2019-2020學(xué)年高中物理 第十七章 波粒二象性 1 能量量子化課件 新人教版選修3-5.ppt

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1能量量子化 一 黑體與黑體輻射1 熱輻射 我們周圍的一切物體都在輻射電磁波 這種輻射與物體的溫度有關(guān) 所以叫做熱輻射 2 黑體 某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射 這種物體就是絕對黑體 簡稱黑體 3 一般材料的物體的輻射規(guī)律 除與溫度有關(guān)外 還與材料的種類及表面狀況有關(guān) 4 黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布與黑體的溫度有關(guān) 如圖所示 1 隨著溫度的升高 各種波長的輻射強(qiáng)度都增加 2 隨著溫度的升高 輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動 二 能量子1 定義 普朗克認(rèn)為 振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值 的整數(shù)倍 當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí) 也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的 這個(gè)不可再分的最小能量值 叫做能量子 2 能量子大小 h 其中 是電磁波的頻率 h稱為普朗克常量 h 6 626 10 34J s 一般取h 6 63 10 34J s 3 能量的量子化 在微觀世界中能量是量子化的 或者說微觀粒子的能量是分立的 自我檢測1 思考辨析 1 熱的物體向外輻射電磁波 冷的物體只吸收電磁波 解析 任何物體在任何溫度下都會發(fā)生熱輻射 這是由于物體中分子 原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象 答案 2 黑體只吸收電磁波 不反射電磁波 看上去是黑的 解析 由于黑體自身輻射電磁波 所以看上去不一定是黑的 答案 3 黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 與材料的種類及表面狀況無關(guān) 解析 黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 與其他因素?zé)o關(guān) 答案 2 探究討論 1 黑體是理想化的物理模型 那么現(xiàn)實(shí)中可以近似看作黑體的都必須一定是黑色的物體嗎 答案 黑體是理想化的物理模型 但并不是只有看上去是黑色的物體才能被近似當(dāng)成黑體 有些可以看作黑體的物體由于自身有較強(qiáng)的輻射 看起來還會很明亮 如煉鋼爐口上的小口 2 在火爐旁邊有什么感覺 投入爐中的鐵塊顏色怎樣變化 說明了什么問題 答案 在火爐旁會感到熱 這是由于火爐不斷地向外輻射能量 投入爐中的鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅 赤紅 橘紅等顏色 直至成為黃白色 這表明同一物體熱輻射的強(qiáng)度與溫度有關(guān) 探究一 探究二 黑體與黑體輻射問題探究1 煤煙很接近黑體 其吸收率為99 即投射到煤煙的輻射能量幾乎全部被吸收 把一定量的煤煙置于陽光下照射 問它的溫度是否一直在上升 要點(diǎn)提示 不會 因?yàn)殡S著能量不斷吸收 還伴隨著能量的輻射 最終將趨于平衡 探究一 探究二 2 很多地方用紅外熱像儀監(jiān)測人的體溫 只要被測者從儀器前走過 便可知道他的體溫是多少 你知道其中的道理嗎 要點(diǎn)提示 根據(jù)熱輻射規(guī)律可知 人的體溫的高低 直接決定了這個(gè)人輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度 因此通過監(jiān)測被測者輻射的紅外線的情況就知道這個(gè)人的體溫 探究一 探究二 知識歸納對黑體和黑體輻射的理解 1 對黑體的理解 絕對的黑體實(shí)際上是不存在的 但可以用某裝置近似地代替 如圖所示 如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)小孔 那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和吸收 最終不能從空腔射出 這個(gè)小孔就成了一個(gè)絕對黑體 2 對黑體輻射的理解 任何物體都具有不斷輻射 吸收 反射電磁波的本領(lǐng) 輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的 也就是具有一定的譜分布 這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān) 因而被稱為熱輻射 探究一 探究二 3 一般物體與黑體的比較 探究一 探究二 4 對熱輻射的理解 在任何溫度下 任何物體都會發(fā)射電磁波 并且其輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同 這是熱輻射的一種特性 在室溫下 大多數(shù)物體輻射的是不能引起視覺的波長較長的電磁波 紅外光 很多物體被加熱到500 左右時(shí) 開始發(fā)出暗紅色的可見光 隨著溫度的不斷上升 物體逐漸亮起來 而且熱輻射中較短波長的成分越來越多 即能引起視覺的電磁波越來越多 大約在1500 時(shí)變成明亮的白熾光 這說明同一物體在一定溫度下所輻射的能量在不同光譜區(qū)域的分布是不均勻的 而且溫度越高光譜中與能量最大的輻射相對應(yīng)的頻率也越高 在一定溫度下 不同物體所輻射的光譜成分有顯著的不同 例如 將鋼加熱到約800 時(shí) 就可觀察到明亮的紅色光 但在同一溫度下 熔化的水晶卻不輻射可見光 探究一 探究二 黑體是理想化的物理模型 對入射電磁波只吸收不反射 探究一 探究二 典例剖析 例題1 對黑體的認(rèn)識 下列說法正確的是 A 黑體只吸收電磁波 不反射電磁波 看上去是黑的B 黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布除與黑體的溫度有關(guān)外 還與材料的種類及表面狀況有關(guān)C 黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 與材料的種類及表面狀況無關(guān)D 如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)很小的孔 射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收 最終不能從小孔射出 這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體 探究一 探究二 解析 由于黑體自身輻射電磁波 所以看上去不一定是黑的 所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤 由于黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤 選項(xiàng)C正確 小孔只吸收電磁波 不反射電磁波 因此是小孔成了一個(gè)黑體 而不是空腔成了一個(gè)黑體 