1.了解黑體輻射及其研究的歷史脈絡(luò),感悟以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法。(科學(xué)探究)2.了解能量子的概念及其提出的過程,領(lǐng)會(huì)這一科學(xué)概念的創(chuàng)新性突破中蘊(yùn)含的偉大科學(xué)思想。(科學(xué)思維)3.了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化的特點(diǎn),體會(huì)量子理論的建立極大豐富和深化了人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。(科學(xué)態(tài)度與責(zé)任)
【必備知識(shí)】一、熱輻射想一想紅外體溫計(jì)具有方便快捷的特點(diǎn),那么,這種體溫計(jì)是根據(jù)什么制成的呢?提示 將被測(cè)物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。紅外線輻射能量的大小與物體本身的溫度是相關(guān)聯(lián)的,根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)大小,就可以確定物體的溫度。
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),所以叫熱輻射。2.輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同。當(dāng)溫度升高時(shí),熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來越強(qiáng)。3.除了熱輻射外,物體表面還會(huì)吸收和反射外界射來的電磁波。常溫下我們看到的不發(fā)光物體的顏色就是反射光所致。4.黑體:如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射,這種物體就叫作黑體。黑體雖然不反射電磁波,但是可以向外輻射電磁波。黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與它的溫度有關(guān)。
二、能量子1.定義:普朗克認(rèn)為,振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。例如,可能是ε或2ε、3ε……這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。2.能量子大小:ε= hν ,其中ν是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。3.能量的量子化:普朗克的假設(shè)認(rèn)為,微觀粒子的能量是量子化的,或者說微觀粒子的能量是不連續(xù)(分立)的。4.光子:光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的,頻率為ν的光的能量子為hν,h是普朗克常量,這些能量子叫光子。
三、能級(jí)1.微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng),原子的能量是量子化的,這些量子化的能量值叫作能級(jí)。通常情況下,原子處于能量最低的狀態(tài),這是最穩(wěn)定的。氣體放電管中的原子受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊,有可能躍遷到較高的能量狀態(tài)。這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的,會(huì)自發(fā)地向能量較低的能級(jí)躍遷,放出光子。2.原子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出光子的能量,等于前后兩個(gè)能級(jí)之差。由于原子的能級(jí)是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。
【自我檢測(cè)】1.正誤判斷,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題說明原因。(1)溫度較低的物體不能輻射紅外線。(　　)答案 ×解析 我們周圍的一切物體都能進(jìn)行輻射。(2)黑體一定是黑色的。(　　)答案 ×解析 黑體是能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體,不一定是黑色的物體。
(3)溫度越高,熱輻射中波長(zhǎng)較長(zhǎng)的成分越強(qiáng)。(　　)答案 ×解析 一切物體都在輻射電磁波,溫度越高,熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越強(qiáng)。(4)當(dāng)原子從能量較高的能級(jí)躍遷到能量較低的能級(jí)時(shí),會(huì)放出任意能量的光子。(　　)答案 ×解析 當(dāng)原子從能量較高的能級(jí)躍遷到能量較低的能級(jí)時(shí),放出光子的能量等于前后兩個(gè)能級(jí)之差。
2.光子的能量與其(　　)A.頻率成正比　　　　B.波長(zhǎng)成正比C.速度成正比D.速度平方成正比答案 A解析 根據(jù)光子的能量的公式 ,可知光子的能量與其頻率成正比,與波長(zhǎng)成反比,與速度無關(guān),故A正確。
【情境導(dǎo)引】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,它的溫度是否一直在上升?要點(diǎn)提示 不會(huì),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。
【知識(shí)歸納】1.黑體實(shí)際上是不存在的,只是一種理想情況。2.黑體不一定是黑的,只有當(dāng)自身輻射的可見光非常微弱時(shí)看上去才是黑的;有些可看作黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射,看起來還會(huì)很明亮。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也有時(shí)被看作黑體來處理。3.黑體同其他物體一樣也在輻射電磁波,黑體的輻射規(guī)律最為簡(jiǎn)單,黑體輻射強(qiáng)度只與溫度有關(guān)。
4.一般物體和黑體的熱輻射、反射、吸收的特點(diǎn)。熱輻射不一定需要高溫,任何溫度都能發(fā)生熱輻射,只是溫度低時(shí)輻射弱,溫度高時(shí)輻射強(qiáng)。在一定溫度下,不同物體所輻射的光譜的成分有顯著不同。
【典例示范】例1某軍事演習(xí)中,士兵佩戴著“紅外夜視儀”,在夜間也能清楚地看清目標(biāo),主要是因?yàn)?　　)A.“紅外夜視儀”發(fā)射出強(qiáng)大的紅外線,照射被視物體B.一切物體均在不停地輻射紅外線C.一切高溫物體均在不停地輻射紅外線D.紅外線屬于可見光答案 B解析 一切物體都在不停地向外輻射紅外線,不同物體輻射出來的紅外線不同,采用“紅外夜視儀”可以清楚地分辨出物體的形狀、大小和位置,不受白天和夜晚的影響,故B正確。
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(zhǎng)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(zhǎng)的電磁波答案 ACD解析 根據(jù)熱輻射定義知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),而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān),B錯(cuò)誤,C正確;根據(jù)黑體的定義知D正確。
