第四章第1節(jié)普朗克黑體輻射理論

選擇性必修三學(xué)案第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性第1節(jié)普朗克黑體輻射理論一、新課標(biāo)要求1.了解黑體及黑體輻射的概念。2.了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。3.知道能量子概念,能說(shuō)出普朗克提出的能量子假說(shuō)內(nèi)容。4.了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)二、科學(xué)素養(yǎng)要求1.物理觀念：知道黑體輻射、能量子，能解釋相關(guān)現(xiàn)象。2.科學(xué)思維：掌握黑體輻射的規(guī)律并能解釋相關(guān)現(xiàn)象，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。3.科學(xué)探究：通過(guò)對(duì)黑體輻射規(guī)律的探究，揭示實(shí)驗(yàn)規(guī)律，學(xué)會(huì)與他人合作交流，培養(yǎng)探究意識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：學(xué)習(xí)科學(xué)家執(zhí)著探索的科學(xué)精神、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)探究科學(xué)的興趣。三、教材研習(xí)要點(diǎn)一、黑體的輻射規(guī)律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①有關(guān)。隨著溫度的升高，一方面，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。要點(diǎn)二、能量子組成黑體的振動(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②。例如，可能是ε或2ε、3ε……把這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。四、自主思考①有經(jīng)驗(yàn)的煉鋼工人，通過(guò)觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色，就可以估計(jì)出爐內(nèi)的大體溫度，這是根據(jù)什么道理？答案：黑體輻射與溫度有關(guān)。②所有粒子的能量值不是任意的，其大小與帶電微粒的振動(dòng)頻率成正比，這種說(shuō)法對(duì)嗎？答案：對(duì)，粒子的能量一定是“能量子”的整數(shù)倍，由能量子公式ε=hν可知能量與頻率成正比。五、名師點(diǎn)睛1.黑體輻射的維恩和瑞利理論解釋（1）建立理論的基礎(chǔ)：依據(jù)熱學(xué)和電磁學(xué)的知識(shí)尋求黑體輻射的理論解釋。（2）維恩公式：在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)非常接近，在長(zhǎng)波區(qū)則與實(shí)驗(yàn)偏離較大。（3）瑞利公式：在長(zhǎng)波區(qū)與實(shí)驗(yàn)基本一致，但在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符，由瑞利公式得出的荒謬結(jié)果被稱為“紫外災(zāi)難”。2.能量子的理解（1）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=6.626×10（2）能量的量子化：微觀粒子的能量是量子化的，或者說(shuō)微觀粒子的能量是分立的。六、互動(dòng)探究探究點(diǎn)一、黑體及黑體的輻射規(guī)律【情境探究】1.黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布如下圖所示。（1）當(dāng)溫度從1100?K升高到1700?（2）你認(rèn)為現(xiàn)實(shí)生活中存在理想的黑體嗎？答案：（1）由圖可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度變強(qiáng)。輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。（2）現(xiàn)實(shí)生活中不存在理想的黑體，實(shí)際的物體都能輻射電磁波，也都能吸收和反射電磁波，絕對(duì)黑體不存在，是一種理想化模型?！咎骄繗w納】1.黑體的理解（1）黑體是一個(gè)理想化的物理模型，絕對(duì)的黑體實(shí)際上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替。如圖所示，如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)小孔，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，最終不能從小孔射出，這個(gè)小孔就成了一個(gè)絕對(duì)黑體。（2）黑體看上去不一定是黑的，有些可看作黑體的物體由于自身有較強(qiáng)的輻射，看起來(lái)還會(huì)很明亮。2.一般物體與黑體的比較項(xiàng)目熱輻射特點(diǎn)吸收、反射特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的情況與溫度、材料的種類及表面狀況有關(guān)既吸收又反射，其能力與材料的種類及入射波長(zhǎng)等因素有關(guān)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)完全吸收各種入射的電磁波，不反射3.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）溫度一定時(shí)，黑體輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的分布有一個(gè)極大值。（2）隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。（3）普朗克能量量子化假設(shè)對(duì)黑體輻射的解釋：在能量量子化假設(shè)的基礎(chǔ)上，普朗克得出了黑體輻射的強(qiáng)度按照波長(zhǎng)分布的公式，根據(jù)公式得出的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。如圖所示，曲線是根據(jù)普朗克公式得出黑體輻射強(qiáng)度按照波長(zhǎng)分布的函數(shù)圖像，小圓圈代表黑體輻射的實(shí)驗(yàn)值。從圖像看出，兩者吻合的非常完美?！镜淅?】關(guān)于黑體及黑體輻射，下列說(shuō)法正確的是()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(wú)任何實(shí)驗(yàn)依據(jù)答案：B解析：黑體并不是真實(shí)存在的，A項(xiàng)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項(xiàng)正確；隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；黑體輻射是有實(shí)驗(yàn)依據(jù)的，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。