【高中物理】能量量子化课件 2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册.pptx

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1、人教版物理必修三人教版物理必修三第十三章第十三章 电磁感应与电磁波初步电磁感应与电磁波初步第五节第五节 能量量子化能量量子化新课引入新课引入1919世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的个能推断一切电磁现象的 Maxwell Maxwell方程。另外还找到了方程。另外还找到了力、电、光、声等都遵循的规律力、电、光、声等都遵循的

2、规律能量转化与守恒定能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中，律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中，他们认为物理学已经发展到头了。他们认为物理学已经发展到头了。于是，于是，19001900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。些零碎的修补工作就行了。”开尔文开尔文但开尔文毕竞是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面但开尔文毕竞是一位重

3、视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云还有两朵令人不安的乌云.”.”黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验光的速度光的速度这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验光的速度光的速度后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命的风后来的事

4、实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。普朗克量子力学普朗克量子力学普朗克量子力学普朗克量子力学相对论相对论相对论相对论经典力学经典力学微观领域微观领域高速领域高速领域量子力学量子力学相对论相对论把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。铁块依次呈着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢？有

5、这样的变化呢？讨论交流讨论交流一、热辐射一、热辐射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，所以叫作热辐射。物体在室温时，热辐射的主要成度有关，所以叫作热辐射。物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。热辐射中波长较短的成分越来越强。随着温度的升高，铁块从发热，随着温度的升高，铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。发生变化。大量实验结果表明，辐射强度按大量实验结果表

6、明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而波长的分布情况随物体的温度而有所不同。有所不同。常温下我们看到不发光常温下我们看到不发光不透明体不透明体的颜色就是物体表面反射光所致的颜色就是物体表面反射光所致。如果某种物体能够完全吸收入如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发射的各种波长的电磁波而不发生反射，会怎样？生反射，会怎样？讨论交流讨论交流定义；定义；任何物体在任何温度下都会辐射电磁波的现象。（热传递的任何物体在任何温度下都会辐射电磁波的现象。（热传递的三种方式之一）三种方式之一）原因：原因：物体分子无规则运动，辐射电磁波。物体分子无规则运动，辐射电磁波。1.1.热辐射热辐射特点

7、：特点：物体温度高，辐射能量本领强，电磁波的短波成份多，长波物体温度高，辐射能量本领强，电磁波的短波成份多，长波成份少。（各种波长都有）成份少。（各种波长都有）实际热辐射的复杂性实际热辐射的复杂性外来各种波长的辐射能外来各种波长的辐射能反射某些波长的辐射能反射某些波长的辐射能（随物而异）（随物而异）吸收某些波长的辐射能吸收某些波长的辐射能（随物而异）（随物而异）发射各种波长的热辐射能发射各种波长的热辐射能（随物而异）（随物而异）处于某一温度处于某一温度不透明体不透明体T T对热辐射规律的研究显得较复杂对热辐射规律的研究显得较复杂2.2.黑体黑体讨论交流：讨论交流：一座建设中楼房还没有安装窗子，

8、尽一座建设中楼房还没有安装窗子，尽管室内已粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度管室内已粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？与楼外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？向远处观察打开的窗子近似黑色向远处观察打开的窗子近似黑色黑体：黑体：如果某物体能够完全吸收入射的各种波如果某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，这物体称为黑体。长的电磁波而不发生反射，这物体称为黑体。小孔近似为黑体小孔近似为黑体黑体辐射:只与温度有关。研究黑体辐射是了解一般物体热辐射性质的基础。研究黑体辐射是了解一般物体热辐射性质的基础。黑体的实验模型黑体的实验模型对空腔加热至某

9、对空腔加热至某平衡温度平衡温度T T通过小孔进入腔内的辐射能反射回小孔通过小孔进入腔内的辐射能反射回小孔出射的机会极小，几乎全部被腔壁吸收。出射的机会极小，几乎全部被腔壁吸收。小孔表面好比黑体小孔表面好比黑体（吸收全部入射的辐射能而无反射）（吸收全部入射的辐射能而无反射）从小孔表面出射的就是处于某一热平从小孔表面出射的就是处于某一热平衡温度衡温度T T的实验黑体的辐射能，进而探的实验黑体的辐射能，进而探索其能谱分布规律。索其能谱分布规律。3.3.黑体辐射黑体辐射对于一般材料的物体，辐射电对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有还与

