第5章初識(shí)電磁場(chǎng)與電磁波第4節(jié)初識(shí)光量子與量子世界核心素養(yǎng)：1.了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射.

2.初步了解

微觀世界的量子化特征.

3.根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，分析黑體輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的

關(guān)系.

4.由黑體輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)論與光的電磁理論的矛盾，領(lǐng)會(huì)這一科學(xué)突破過程中科學(xué)

家的思想.第3頁研習(xí)任務(wù)一熱輻射的特點(diǎn)合作

討論把鐵塊投進(jìn)火爐中.剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光.隨著溫度的升高，鐵塊會(huì)慢

慢變紅，開始發(fā)光.鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色.為什么

會(huì)有這樣的變化呢？提示：輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度變化而有所不同.核心

歸納1.

黑體定義：如果某種物體在任何溫度下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，這種物體就是絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體.實(shí)際上黑體只是一種理想情況，如在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)很小的孔，那么射入小孔的

電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)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(duì)黑體，如圖所示.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

可看成黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來還會(huì)很明亮，如煉鋼爐口上的小孔.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)不同，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).熱輻射的特點(diǎn)吸收、反射的特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的情況與溫度有

關(guān)，與材料的種類、表面狀況

有關(guān)既吸收又反射，其能力與材料

的種類及入射波的波長(zhǎng)等因素

有關(guān)黑體輻射電磁波的強(qiáng)弱按波長(zhǎng)的分

布只與黑體的溫度有關(guān)完全吸收各種入射電磁波，不

反射研習(xí)

經(jīng)典[典例1]（多選）下列說法正確的是（

CD

）A.

只有溫度高的物體才會(huì)有熱輻射B.

黑體只是從外界吸收能量，從不向外界輻射能量C.

黑體可以看起來很明亮，是因?yàn)楹隗w可以有較強(qiáng)的輻射D.

一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類和表面情

況有關(guān)CD[解析]

任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的能力越強(qiáng)，A錯(cuò)誤；能

夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫作黑體，黑體不反射電磁

波，但可以向外輻射電磁波，有些黑體有較強(qiáng)的輻射，看起來也可以很明亮，B錯(cuò)

誤，C正確；黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，與構(gòu)成黑體

的材料、形狀無關(guān)，而一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類

和表面情況有關(guān)，D正確.

黑體完全吸收電磁波而不反射，同時(shí)其本身也輻射電磁波；黑體輻射電磁波的強(qiáng)

度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān).一般材料的物體，輻射電磁波的情況不僅與溫度有關(guān)，還與材料的種類及表面狀

況有關(guān).[訓(xùn)練1]

關(guān)于黑體及黑體輻射，下列說法正確的是（

B

）A.

黑體是真實(shí)存在的B.

普朗克引入能量子的概念，得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的公式，與實(shí)驗(yàn)符合

得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元C.

隨著溫度升高黑體輻射的各波長(zhǎng)的強(qiáng)度有些會(huì)增強(qiáng)，有些會(huì)減弱D.

黑體輻射無任何實(shí)驗(yàn)依據(jù)解析：黑體并不是真實(shí)存在的，故A錯(cuò)誤；普朗克引入能量子的概念，得出黑體輻射

的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的公式，與實(shí)驗(yàn)符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元，故

B正確；隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都會(huì)增強(qiáng)，故C錯(cuò)誤；黑體輻射是有

實(shí)驗(yàn)依據(jù)的，故D錯(cuò)誤.B第12頁研習(xí)任務(wù)二能量子和能級(jí)合作

討論如圖所示為我國(guó)首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”.“墨子號(hào)”的成功發(fā)射使我國(guó)在

量子通信技術(shù)領(lǐng)域走在了世界前列.那么，量子通信的理論基礎(chǔ)是什么？該理論的提

出背景又是什么？提示：量子通信的理論基礎(chǔ)來源于德國(guó)物理學(xué)家的能量量子化假設(shè).該假設(shè)提出

的背景是經(jīng)典電磁理論解釋不了黑體輻射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.教材

認(rèn)知一、光的量子化1.

光的本質(zhì)：19世紀(jì)60年代，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論揭示出

“光是一種

?”.2.

光電效應(yīng)：用光照射金屬使金屬發(fā)射出

的現(xiàn)象.3.

光子：不可再分的

能量值.4.

波粒二象性：光既具有

性，又具有

性.光在一定的條件下，突出

地表現(xiàn)出微粒性，實(shí)質(zhì)為不連續(xù)性；在另一些條件下，又突出地表現(xiàn)波動(dòng)性.電磁波電子最小波動(dòng)粒子二、初識(shí)量子世界1.

量子假說認(rèn)為，物質(zhì)輻射（或吸收）的能量E只能是最小能量單位的整數(shù)倍，

即

（n＝1，2，3，…）.一份能量就是一個(gè)能量子，能量子的能量ε與頻率ν

成正比，即

?.2.

如果一個(gè)物理量存在最小的

的基本單位，那么該物理量是量子化的.[思考]

能量子還能分割嗎？提示：不可再分割，是最小的能量值.E＝nε

ε＝hν

不可分割核心

歸納1.