所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤 答案 C規(guī)律總結(jié)要把握黑體的含義 即黑體完全吸收電磁波而不反射電磁波 同時(shí)本身也輻射電磁波 因而黑體并不一定是黑的 要理解黑體輻射的特點(diǎn) 即黑體輻射的電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 與其他因素?zé)o關(guān) 探究一 探究二 變式訓(xùn)練1 多選 下列敘述正確的是 A 一切物體都在輻射電磁波B 一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C 黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D 黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波解析 根據(jù)熱輻射的定義知 選項(xiàng)A正確 根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知 一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外 還與材料種類和表面狀況有關(guān) 而黑體輻射只與黑體的溫度有關(guān) 故選項(xiàng)B錯(cuò)誤 選項(xiàng)C正確 根據(jù)黑體的定義知選項(xiàng)D正確 答案 ACD 探究一 探究二 對能量子的認(rèn)識問題探究1 德國物理學(xué)家普朗克對黑體輻射問題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究 于1900年推導(dǎo)出了普朗克公式 德國物理學(xué)家魯本斯把它與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較 發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 令人滿意地相符 但所有推導(dǎo)都是建立在一個(gè)最重要的假設(shè)基礎(chǔ)之上 這個(gè)假設(shè)是什么呢 要點(diǎn)提示 能量量子化假設(shè) 探究一 探究二 2 普朗克的能量量子化的觀點(diǎn)與宏觀世界中我們對能量的認(rèn)識有什么不同 要點(diǎn)提示 宏觀世界中我們認(rèn)為能量是連續(xù)變化的 普朗克的 能量子 觀點(diǎn)則認(rèn)為能量是一份一份的 每一份是一個(gè)最小能量單位 即能量不是連續(xù)的 宏觀世界中我們認(rèn)為能量是連續(xù)變化的是因?yàn)槊恳粋€(gè)能量子的能量都很小 宏觀變化中有大量的能量子 就可以看做是連續(xù)的 而研究微觀粒子時(shí) 單個(gè)的能量子能量就顯示出不連續(xù)性 探究一 探究二 知識歸納1 普朗克的量子化假設(shè) 1 能量子 振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值 的整數(shù)倍 例如 可能是 或2 3 當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí) 也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的 這個(gè)不可再分的最小能量值 叫作能量子 2 能量子公式 h 是電磁波的頻率 h是一個(gè)常量 后人稱之為普朗克常量 其值為h 6 63 10 34J s 3 能量的量子化 在微觀世界中能量不能連續(xù)變化 只能取分立值 這種現(xiàn)象叫作能量的量子化 探究一 探究二 2 在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動時(shí)我們可以認(rèn)為 物體的運(yùn)動是連續(xù)的 能量變化是連續(xù)的 不必考慮量子化 在研究微觀粒子時(shí)必須考慮能量量子化 物體在發(fā)射或接收能量的時(shí)候 只能從某一狀態(tài) 飛躍 地過渡到另一狀態(tài) 而不可能停留在不符合這些能量的任何一個(gè)中間狀態(tài) 探究一 探究二 典例剖析 例題2 光是一種電磁波 可見光的波長的大致范圍是400 700nm 求400nm 700nm電磁輻射的能量子的值各是多少 思考問題 求解本題的關(guān)鍵是什么 提示 根據(jù)已知條件求每一個(gè)能量子的能量 規(guī)律總結(jié)這類習(xí)題數(shù)量級比較大 注意運(yùn)算當(dāng)中提高運(yùn)算準(zhǔn)確率 探究一 探究二 變式訓(xùn)練2 多選 對于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn) 以下說法正確的是 A 以某一個(gè)最小能量值一份一份地輻射或吸收B 輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C 吸收的能量可以是連續(xù)的D 輻射和吸收的能量是量子化的解析 帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)是以最小能量值 能量子 的整數(shù)倍一份一份地輻射或吸收的 是不連續(xù)的 故選項(xiàng)A B D正確 選項(xiàng)C錯(cuò)誤 答案 ABD 1 2 3 1 多選 下列關(guān)于黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律敘述正確的是 A 隨著溫度的升高 各種波長的輻射強(qiáng)度都有所增加B 隨著溫度的升高 輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動C 黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長無關(guān)D 黑體輻射無任何規(guī)律解析 黑體輻射的規(guī)律為隨著溫度的升高各種波長的輻射強(qiáng)度都增加 同時(shí)輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動 故A B對 答案 AB 1 2 3 2 二氧化碳能強(qiáng)烈吸收紅外長波輻射 這種長波輻射的波長范圍約是1 4 10 3 1 6 10 3m 相應(yīng)的頻率范圍是 相應(yīng)的光子能量的范圍是 已知普朗克常量h 6 6 10 34J s 真空中的光速c 3 0 108m s 結(jié)果取兩位有效數(shù)字 解析 由c 得 則求得頻率范圍為1 9 1011 2 1 1011Hz 又由 h 得能量范圍為1 3 10 22 1 4 10 22J 答案 1 9 1011 2 1 1011Hz1 3 10 22 1 4 10 22J 1 2 3 3 神光 裝置是我國自主研發(fā)的高功率固體激光系統(tǒng) 利用它可獲得能量為2400J 波長 0 35 m的紫外激光 已知普朗克常量h 6 63 10 34J s 則該紫外激光所含光子數(shù)為多少 解析 紫外激光的波長已知 由此可求得紫外激光能量子的值 再根據(jù)紫外激光發(fā)射的總能量為2400J 即可求得紫外激光所含光子數(shù) 紫外激光能量子的值為 答案 4 23 1021