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人教kok电子竞技物理必修三第十三章
电磁感应与电磁波初步第五节
能量量子化新课引入19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Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声等都遵循的规律——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,他们认为物理学已经发展到头了。于是,1900年,在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理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些零碎的修补工作就行了。”——开尔文但开尔文毕竞是一位重视现实和有眼力的科学家,就在上面提到的文章中他还讲到:“但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云.”黑体辐射实验黑体辐射实验迈克尔逊-莫雷实验光的速度这两朵乌云是指什么呢?黑体辐射实验黑体辐射实验迈克尔逊-莫雷实验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。普朗克量子力学相对论经典力学微观领域高速领域量子力学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。为什么会有这样的变化呢?讨论交流一、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,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,再到发光,铁块的颜色也不断发生变化。大量实验结果表明,辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。常温下我们看到不发光不透明体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射的各种波长的电磁波而不发生反射,会怎样?讨论交流⑴定义;任何物体在任何温度下都会辐射电磁波的现象。(热传递的三种方式之一)⑵原因:物体分子无规则运动,辐射电磁波。1.热辐射⑶特点:物体温度高,辐射能量本领强,电磁波的短波成份多,长波成份少。(各种波长都有)实际热辐射的复杂性外来各种波长的辐射能反射某些波长的辐射能(随物而异)吸收某些波长的辐射能(随物而异)发射各种波长的热辐射能(随物而异)处于某一温度不透明体T对热辐射规律的研究显得较复杂2.黑体讨论交流: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黑体: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。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。黑体的实验模型对空腔加热至某平衡温度T通过小孔进入腔内的辐射能反射回小孔出射的机会极。负跞勘磺槐谖。小孔表面好比黑体(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衡温度T的实验黑体的辐射能,进而探索其能谱分布规律。3.黑体辐射对于一般材料的物体,辐射电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有关。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;
辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。012341700K1500K1300K1100K辐射强度黑体辐射两种经典解释瑞利-金斯线维恩线德国物理学家维恩根据经典热力学,在1896年提出了一个辐射强度随波长及温度变化的半经验公式,维恩公式,得出曲线。⑴短波符合;长波不符合。根据经典热力学与电磁学,物理学家瑞利在1900年也提出了一个理论公式,后经金斯改进,合称瑞利-金斯公式,得出曲线。⑵长波符合;短波荒唐----紫外灾难。在紫外线一端,当波长趋于0时,辐射本领将趋于无穷大.这种情况被人们称为“紫外灾难”。二、能量子1.普朗克对黑体辐射理论解释: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。--普朗克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。维恩公式和瑞利——金斯公式,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、统计物理学等物理学的基本理论出发,把这个公式推导出来。普朗克最终在1900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小能量值ε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长的分布公式,与实验符合的非:。2.能量子:不可再分的最小能量值ε叫作能量子。其中:
是电磁波的频率h是一个常量:普朗克常量h=6.62607015×10-34J·s微观粒子的能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。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。芰康谋浠橇。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续(分立)的。3、分立和连续微观宏观连续分立的,量子化
宏观世界能量的连续性与微观粒子的能量的量子化,这是宏观世界与微观物理规律最重要的差别之一。4.能量量子化假说的意义普朗克的能量子假设,使人类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。成为物理学发展史上一个重大转折点;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;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宏观领域进入微观领域,为量子力学的诞生奠定了基础。5、光子(1)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。这个现象叫光电效应,这种电子常被称为光电子。一条光线(2)光子:爱因斯坦从普朗克的能量子假说中得到了启发,他提出:光本身是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,h是普朗克常量,这些能量子叫光子。三、能级1.能级: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。高能级:
能量较高的能级
低能级:
能量较低的能级基能级:
能量最低的能级(相应的状态称基态)激发能级:
能量高于基态的所有能级(相应状态称激发态)
分立轨道1
2
3
4E4E3E2E1定态跃迁E4E3E2E12.能级跃迁:原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程,是辐射能量的过程,这个能量以光子的形式辐射出去,这就是原子发光现象。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,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
。原子的发射光谱只有一些分立的亮线.3.氢原子的能级玻尔理论对氢光谱的解释: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对应的能量值(能级)。-13.6-3.4-1.51-0.8504132∞nE/eV氢原子能级4.量子力学与现代生活20世纪20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。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,让我们享受到非富多彩的现代生活。5.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“声音”。世界最大的500m口径球面射电望远镜--中国天眼练习1.关于热辐射,下列说法不正确的是()A.物体在室温下辐射的主要成分是波长较短的电磁波B.随着温度的升高,热辐射中波长较短的成分越来越多C.给一块铁块加热,铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色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,这是热辐射的一种特性A解析:A.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A错误;B.随着温度的升高,热辐射中波长较短的成分越来越多,故B正确;C.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,铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色,故C正确;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,这是热辐射的一种特性,故D正确。本题选错误的,故选A。练习2.关于对热辐射的认识,下列说法正确的是(
)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解析: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,A错误,B正确;选项C是黑体辐射的特性,C错误;除光源外,常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色,D错误.B练习3.关于对黑体的认识,下列说法正确的是(
)A.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的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解析:黑体自身辐射电磁波,不一定是黑的,A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,B错误,C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,D错误.C练习4.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,符合黑体实验规律的是(
)解析: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A、C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,辐射强度的极大值向波长缩短的方向移动,故B错误,D正确.D
解析:每个光量子的能量ε=hv=hc/λ
,每秒钟发射的总能量为P,则n=Pt/ε=λP/hc.A练习6.由中国健康发展研究中心发布《国民视觉健康kok电子竞技》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“杀手”。现代医学采用激光“焊接”视网膜技术来治疗近视,所用激光的波长λ=660nm。已知普朗克常量h=6.63×10-34J?s,光在真空中传播速度c=3×108m/s,则该激光中每个光子的能量为(1nm=10-9m)()解析:每个光量子的能量ε=hv=hc/λ=6.63×10-34×
3×108/660×10-9J=3.0×10-19J.
A.3.0×10-19J
B.1.6×10-19J
C.1.0×10-19J
D.1.0×10-18J
A
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