普朗克的能量子概念（1）能量子：普朗克認(rèn)為微觀世界中帶電粒子的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小

能量值的整數(shù)倍，當(dāng)帶電粒子輻射或吸收能量時(shí)，也只能以這個(gè)最小能量值為單位一

份一份地吸收或輻射，這樣的一份最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν，其中h叫作普朗

克常量，實(shí)驗(yàn)測(cè)得h＝6.63×10－34

J·s，ν為電磁波的頻率.（2）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.量子化的基本特征就是在某一范圍內(nèi)取值是不連續(xù)的.2.

愛因斯坦的光子說光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量

子組成的，這些能量子被稱為光子.頻率為ν的光子的能量子為ε＝hν.3.

能級(jí)及能級(jí)躍遷（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.研習(xí)

經(jīng)典[典例2]

銫原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷發(fā)射的光子具有穩(wěn)定的頻率，銫原

子鐘利用的兩能級(jí)的能量差量級(jí)為10－5

eV，躍遷發(fā)射的光子的頻率量級(jí)為（普朗克

常量h＝6.63×10－34

J·s，元電荷e＝1.60×10－19

C）（

C

）A.103

HzB.106

HzC.109

HzD.1012

Hz

C

[訓(xùn)練2]

2022年10月5日三名量子物理學(xué)家因?yàn)榱孔蛹m纏實(shí)驗(yàn)獲2022年諾貝爾物理學(xué)

獎(jiǎng).這些實(shí)驗(yàn)讓光的粒子緊密糾纏在一起，它們?yōu)榘肆孔佑?jì)算機(jī)和量子通信在內(nèi)

的一系列量子技術(shù)奠定了基礎(chǔ).關(guān)于能量量子化，下列說法正確的是（

D

）A.

宏觀物體的長(zhǎng)度是量子化的B.

愛因斯坦借助于能量子假說完美的解釋了黑體輻射規(guī)律C.

能量子假說與宏觀世界中對(duì)能量的認(rèn)識(shí)相矛盾，因此它一定是錯(cuò)誤的觀點(diǎn)D.

激光中頻率為ν的光子的能量為hν解析：宏觀物體的長(zhǎng)度是連續(xù)的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；普朗克借助于能量子假說完美的解釋

了黑體輻射規(guī)律，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；能量子假說與宏觀世界中對(duì)能量的認(rèn)識(shí)相矛盾，但它

的觀點(diǎn)是正確的，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；激光中頻率為ν的光子的能量為hν，選項(xiàng)D正確.D第21頁課后提素養(yǎng)基礎(chǔ)

題組1.

思維辨析（1）一切物體都在輻射電磁波，而且溫度越高輻射越強(qiáng).

（

√

）（2）黑體雖然不反射電磁波，但是卻可以向外輻射電磁波.

（

√

）（3）普朗克通過對(duì)黑體輻射的研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學(xué)思想存在局限性，經(jīng)典物理學(xué)思

想并不適用于微觀世界.

（

√

）（4）原子能夠自發(fā)地向能量較低的能級(jí)躍遷，也能自發(fā)地向能量較高的能級(jí)躍遷.

（

×

）（5）原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線是因?yàn)樵拥哪芗?jí)是分立的，所以放出的

光子的能量也是分立的.

（

√

）√√√×√2.

已知某種單色光的波長(zhǎng)為λ，在真空中光速為c，普朗克常量為h，則電磁波輻射的

能量子ε的值為（

A

）D.

以上均不正確

A3.

（多選）關(guān)于原子的能量量子化現(xiàn)象，下面說法正確的是（

BCD

）A.

原子的能量是不可改變的B.

原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的C.

原子具有分立的能級(jí)D.

原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，放出的光子能量取決于兩個(gè)能級(jí)的差值解析：原子的能量是量子化的，亦即原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的、具有分立的能級(jí)，

當(dāng)原子在這些能級(jí)之間發(fā)生躍遷時(shí)，只能吸收或者放出能量與能級(jí)差值相同的光子，

故選項(xiàng)B、C、D正確.BCD中檔

題組1.

對(duì)熱輻射的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是（

B

）A.

熱的物體向外輻射電磁波，冷的物體只吸收電磁波B.

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解析：一切物體都不停地向外輻射電磁波，且溫度越高，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；除光源外，常溫下看到的物體的顏色

是反射光的顏色，D錯(cuò)誤.B2.

關(guān)于能量量子化，下列說法正確的是（

B

）A.

能量子假設(shè)最早是由愛因斯坦提出來的B.

微觀粒子的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小能量值的整數(shù)倍C.

電磁波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其能量子越大D.

能量子假說與宏觀世界中對(duì)能量的認(rèn)識(shí)相矛盾，因而它一定是錯(cuò)誤的觀點(diǎn)

B3.

（多選）以下關(guān)于輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的說法正確的是（

BC

）A.

物體在某一溫度下只能輻射某一固定波長(zhǎng)的電磁波B.

當(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時(shí)，說明它的溫度不太高C.

當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)赤紅色，說明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光的光照

強(qiáng)度最強(qiáng)D.