10、材料的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度按波长的分布只与黑体的温度有关。有关。黑体辐射实验规律：随着温度的升高黑体辐射实验规律：随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加；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。辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。0 1 2 3 4 1700K1500K1300K1100K辐射强度辐射强度黑体辐射两种经典解释黑体辐射两种经典解释瑞利瑞利-金斯线金斯线维恩线维恩线德国物理学家维恩德国物理学家维恩根据经典热力学，根据经典热力学，在在18961896年提出了年提出了一个辐射强度随波

11、长一个辐射强度随波长及温度变化的半经验及温度变化的半经验公式公式，维恩公式，维恩公式，得出曲线。得出曲线。短波符合；长波不符合。短波符合；长波不符合。根据经典热力学与电磁学，根据经典热力学与电磁学，物理学家物理学家瑞利在瑞利在19001900年也提出了年也提出了一个一个理论公式理论公式，后经金斯改进，合称瑞利后经金斯改进，合称瑞利-金斯公式，金斯公式，得出曲线。得出曲线。长波符合；短波荒唐长波符合；短波荒唐-紫外灾难。紫外灾难。在紫外线一端，当波长趋于在紫外线一端，当波长趋于0 0时，辐射本领将趋于无穷时，辐射本领将趋于无穷大这种情况被人们称为大这种情况被人们称为“紫外灾难紫外灾难”。二、能量

12、子二、能量子1.1.普朗克对黑体辐射理论解释普朗克对黑体辐射理论解释:为了得出同实验相符的黑体为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试。辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试。-普朗克公式普朗克公式普朗克找到了一个数学公式，普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。它与实验吻合得非常完美。维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利金斯公式，金斯公式，其实就是普朗克公式的特殊情况。其实就是普朗克公式的特殊情况。普朗克尝试从电磁学、力学、统普朗克尝试从电磁学、力学、统计物理学等物理学的基本理论出计物理学等物理学的基本理论出发，把这个公式推导出来。发，把这个公式推导出来。普朗

13、克最终在普朗克最终在19001900年底发现，如果想推导出这个公式，就必年底发现，如果想推导出这个公式，就必须假定：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最须假定：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值小能量值的整数倍。的整数倍。借助于能量子的假说，普朗克得出的黑体辐射的强度按波借助于能量子的假说，普朗克得出的黑体辐射的强度按波长的分布公式，与实验符合的非常好。长的分布公式，与实验符合的非常好。2.2.能量子：能量子：不可再分的最小能量值不可再分的最小能量值叫作能量子。叫作能量子。其中：其中：是电磁波的频率是电磁波的频率h h是一个常量：普朗克常量是一个常量：普朗克常量h h

14、 6.6260701510 6.6260701510-34-34 JsJs微观粒子的能量是微观粒子的能量是量子化量子化的，或者说微观粒子的能量是的，或者说微观粒子的能量是分分立的。立的。能量子的观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不能量子的观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同，例如，一个宏观的单摆，小球在摆动的过程中，受同，例如，一个宏观的单摆，小球在摆动的过程中，受到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续的。而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，的。而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连

15、续（分立）的。或者说微观粒子的能量是不连续（分立）的。3 3、分立和连续、分立和连续微观微观宏观宏观连续连续分立的，分立的，量子化量子化 宏观世界能量的连续性与微观宏观世界能量的连续性与微观粒子的能量的量子化，这是宏粒子的能量的量子化，这是宏观世界与微观物理规律最重要观世界与微观物理规律最重要的差别之一。的差别之一。4.4.能量量子化假说的意义能量量子化假说的意义普朗克的能量子假设普朗克的能量子假设,使人类对微观世界的本质有了全使人类对微观世界的本质有了全新的认识新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。对现代物理学的发展产生了革命性的影响。成为物理学发展史上一个重大转折点成为物理学发展