解題感悟黑體的理解要點(diǎn)（1）黑體完全吸收電磁波而不反射電磁波，同時(shí)其本身也輻射電磁波。（2）黑體并不一定是黑的。（3）黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)。【遷移應(yīng)用】1.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，由圖可知，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加B.隨溫度降低，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加C.隨溫度升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)D.隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的方向移動(dòng)答案：B解析：由圖可知，隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，當(dāng)溫度降低時(shí)，上述變化都將反過(guò)來(lái)。2.下列關(guān)于熱輻射和黑體輻射的說(shuō)法不正確的是()A.一切物體都在輻射電磁波B.一般物體輻射電磁波的強(qiáng)度與溫度無(wú)關(guān)C.隨著溫度的升高，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)D.黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波答案：B解析：一切物體都在輻射電磁波，A項(xiàng)正確；實(shí)際物體輻射電磁波的情況與溫度、表面情況、材料都有關(guān)；黑體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)，是實(shí)際物體的理想化模型，B項(xiàng)錯(cuò)誤；黑體輻射的強(qiáng)度的極大值隨溫度升高向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，C項(xiàng)正確；能完全吸收入射到其表面的各種波長(zhǎng)的電磁波的物體稱為黑體，D項(xiàng)正確。3.（多選）關(guān)于對(duì)熱輻射的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A.溫度越高，物體輻射的電磁波越強(qiáng)B.冷的物體只吸收電磁波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)，與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān)D.常溫下看到的不透明、非發(fā)光物體的顏色是反射光的顏色答案：A;D解析：一切物體都在不停地向外輻射電磁波，且溫度越高，輻射的電磁波越強(qiáng)；常溫下看到的不透明、非發(fā)光物體的顏色是反射光的顏色。4.（多選）2006年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩名科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體形式及其溫度在不同方向上的微小變化。他們的出色工作被譽(yù)為是宇宙學(xué)研究進(jìn)入精密科學(xué)時(shí)代的起點(diǎn)，下列與宇宙微波背景輻射相關(guān)的說(shuō)法中，正確的是()A.微波是指波長(zhǎng)在10-3m到B.微波和聲波一樣都只能在介質(zhì)中傳播C.黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射D.普朗克在研究黑體的熱輻射問(wèn)題中提出了能量子假說(shuō)答案：A;C;D解析：微波是波長(zhǎng)在10-3m到10?m的電磁波，故A項(xiàng)正確。物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射，所以黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射，而電磁波的傳播不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播，故B項(xiàng)錯(cuò)誤，C5.硅光電池是一種將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能的新型電池。若有N個(gè)波長(zhǎng)為λ0的光子打在光電池極板上，這些光子的總能量為（h為普朗克常量，c為光速）A.hcλ0B.Nhc答案：B解析：一個(gè)光電子的能量ε=hν=hcλ0，則N個(gè)光子的總能量E=Nh6..“測(cè)溫槍”（學(xué)名“紅外線輻射測(cè)溫儀”）具有響應(yīng)快、非接觸和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。它是根據(jù)黑體輻射規(guī)律設(shè)計(jì)出來(lái)的，能將接收到的人體熱輻射轉(zhuǎn)換成溫度顯示。若人體溫度升高，則人體熱輻射強(qiáng)度I及其極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ的變化情況是()A.I增大，λ增大B.I增大，λ減小C.I減小，λ增大D.I減小，λ減小答案：B解析：根據(jù)黑體輻射實(shí)驗(yàn)的規(guī)律可知，隨著溫度的升高，一方面，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增強(qiáng)，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，故若人體溫度升高，則人體熱輻射強(qiáng)度I增大，輻射強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ減小，故B項(xiàng)正確。7.（多選）以下關(guān)于輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的說(shuō)法中正確的是()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(shuō)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(shuō)明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng)D.