【情境導(dǎo)引】普朗克的能量量子化的觀點(diǎn)與宏觀世界中我們對(duì)能量的認(rèn)識(shí)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,就可以看作連續(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。
【知識(shí)歸納】1.普朗克的量子化假設(shè)(1)能量子振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是最小能量值ε的整數(shù)倍。例如,可能是ε或2ε、3ε……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,這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)能量子公式:ε=hν,其中ν是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。h=6.626 070 15×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。(3)能量量子化: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)象叫能量量子化。2.在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)我們可以認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)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)必須考慮量子化。
【典例示范】例2光是一種電磁波,可見光的波長(zhǎng)的大致范圍是400~700 nm,求400 nm、700 nm的電磁輻射的能量子的值是多少?答案 4.97×10-19 J　2.84×10-19 J解析 根據(jù)公式c=λν和ε=hν
變式訓(xùn)練2(多選)關(guān)于對(duì)普朗克能量子假說的認(rèn)識(shí),下列說法正確的是(　　)A.振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一能量值εB.帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍C.能量子與電磁波的頻率成正比D.能量子假說與現(xiàn)實(shí)世界相矛盾,因而是錯(cuò)誤的答案 BC解析 普朗克能量子假說認(rèn)為,能量存在某一個(gè)最小值,帶電微粒輻射或吸收的能量只能是這個(gè)最小能量值的整數(shù)倍,故A錯(cuò)誤,B正確;能量子與電磁波的頻率成正比,故C正確;能量子假說反映的是微觀世界的特征,不同于宏觀世界,并不是與現(xiàn)實(shí)世界相矛盾,故D錯(cuò)誤。
【情境導(dǎo)引】玻爾認(rèn)為,電子只能在一些半徑取分立值的軌道上運(yùn)動(dòng),如氫原子中電子運(yùn)動(dòng)軌道的最小半徑是0.53×10-10 m,其他的軌道半徑只能是2.12×10-10 m、4.77×10-10 m等,軌道半徑不可能是介于這些值之間的中間值,經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)是怎樣的?
要點(diǎn)提示 根據(jù)經(jīng)典理論,隨著不斷向外輻射能量,電子的能量減少,電子繞原子核運(yùn)行的軌道半徑連續(xù)地減小,于是電子將沿著螺旋線的軌道落入原子核。
【知識(shí)歸納】1.能級(jí):微觀世界的能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng),原子的能量是量子化的,這些量子化的能量值叫作能級(jí)。2.原子處于能量最低的狀態(tài)是最穩(wěn)定的。3.原子獲得能量有可能躍遷到較高的能量狀態(tài),這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的,會(huì)自發(fā)地向能量較低的能級(jí)躍遷。4.原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷放出的光子的能量等于前后兩個(gè)能級(jí)之差,原子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)吸收光子的能量也等于前后兩個(gè)能級(jí)之差。5.由于原子的能級(jí)是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。
【典例示范】例3一個(gè)氫原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí),該氫原子(　　)A.放出光子,能量增加B.放出光子,能量減少C.吸收光子,能量增加D.吸收光子,能量減少答案 B解析 氫原子能級(jí)越高對(duì)應(yīng)的能量越大,當(dāng)氫原子從較高能級(jí)向較低能級(jí)躍遷時(shí)放出光子,能量減少,B正確,A、C、D錯(cuò)誤。
變式訓(xùn)練3下列敘述正確的是(　　)A.原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量等于前后兩個(gè)能級(jí)之差B.原子處于能級(jí)最高的狀態(tài)時(shí)是最穩(wěn)定的C.氣體放電管中的原子受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊只會(huì)躍遷到較低的能量狀態(tài)D.原子的發(fā)射光譜是一些連續(xù)的亮線
答案 A解析 原子的能量是量子化的,這些量子化的能量值叫作能級(jí),原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量,等于前后兩個(gè)能級(jí)之差,選項(xiàng)A正確;通常情況下,原子處于能級(jí)最低的狀態(tài),這是最穩(wěn)定的,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;氣體放電管中的原子受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊,有可能躍遷到較高的能量狀態(tài),這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的,會(huì)自發(fā)地向能量較低的能級(jí)躍遷放出光子,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由于原子的等級(jí)是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
1.關(guān)于對(duì)熱輻射的認(rèn)識(shí),下列說法正確的是(　　)A.熱的物體向外輻射電磁波,冷的物體只吸收電磁波B.一般溫度越高,物體輻射的電磁波越強(qiáng)C.輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況只與物體的溫度有關(guān),與材料種類及表面狀況無關(guān)D.常溫下我們看到的物體的顏色就是物體輻射電磁波的顏色答案 B解析 一切物體都不停地向外輻射電磁波,且一般溫度越高,輻射的電磁波越強(qiáng),A錯(cuò)誤、B正確;選項(xiàng)C是黑體輻射的特性,C錯(cuò)誤;常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色,D錯(cuò)誤。

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