16、史上一个重大转折点;普朗克常量普朗克常量h h是自然界最基本的常量之一是自然界最基本的常量之一,它体现了微它体现了微观世界的基本特征观世界的基本特征;不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。础。5 5、光子、光子（1 1）光电效应：照射到金属表面的光）光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象能使金属中的电子从表面逸出。这个现象叫光电

17、效应，这种电子常被称为光电子。叫光电效应，这种电子常被称为光电子。一条光线一条光线（2 2）光子：）光子：爱因斯坦从普朗克的能量子爱因斯坦从普朗克的能量子假说中得到了启发，他提出：假说中得到了启发，他提出：光本身是由光本身是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为一个个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为的光的能量子为h h，h h是普朗克常量，是普朗克常量，这些能量子叫光子。这些能量子叫光子。三、能级三、能级1.1.能级能级:微观世界中能量取值分立的观念也适用于原子系统，微观世界中能量取值分立的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量叫做能级原子的能量是量子化的。这

18、些量子化的能量叫做能级。高能级高能级:能量较高的能级能量较高的能级 低能级低能级:能量较低的能级能量较低的能级基能级基能级:能量最低的能级能量最低的能级 (相应的状态称相应的状态称基态基态）激发能级激发能级:能量高于能量高于基态基态的所有能级的所有能级(相应状态称相应状态称激发态激发态)分分立立轨轨道道1 2 3 4E4E3E2E1定定态态跃跃迁迁E4E3E2E12.2.能级能级跃迁跃迁:原子从较原子从较高的激发态向较低的激高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发射出去，

19、这就是原子发光现象。光现象。原子的发射光谱原子的发射光谱由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差个能级之差 。原子的发射光谱只有一些分立的亮线原子的发射光谱只有一些分立的亮线.3.3.氢原子的能级氢原子的能级玻尔理论对氢光谱的解释玻尔理论对氢光谱的解释：玻尔从上述假设出发，利用经玻尔从上述假设出发，利用经典理论和量子理论结合，计算出了氢的电子的轨道半径和典理论和量子理论结合，计算出了氢的电子的轨道半径和对应

20、的能量值（能级）对应的能量值（能级）。-13.6-13.6-3.4-3.4-1.51-1.51-0.85-0.850 04 41 13 32 2n nE E/eVeV氢氢原原子子能能级级4.4.量子力学与现代生活量子力学与现代生活2020世纪世纪2020年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用都离不开量子力学。正是量子力学引领我们迈入了现代社会，都离

21、不开量子力学。正是量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到非富多彩的现代生活。让我们享受到非富多彩的现代生活。5.5.聆听宇宙聆听宇宙宇宙浩瀚无垠，神秘莫测。古人通过肉眼观察星空，绘宇宙浩瀚无垠，神秘莫测。古人通过肉眼观察星空，绘制星图。望远镜的发明拓展了人类的视野，使人们对天制星图。望远镜的发明拓展了人类的视野，使人们对天体的了解更加清楚。通过可见光波段观测宇宙是有局限体的了解更加清楚。通过可见光波段观测宇宙是有局限的。射电望远镜是在无线电波段观测天体的。捕捉来自的。射电望远镜是在无线电波段观测天体的。捕捉来自遙远星辰最细微的遙远星辰最细微的“声音声音”。世界最大的世界最大的500m50

22、0m口径球面口径球面射电望远镜射电望远镜-中国天眼中国天眼练习练习1.1.关于热辐射，下列说法不正确的是（）关于热辐射，下列说法不正确的是（）A A物体在室温下辐射的主要成分是波长较短的电磁波物体在室温下辐射的主要成分是波长较短的电磁波B B随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越多随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越多C C给一块铁块加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色给一块铁块加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色D D辐射强度按波长的分布情况随物体温度的变化而有所不同，辐射强度按波长的分布情况随物体温度的变化而有所不同，这是热辐射的一种特性这是热辐射的一种特性A A解析