早、晚時(shí)分太陽(yáng)呈現(xiàn)紅色，而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色，說(shuō)明中午時(shí)分太陽(yáng)溫度最高答案：B;C解析：由輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖知，隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的波的輻射強(qiáng)度都增加，而熱輻射不是僅輻射一種波長(zhǎng)的電磁波。8.關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A.黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的B.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)C.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)，與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān)D.如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體答案：C解析：黑體自身輻射電磁波，不一定是黑的，A項(xiàng)錯(cuò)誤。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)，B項(xiàng)錯(cuò)誤，C項(xiàng)正確。從小孔入射的電磁波經(jīng)由空腔內(nèi)壁多次反射和吸收，再次從小孔出射的輻射量很少，可以忽略不計(jì)，因此空腔的小孔可以看作黑體；空腔內(nèi)壁是有反射的，不是黑體。所以不是“有小孔的空腔可以看作黑體”，而是“空腔的小孔可以看作黑體”，D項(xiàng)錯(cuò)誤。9.普朗克在研究黑體輻射的基礎(chǔ)上，提出了量子理論，下列關(guān)于描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的圖中，符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是()A.B.C.D.答案：D解析：黑體輻射的波長(zhǎng)分布情況隨溫度而變，溫度越高各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。探究點(diǎn)二、能量子【情境探究】1.在我們生活的宏觀世界里，物體的位置、速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，都可以通過(guò)牛頓力學(xué)精確地測(cè)算。但在量子微觀世界里，有著與宏觀世界截然不同的規(guī)則，如原子、分子和離子等，其能量正如普朗克所假設(shè)的那樣，只能取某些特定的值。思考下面的問(wèn)題：（1）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?（2）由能量量子化假說(shuō)可知，能量是一份一份的，而不是連續(xù)的，請(qǐng)?jiān)诤暧^概念中，舉一些我們周圍不連續(xù)的實(shí)例。答案：（1）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)最小能量值，即能量不是連續(xù)的。（2）自然數(shù)，汽車的個(gè)數(shù)等?！咎骄繗w納】1.能量子的理解（1）物體熱輻射所發(fā)出的電磁波是通過(guò)內(nèi)部的帶電諧振子向外輻射的，諧振子的能量是不連續(xù)的，只能是hν的整數(shù)倍。（2）微觀世界中的物理系統(tǒng)，如原子、分子和離子等，其能量正如普朗克所假設(shè)的那樣，只能取某些特定的值，即能量是量子化的。2.能量量子化假說(shuō)的意義普朗克的量子化假設(shè)把人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)推到了一個(gè)新的高度，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一，它展現(xiàn)了微觀世界的基本特征，架起了電磁波的波動(dòng)性與粒子性的橋梁。【典例2】下列關(guān)于能量量子化的說(shuō)法，正確的是()A.能量子與電磁波的頻率成反比B.電磁波波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其能量子越大C.微觀粒子的能量是不連續(xù)（分立）的D.能量子假設(shè)是由愛因斯坦最早提出來(lái)的答案：C解析：由ε=hν可知，能量子與電磁波的頻率成正比，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；由ε=hν=hcλ可知，電磁波波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其能量子越小，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；普朗克提出了能量子假設(shè)，他認(rèn)為，物質(zhì)輻射（或吸收）的能量都是不連續(xù)的，是一份一份進(jìn)行的，故C項(xiàng)正確；能量子假設(shè)是由普朗克最早提出來(lái)的，故解題感悟能量量子化的理解要點(diǎn)（1）能量只能采取某些分離數(shù)值。（2）能量只能以確定的大?。茨芰孔樱┮环菀环莸剡M(jìn)行變化。（3）能量子是不可再分的?！具w移應(yīng)用】1.一盞燈發(fā)光功率為100?W，假設(shè)它發(fā)出的光向四周均勻輻射，光的平均波長(zhǎng)為6.0×10-7m，在距電燈10?m遠(yuǎn)處，以電燈為球心的球面上，1?m2A.2×1015B.2×1016答案：C解析：設(shè)離燈10?m遠(yuǎn)處每平方米面積上每秒燈照射的能量為E0，則有E0=1004?πR2，設(shè)穿過(guò)的能量子數(shù)為n2.以下宏觀概念中，屬于“量子化”的是()A.物體的長(zhǎng)度B.物體所受的重力C.物體的動(dòng)能D.人的個(gè)數(shù)答案：D解析：人的個(gè)數(shù)只能取正整數(shù)，不能取分?jǐn)?shù)或小數(shù)，因而是不連續(xù)的，是量子化的。其他三個(gè)物理量的數(shù)值都可以取小數(shù)或分?jǐn)?shù)，甚至取無(wú)理數(shù)也可以，因而是連續(xù)的，非量子化的。3.關(guān)于對(duì)普朗克能量子假說(shuō)的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)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.這一假說(shuō)與現(xiàn)實(shí)世界相矛盾，因而是錯(cuò)誤的答案：B;C解析：由普朗克能量子假說(shuō)可知，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，最小能量值ε=hν。4.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.hcλB.hλC.chλ答案：A解析：由波速公式v=λν和能量子ε=hν可解得單色光能量的值。5.兩束能量相同的色光，都垂直地照射到物體表面，第一束光在某段時(shí)間內(nèi)打在物體表面的能量子數(shù)與第二束