐射的波长为( )A．7.8×10－5m B．9.4×10－6mC．1.16×10－4m D．9.7×10－8m答案 B解析由Tλmin＝2.90×10－3m·K可得，老鼠发出的最强热辐射的波长为λmin＝2.90×10－3m·kT＝2.90×10－3273＋37m≈9.4×10－6m，B正确．10．红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况．地球大气中的水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波，只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收．如图1所示为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围是( )图1A．2.5～3.5μm B．4～4.5μmC．5～7μm D．8～13μm答案 D解析由题图可知，水对红外辐射吸收率最低的波长范围是8～13 μm；二氧化碳对红外辐射吸收率最低的波长范围是5～13 μm.综上可知，应选D.二、非选择题11．(能量子个数的计算)40瓦的白炽灯，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580nm ，那么该白炽灯每秒钟辐射的光子数为多少？(普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s，光速c ＝3×108m/s) 答案 5.8×1018个解析 波长为λ的光子能量为：ε＝hν＝h c λ① 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 ＝ηP ε② 式中，η＝5%是白炽灯的发光效率．联立①②式得：n ＝ηPλhc代入题给数据得：n ≈5.8×1018个12．(能量子的理解和计算)某广播电台的发射功率为10kW ，发射的是在空气中波长为187.5m 的电磁波，则：(普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s，光速c ＝3×108m/s) (1)该电台每秒从天线发射多少个能量子？(2)若发射的能量子在以天线为球心的同一球面上的分布视为均匀的，求在离天线2.5km 处，直径为2m 的球状天线每秒接收的能量子个数以及接收功率．(球面积公式S ＝4πR 2)答案 (1)9.4×1030个 (2)3.76×1023个 4×10－4W解析 (1)每个能量子的能量ε＝hν＝hc λ＝6.63×10－34×3×108187.5J ≈1.06×10－27J 则能量子数N ＝Pt ε≈9.4×1030个． (2)设球状天线每秒接收的能量子数为n 个，以电台发射天线为球心，则半径为R 的球面积S ＝4πR 2，而球状天线的有效接收面积S ′＝πr 2，所以n ＝N S ′S ＝N r 24R 2＝9.4×1030×124×(2.5×103)2个＝3.76×1023个 接收功率P 收＝nεt＝3.76×1023×1.06×10－27W ≈4×10－4W.。