23、：解析：A A物体在室温下辐射的主要成分是波长较长的电磁波，物体在室温下辐射的主要成分是波长较长的电磁波，以不可见的红外线为主，故以不可见的红外线为主，故A A错误；错误；B B随着温度的升高，热随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越多，故辐射中波长较短的成分越来越多，故B B正确；正确；C C给一块铁块给一块铁块加热，随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越多，加热，随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越多，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，故铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，故C C正确；正确；D D辐射辐射强度按波长的分布情况随物体温度的变化而有所不同，这是强度按波长

24、的分布情况随物体温度的变化而有所不同，这是热辐射的一种特性，故热辐射的一种特性，故D D正确。本题选错误的，故选正确。本题选错误的，故选A A。练习练习2.2.关于对热辐射的认识，下列说法正确的是关于对热辐射的认识，下列说法正确的是()A A热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波B B温度越高，物体辐射的电磁波越强温度越高，物体辐射的电磁波越强C 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种类及表面状况无关D 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常温下

25、我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色解析：解析：一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，射的电磁波越强，A A错误，错误，B B正确；选项正确；选项C C是黑体辐射的特性，是黑体辐射的特性，C C错误；除光源外，常温下看到的物体的颜色是反射光的颜错误；除光源外，常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，色，D D错误错误B B练习练习3.3.关于对黑体的认识，下列说法正确的是关于对黑体的认识，下列说法正确的是()A A黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的B B黑体辐射电磁

26、波的强度按波长的分布除与温度有关外，还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与材料的种类及表面状况有关C 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料的种类及表面状况无关D 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个空腔就成了一个黑体解析：解析：黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，黑体自身辐射电

27、磁波，不一定是黑的，A A错误黑体辐错误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，射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，B B错误，错误，C C正确小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一正确小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而不是空腔成了一个黑体，个黑体，而不是空腔成了一个黑体，D D错误错误C C练习练习4.4.普朗克在研究黑体辐射的基础上，提出了量子理论，普朗克在研究黑体辐射的基础上，提出了量子理论，下列关于描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，下列关于描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体实验规律的是符合黑体实验规律的是(

28、)解析：解析：黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量，温度越高，黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量，温度越高，辐射强度越大，故辐射强度越大，故A A、C C错误；黑体辐射的波长分布情况随温错误；黑体辐射的波长分布情况随温度变化而改变，温度越高，辐射的电磁波的波长越短，辐射度变化而改变，温度越高，辐射的电磁波的波长越短，辐射强度的极大值向波长缩短的方向移动，故强度的极大值向波长缩短的方向移动，故B B错误，错误，D D正确正确D D解析：解析：每个光量子的能量每个光量子的能量hvhv hc/hc/，每秒钟发射的总能量为每秒钟发射的总能量为P P，则，则n nPt/Pt/P/hc.P/hc.A A

29、练习练习6.6.由中国健康发展研究中心发布国民视觉健康报告由中国健康发展研究中心发布国民视觉健康报告白皮书显示，我国学生的近视患病率在逐年增加。课业负担白皮书显示，我国学生的近视患病率在逐年增加。课业负担重、沉迷电子产品已成为影响青少年视力的两大重、沉迷电子产品已成为影响青少年视力的两大“杀手杀手”。现代医学采用激光现代医学采用激光“焊接焊接”视网膜技术来治疗近视，所用激视网膜技术来治疗近视，所用激光的波长光的波长=660nm=660nm。已知普朗克常量。已知普朗克常量h=6.6310-h=6.6310-3434Js Js，光，光在真空中传播速度在真空中传播速度c=310c=3108 8m/sm/s，则该激光中每个光子的能量，则该激光中每个光子的能量为为(1nm=10(1nm=10-9-9m)m)（）（）解析：解析：每个光量子的能量每个光量子的能量hvhv hc/=6.63 hc/=6.631010-34-34 310108 8/66010/66010-9-9 J=3.010 J=3.010-19-19J.J.A A3.03.01010-19-19J J B B1.61.61010-19-19J J C C1.01.01010-19-19J J D D1.01.01010-18-18J JA A