高二物理競(jìng)賽熱輻射課件

引言：兩朵烏云黑體輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)后來(lái)的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學(xué)的誕生相對(duì)論問(wèn)世任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長(zhǎng)的分布都與溫度有關(guān)。火爐600度1000度400度因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射一、熱輻射1.熱輻射現(xiàn)象3）物體既會(huì)輻射能量，也會(huì)吸收能量。當(dāng)物體因輻射而失去的能量等于從外界吸收的輻射能時(shí)，這時(shí)物體的狀態(tài)可用一確定的溫度來(lái)描述，這種熱輻射稱為平衡熱輻射。反之稱為非平衡熱輻射。1）從經(jīng)典物理學(xué)看來(lái)熱輻射過(guò)程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)中的分子、原子受到熱激發(fā)后以電磁波的形式向外輻射能量的過(guò)程。其輻射的能量稱之為輻射能。注意：高溫物體發(fā)出的是紫外光。熾熱物體發(fā)出的是可見(jiàn)光，2）熱輻射波譜是連續(xù)譜，各種波長(zhǎng)(頻率)都有，但是強(qiáng)度不同。熱輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)(頻率)的分布和溫度有關(guān)，溫度

短波長(zhǎng)的電磁波的比例。低溫物體發(fā)出的是紅外光，

實(shí)驗(yàn)表明：物體輻射能多少?zèng)Q定于物體的溫度（T）、輻射的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短和發(fā)射的面積。二、輻出度和吸收比1、單色輻出度（單色發(fā)射本領(lǐng)）單位時(shí)間內(nèi)，溫度為T的物體上單位面積上發(fā)射波長(zhǎng)在+d范圍內(nèi)的輻射能dE(T)與波長(zhǎng)間隔d比值，用e(,)表示。光源S=1顯然，它是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)2、輻射出射度（總發(fā)射本領(lǐng)）單位時(shí)間內(nèi)從物體單位面積上所輻射的各種波長(zhǎng)的總的輻射能，用E(T)表示。光源S=1顯然，它是溫度的函數(shù)3、單色吸收率和單色反射率實(shí)驗(yàn)表明:吸收與反射的能量與物體溫度有關(guān)、與輻射能的波長(zhǎng)范圍有關(guān).不透明介質(zhì)E吸吸收E入射入射E反反定義：一束波長(zhǎng)為+，強(qiáng)度為E入的電磁輻射入射到溫度為T的物體上時(shí)，若反射光的強(qiáng)度為E反(,T)，吸收光的強(qiáng)度為E吸（，T），則定義：?jiǎn)紊章剩簡(jiǎn)紊瓷渎剩猴@然，對(duì)不透明的物體：三、黑體（blackbody）1、黑體：在任何溫度、對(duì)于任何波長(zhǎng)的輻射的吸收率均為1的物體，稱之為黑體。黑體模型1黑體模型2——眼睛與瞳孔*眼睛虹膜有各種顏色——與人種有關(guān)*瞳孔只有黑色的—與人種無(wú)關(guān)注意：1）黑體是對(duì)入射的輻射能全部吸收（不管什么波長(zhǎng)）的物體，也不反射。因此當(dāng)其自身的熱輻射很弱時(shí)，看上去是黑洞洞的。2）黑體是理想化的模型，實(shí)際中的物體的吸收率總是小于1。拋光的銅鏡表面：一般金屬表面：煤煙：2、Kirchhoff定律室溫下，反射光1100K，自身輻射光實(shí)驗(yàn)表明：之間存在一定的聯(lián)系一個(gè)黑白花盤子的兩張照片原來(lái)白底的地方吸收的少（反射的多），發(fā)射的光強(qiáng)也就弱；基爾霍夫（GustavRobertKirchhoff,1824～1887）德國(guó)物理學(xué)家原來(lái)黑花紋的部分吸收的多（反射的少），發(fā)射的光強(qiáng)也就強(qiáng)；絕熱恒溫體T=CM1M2B真空為黑體的單色輻出度為黑體的單色吸收率其中：物理含義：好的吸收體也是好的輻射體。四、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)研究1、實(shí)驗(yàn)裝置

會(huì)聚透鏡空腔小孔平行光管棱鏡熱電偶不同溫度下的黑體輻射曲線鎢絲和太陽(yáng)的熱輻射曲線可見(jiàn)光區(qū)2、黑體輻射的規(guī)律1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K1）斯忒蕃--玻爾茲曼定律：黑體輻射出射度與絕對(duì)溫度有如下關(guān)系：斯忒蕃--玻爾茲曼常數(shù)含義：它說(shuō)明對(duì)于黑體，溫度越高，輻出度

EB(T)越大且隨T增高而迅速增大。2)維恩位移定律：黑體溫度增高時(shí)，其單色輻出度的峰值波長(zhǎng)向短波方向傳播，且有如下關(guān)系：峰值波長(zhǎng)T：絕對(duì)溫度火爐1000度2000度800度爐火純青注意：1）以上兩規(guī)律只適用于黑體，對(duì)非黑體只近似成立。1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K2）熱輻射規(guī)律在現(xiàn)代技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用