早、晚時(shí)分太陽呈現(xiàn)紅色，而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色，說明中午時(shí)分太陽溫度最高BC解析：物體在某一溫度下能輻射不同波長(zhǎng)的電磁波，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；黑體輻射的強(qiáng)度與

溫度有關(guān)，溫度越高，則輻射強(qiáng)度的極大值也就越大；當(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時(shí)，是由于它

的輻射強(qiáng)度的極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)段在紅外部分，甚至波長(zhǎng)更長(zhǎng)，說明它的溫度不太

高，選項(xiàng)B正確；當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)赤紅色，說明此時(shí)輻射的電磁波中該顏

色的光的光照強(qiáng)度最強(qiáng)，選項(xiàng)C正確；太陽早、晚時(shí)分呈現(xiàn)紅色，而中午時(shí)分呈現(xiàn)白

色，是大氣的吸收與反射了部分光的原因，不能說明中午時(shí)分太陽溫度最高，選項(xiàng)D

錯(cuò)誤.4.

紅外線測(cè)溫槍與傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)測(cè)溫儀器相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)溫效率高、操

作方便、防交叉感染（不用接觸被測(cè)物體）的特點(diǎn).下列說法中正確的是（

A

）A.

紅外線測(cè)溫槍利用了一切物體都在不停地發(fā)射紅外線，而且發(fā)射紅外線

強(qiáng)度與溫度有關(guān)，溫度越高發(fā)射紅外線強(qiáng)度就越大B.

高溫物體輻射紅外線，低溫物體不輻射紅外線C.

紅外線也屬于電磁波，其波長(zhǎng)比紅光短D.

愛因斯坦最早提出“熱輻射是一份一份的、不連續(xù)的”觀點(diǎn)解析：一切物體都在不停的發(fā)射紅外線，而且發(fā)射紅外線強(qiáng)度與溫度有關(guān)，溫度越高

發(fā)射紅外線強(qiáng)度就越大，紅外線測(cè)溫槍就是利用這一特點(diǎn)工作的，A正確，B錯(cuò)誤；

紅外線屬于電磁波，波長(zhǎng)比紅光長(zhǎng)，C錯(cuò)誤；普朗克在研究黑體輻射時(shí)，最早提出

“熱輻射是一份一份的、不連續(xù)的”觀點(diǎn)，D錯(cuò)誤.A5.

能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量為10－18

J，已知可見光的平均波長(zhǎng)約為600

nm，普朗克常量為6.63×10－34

J·s，則進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為（

B

）A.1個(gè)B.3個(gè)C.30個(gè)D.300個(gè)

B[基礎(chǔ)訓(xùn)練]1.

以下宏觀概念中，是“量子化”的有（

D

）A.

物體的質(zhì)量B.

物體所受的力C.

導(dǎo)體中的電流D.

東北虎的個(gè)數(shù)解析：所謂“量子化”，一定是不連續(xù)的，是一份一份的.2.

紅、橙、黃、綠四種單色光中，光子能量最小的是（

A

）A.

紅光B.

橙光C.

黃光D.

綠光解析：由E＝hν可知，紅光的頻率最小，其光子能量值最小.DA123456783.

（多選）1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在研究黑體輻射時(shí)提出了一個(gè)大膽的假說，

即能量子假說，下列說法屬于能量子假說內(nèi)容的是（

ABC

）A.

物質(zhì)發(fā)射（或吸收）能量時(shí)，能量不是連續(xù)的，而是一份一份進(jìn)行的B.

能量子假說中將每一份能量單位稱為“能量子”C.

能量子假說中的能量子的能量ε＝hν，ν為電磁波的頻率，h為普朗克常量D.

能量子假說認(rèn)為能量是連續(xù)的解析：能量子假說認(rèn)為能量是不連續(xù)的，是以能量子為最小單位一份一份進(jìn)行

的，能量子的大小ε＝hν，ν為輻射電磁波的頻率，h為普朗克常量，故D錯(cuò)誤，

A、B、C正確.ABC123456784.

關(guān)于對(duì)熱輻射的認(rèn)識(shí)，下列說法中正確的是（

C

）A.

溫度高的物體向外輻射電磁波，溫度低的物體只吸收不輻射電磁波B.

愛因斯坦為解釋黑體輻射的規(guī)律，提出了“能量子”C.

黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況只與溫度有關(guān)D.

常溫下我們看到物體是因?yàn)槲矬w在不斷輻射電磁波解析：A錯(cuò)：溫度高的物體和溫度低的物體都向外輻射電磁波.B錯(cuò)：普朗克為解釋黑

體輻射的規(guī)律，提出了“能量子”.C對(duì)：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況

只與溫度有關(guān).D錯(cuò)：常溫下我們看到物體是因?yàn)槲矬w在不斷反射可見光，不是物體

輻射電磁波.C123456785.

在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特

性，就可以確定爐內(nèi)的溫度.如圖所示，就是黑體的輻射強(qiáng)度與其輻射光波長(zhǎng)的關(guān)系

圖像，則下列說法正確的是（

A

）A.

T1＞T2B.

T1＜T2C.

隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度有所降低D.

隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極