資源簡介

第四章 原子結構和波粒二象性
第1節 普朗克黑體輻射理論
學習目標
1.了解黑體及黑體輻射的概念。
2.了解黑體輻射的實驗規律，知道黑體輻射的強度與波長的關系。
3.理解能量子的概念并能進行簡單的應用。
重點難點
重點
1.黑體輻射的實驗規律。
2.能量子的概念。
難點
1.黑體輻射的實驗規律的理解。
2.能量子的概念的理解。
自主探究
1.某種物體能夠 入射的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是 ，簡稱黑體。
2.黑體雖然不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，這樣的輻射叫作 。黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的 有關，而一般材料的物體輻射電磁波的情況除了與 有關，還與材料的 及 有關。
3.黑體輻射的實驗規律：隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有 。隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向 的方向移動。
4.黑體輻射的實驗規律的解釋：
(1)德國物理學家維恩在1896年提出了輻射強度按波長分布的理論公式，維恩公式在 區與實驗非常接近，在 區則與實驗偏離較大。
(2)英國物理學家瑞利在1900年提出了輻射強度按波長分布的理論公式，瑞利公式在 區與實驗基本一致，但在 區與實驗嚴重不符。
(3)德國物理學家 做了多種嘗試。1900年10月，他找到了一個數學公式，它與實驗吻合得非常完美。
5.普朗克的假設：組成黑體的振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的 ，也就是認為微觀粒子的能量是 ，或者說微觀粒子的能量是 的。普朗克把這個不可再分的 叫作能量子。
6.能量子的表達式：ε= 。這里的v是帶電微粒的 ，也即帶電微粒吸收或輻射電磁波的 。h是一個常量，后人稱之為普朗克常量，其值為
h= 。
答案
1.完全吸收；絕對黑體
2.黑體輻射；溫度；種類；表面狀況；溫度
3.增加；波長較短
4.(1)短波；長波 (2)長波；短波 (3)普朗克
5.整數倍；量子化的；分立；最小能量值ε
6.hv；振動頻率； 頻率；6.626 070 15×10-34J·s
預習檢測
1.判斷正誤。
(1)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體。 （ ）
(2)溫度越高，黑體輻射電磁波的強度越大。 （ ）
(3)微觀粒子的能量只能是能量子的整數倍。 （ ）
(4)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比。 （ ）
(5)在光滑水平桌面上勻速運動的小球的動能也是量子化的。 （ ）
(6)黑體輻射無任何規律。 （ ）
2.在實驗室或工廠的高溫爐子上開一小孔，小孔可看成黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內的溫度。如圖所示是黑體的輻射強度與其輻射光波長的關系圖像，則下列說法中正確的是 （ ）
A.T1>T2
B.T1C.隨著溫度的升高，黑體的輻射強度都有降低
D.隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動
3.與光子的能量成正比的是 （ ）
A.光速 B.光的頻率 C.光的波長 D.光速的平方
4.“約瑟夫森結”由超導體和絕緣體制成。若在結的兩端加恒定電壓U，則它會輻射頻率為v的電磁波，且v與U成正比，即v=kU。已知比例系數k僅與元電荷e的2倍和普朗克常量h有關。你可能不了解此現象的機理，但仍可運用物理學中常用的方法，在下列選項中，推理判斷比例系數k的值可能為 （ ）