---高溫測(cè)量、遙感、遙測(cè)、紅外跟蹤等。1.測(cè)量黑體溫度

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。2.光學(xué)高溫計(jì)----光測(cè)高溫高溫爐燈絲目鏡聚焦透鏡調(diào)節(jié)R，當(dāng)燈絲溫度>爐溫時(shí)，燈絲在爐孔像的背景上顯示出亮線。當(dāng)燈絲溫度=爐溫時(shí)，燈絲在爐孔像的背景上消失。由通過(guò)燈絲電流強(qiáng)度可算出爐溫T。例1：太陽(yáng)可以看成黑體，地球上測(cè)出其峰值波長(zhǎng)為

m=5100?，則其表面溫度和輻出度為多少？由解：

例2（1）溫度為室溫的黑體，其單色輻出度的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是多少？（2）若使一黑體單色輻出度的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在紅色譜線范圍內(nèi)，其溫度應(yīng)為多少？（3）以上兩輻出度之比為多少？解（2）?。?）由維恩位移定律（3）由斯特藩—玻爾茲曼定律經(jīng)典理論的基本觀點(diǎn)（1）電磁輻射來(lái)源于物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子的振動(dòng)，電磁波的頻率與振動(dòng)頻率相同。（2）振子的能量取連續(xù)值，振子輻射的電磁波含有各種波長(zhǎng)，是連續(xù)的，輻射能量也是連續(xù)的。（3）加熱或光照，振子吸收任意值的能量，溫度升高，振子振動(dòng)加強(qiáng)，輻射能增大；振子輻射任意值的能量，振子振動(dòng)劇烈程度降低到十九世紀(jì)末，人們普遍接受物質(zhì)有最小單元（即“量子化”的）；沒(méi)有人懷疑能量連續(xù)性問(wèn)題（包括物理系統(tǒng)能量連續(xù)和物質(zhì)間相互作用時(shí)能量傳遞的連續(xù)性）——普朗克(M.Planck)的量子假說(shuō)五、熱輻射的理論解釋、普朗克量子假說(shuō)

當(dāng)時(shí)經(jīng)典力學(xué)占統(tǒng)治地位，人們自然用經(jīng)典力學(xué)理論來(lái)解釋熱輻射并建立了兩個(gè)公式：1、維恩公式（Wien’sformula）1896年德國(guó)維恩（Wien）從熱力學(xué)普遍理論出發(fā)，將黑體諧振子能量按頻率分布類同于Maxwell速度分布，由經(jīng)典理論導(dǎo)出以下公式維恩公式C1、C2須用實(shí)驗(yàn)確定。此公式在長(zhǎng)波方面與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)2瑞利—瓊斯公式（Rayleigh-jean’sformula）C為光速K=1.38065810-23J/K波爾茲曼常數(shù)“紫外線災(zāi)難”,像烏云一樣遮住了物理學(xué)睛朗的天空。

熱輻射實(shí)驗(yàn)1900年瑞利--金斯利用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)（將固體當(dāng)作諧振子且能量按自由度均分原則及電磁輻射理論）得到一個(gè)公式：六普朗克假設(shè)普朗克黑體輻射公式（1900年）普朗克常量能量子為單元來(lái)吸收或發(fā)射能量.1、普朗克假設(shè)：金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子，它吸收或者發(fā)射電磁輻射能量時(shí)，不是過(guò)去經(jīng)典物理認(rèn)為的那樣可以連續(xù)的吸收或發(fā)射能量，而是以與振子的頻率成正比的普朗克黑體輻射公式

空腔壁上的帶電諧振子吸收或發(fā)射能量應(yīng)為2、普朗克公式（Planck’sformula）C為光速k波爾茲曼常數(shù)e為自然對(duì)數(shù)底h=6.6310-34j·s稱為普朗克恒量該公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好！(nm)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0討論：1）當(dāng)h>>kT（高頻段）維恩公式令：2）當(dāng)h<<kT（低頻段）瑞利—金斯公式注意：普朗克這一思想是完全背離經(jīng)典物理，并受到當(dāng)時(shí)許多人的懷疑和反對(duì)，包括當(dāng)時(shí)的物理學(xué)泰斗---洛侖茲。乃至當(dāng)時(shí)普朗克自已也想以某種方式來(lái)消除這一關(guān)系式。它寫道：

“我試圖將h納入經(jīng)典理論的范圍，但一切這樣的嘗試都失敗了，這個(gè)量非常頑固。后來(lái)他又說(shuō)：

“在好幾年內(nèi)我花費(fèi)了很大的勞動(dòng)，徒勞地去嘗試如何將作用量子引入到經(jīng)典理論中去。我的一些同事把這看成是悲劇。但我有自已的看法，