A. B. C. D.
答案：1.（1）√；（2）√；（3）√；（4）√；（5）×；（6）× 2.AD 3.B 4.B
探究思考
【探究一】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，所以叫作熱輻射。物體熱輻射中隨溫度的升高，輻射的較短波長的電磁波的成分越來越強。
2.黑體
某種物體能夠完全吸收人射的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。
3.黑體輻射
（1）一般材料的物體，輻射電磁波的情況，除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關。
(2)黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。
【探究二】黑體輻射的實驗規律
1.黑體輻射的實驗規律
(1)隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有增加。
(2)隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。
2.維恩和瑞利的理論解釋
(1)建立理論的基礎：依據熱學和電磁學的知識尋求黑體輻射的理論解釋。
(2)維恩公式：在短波區與實驗非常接近，在長波區則與實驗偏離很大。
(3)瑞利公式：在長波區與實驗基本一致，但在短波區與實驗嚴重不符。由理論得出的荒謬結果被稱為“紫外災難”。
【探究三】功率的理解和計算
1.普朗克的假設
組成黑體的振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍。這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2.能量子的表達式
ε=hv。其中，v是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量，其值為h=6.626 070 15×10-34J 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。這種現象叫能量的量子化。
知識梳理
1.黑體與黑體輻射
(1)黑體：如果某種物體能夠完全吸收人射的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。
(2）黑體輻射：黑體雖然不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，這樣的輻射叫作黑體輻射。
(3)黑體輻射的特點：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關，而對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除了與溫度有關，還與材料的種類及表面狀況有關。
2.黑體輻射的實驗規律
(1)隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有增加。
(2)隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。
3.能量子
(1)組成黑體的振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍。可能是ε或2ε、3ε……普朗克把這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子的表達式為ε=hν，這里的ν是帶電微粒的振動頻率，也即帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率。h是一個常量，后人稱之為普朗克常量，其值為h=6.62607015×10-34J·s。
隨堂訓練
1.關于黑體輻射，下列說法正確的是( )
A.溫度高的物體輻射電磁波，低于0℃的物體不輻射電磁波
B.物體溫度升高時，熱輻射短波越來越強，長波越來越弱
C.維恩公式可以很好的解釋黑體輻射在長波區的實驗規律
D.普朗克引入了能量子怕概念，很好的解釋了黑體輻射的實驗規律
2.下列說法不正確的是( )
A.只有溫度高的物體才會有熱輻射
B.黑體可以向外界輻射能量
C.黑體也可以看起來很明亮，是因為黑體也可以有較強的輻射
D.普朗克引入能量子的概念得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，與實驗符合得非常好，并由此開創了物理學的新紀元
3.黑體輻射的研究表明：輻射強度、波長分布與輻射體的溫度有密切關系。此研究對冶金工業的迅速發展有巨大貢獻，如圖所示，圖中畫出了四種溫度下黑體輻射的強度與波長的關系，從中可以看出( )
A.溫度越高，輻射電磁波的波長越短
B.溫度越低，輻射電磁波的波長越長
C.同一波長的輻射強度隨著溫度的升高而增強
D.不同溫度時輻射強度的最大值變化無規律可循
4.關于對黑體的認識,下列說法正確的是( )
A.黑體是黑色的且其自身輻射電磁波
B.黑體輻射電磁波的強度與材料的種類及表面狀況有關
C.黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關
D.如果在一個空腔壁上開一個很小的孔,射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸收,最終不能從小孔射出,這個空腔就成了一個黑體
答案以及解析
1.答案：D
解析：A. 任何物體都在向外輻射電磁波，故A錯誤。
B. 各種波長的電磁波輻射強度都增加，短波部分增加的多，故B錯誤。
C. 維恩公式在短波符合較好，長波差別較大，故C錯誤。
D. 普朗克引入了能量子的概念，很好的解釋了黑體輻射的實驗規律，故D正確。
故選：D。
2.答案：A
解析：任何物體任何溫度均存在熱輻射，只是溫度越高，輻射的能量越多；黑體看上去不一定是黑的，黑體若有較強的輻射，看起來還會很明亮，如煉鋼爐口上的小孔；黑體輻射與一般物體不同，黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只依賴于黑體的溫度；普朗克引入能量子的概念得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，并由此開創了物理學的新紀元。故選項BCD正確，A錯誤。故選A。
3.答案：C
解析：AB.無論溫度高低，黑體都會產生所有波長的電磁波，故AB錯誤；
C.由圖象可以看出，同一波長的輻射強度隨著溫度的升高而增強，故C正確；
D.由圖象可以看出，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有增加，且輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，故D錯誤。
故選：C。
4.答案：C
解析：黑體自身輻射電磁波,但不一定是黑色的,故A錯誤;黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關,故B錯誤,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黑體,而不是空腔,故D錯誤。
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