高中物理選擇性必修第三冊(cè)配人教版-第四章-1-普朗克黑體輻射理論

高中同步學(xué)案優(yōu)化設(shè)計(jì)GAOZHONGTONGBUXUEANYOUHUASHEJI1.普朗克黑體輻射理論第四章2021內(nèi)容索引0102課前篇自主預(yù)習(xí)課堂篇探究學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解黑體及黑體輻射的概念。(物理觀念)2.了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。(物理觀念)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。(物理觀念)4.了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。(物理觀念)思維導(dǎo)圖課前篇自主預(yù)習(xí)必備知識(shí)一、黑體與黑體輻射1.黑體某種物體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(chēng)黑體。2.黑體輻射(1)定義:黑體不反射電磁波,卻可以向外輻射電磁波,這樣的輻射叫作黑體輻射。(2)黑體輻射特點(diǎn):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)。3.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)隨著溫度的升高,各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加。(2)隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度的極大值向著波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

4.黑體輻射的理論解釋(1)維恩和瑞利建立理論的基礎(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)偏離很大。(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。(4)普朗克引入能量子概念,得出同全部實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式。二、能量子1.定義:普朗克認(rèn)為,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,當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí),也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的,這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。2.能量子大小:ε=hν,其中ν是電磁波的頻率,h稱(chēng)為普朗克常量。h=6.626×10-34J·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(shuō)微觀粒子的能量是分立的。自我檢測(cè)1.正誤判斷,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題請(qǐng)說(shuō)明原因。(1)黑體一定是黑色的物體。(

)答案

×解析

黑體自身能輻射電磁波,因此黑體看起來(lái)不一定是黑色的物體。(2)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體。(

)答案

√(3)溫度越高,黑體輻射電磁波的強(qiáng)度越大。(

)答案

√(4)微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍。(

)答案

√(5)能量子的能量不是任意的,其大小與電磁波的頻率成正比。(

)答案

√(6)能量子是可以再分的。(

)答案

×解析

能量子是不可再分的最小能量單元值。(7)光滑水平桌面上勻速運(yùn)動(dòng)的小球的動(dòng)能也是量子化的。(

)答案

×解析

能量量子化是微觀粒子能量的特征,宏觀物體的能量是連續(xù)的。2.(多選)以下宏觀概念中,哪些是“量子化”的(

)A.物體的帶電荷量

B.物體的質(zhì)量C.物體的動(dòng)量

D.學(xué)生的個(gè)數(shù)答案

AD解析

“量子化”是不連續(xù)的,是一份一份的,故選AD。3.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(kāi)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(kāi)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)度都有增加,故C錯(cuò)誤;黑體輻射是有實(shí)驗(yàn)依據(jù)的,故D錯(cuò)誤。課堂篇探究學(xué)習(xí)探究一黑體與黑體輻射情境探究1.煤煙很接近黑體,其吸收率為99%,即投射到煤煙的輻射能量幾乎全部被吸收,把一定量的煤煙置于陽(yáng)光下照射,它的溫度是否一直在上升?要點(diǎn)提示

不會(huì),因?yàn)殡S著能量不斷吸收,還伴隨著能量的輻射,最終將趨于平衡。

2.在抗擊新冠肺炎疫情期間,很多地方用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)人的體溫,只要被測(cè)者從儀器前走過(guò),便可獲取他的體溫。你知道其中的道理嗎?要點(diǎn)提示

根據(jù)熱輻射規(guī)律可知,人的體溫的高低,直接決定了人輻射的紅外線(xiàn)的頻率和強(qiáng)度。因此通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)者輻射的紅外線(xiàn)的情況就知道這個(gè)人的體溫。知識(shí)歸納1.對(duì)黑體和黑體輻射的理解

(1)對(duì)黑體的理解: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(kāi)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,最終不能從空腔射出,這個(gè)小孔就近似為一個(gè)絕對(duì)黑體。(2)對(duì)黑體輻射的理解:一般物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的本領(lǐng)。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)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有關(guān),與材料的種類(lèi)及表面狀況有關(guān)既吸收又反射,其能力與材料的種類(lèi)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)完全吸收各種入射電磁波,不反射(4)現(xiàn)實(shí)生活中不存在理想的黑體,實(shí)際的物體都能輻射紅外線(xiàn)(電磁波),也都能吸收和反射紅外線(xiàn)(電磁波),絕對(duì)黑體不存在,是理想化的模型。2.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)度都會(huì)增加,輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。實(shí)例引導(dǎo)例1

(多選)在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)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(shuō)法正確的是(

)A.T1>T2B.T1<T2C.隨著溫度的升高,黑體的輻射強(qiáng)度都有所降低D.隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短方向移動(dòng)答案

AD解析

一般材料的物體輻射能量的多少?zèng)Q定于物體的溫度(T)、輻射波的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短和發(fā)射的面積,而黑體是指在任何溫度下,能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不反射的物體,黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明,隨著溫度的升高,各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有所增加,輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。從題圖中可以看出,λ1<λ2,T1>T2,本題正確選項(xiàng)為A、D。規(guī)律方法

1.理解和熟記輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖像是解答此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵。2.黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān),與材料的種類(lèi)和表面狀況無(wú)關(guān)。變式訓(xùn)練1下列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(

)答案

A解析

黑體輻射以電磁輻射的形式向外輻射能量,溫度越高,輻射越強(qiáng)越大,黑體輻射的波長(zhǎng)分布情況也隨溫度而變化,溫度越高,輻射強(qiáng)度的極大值向著波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng),A選項(xiàng)正確。探究二能量子情境探究1.德國(guó)物理學(xué)家普朗克對(duì)黑體輻射問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究,于1900年推導(dǎo)出了普朗克公式。德國(guó)物理學(xué)家魯本斯把它與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果“令人滿(mǎn)意地相符”。但所有推導(dǎo)都是建立在一個(gè)最重要的假設(shè)基礎(chǔ)之上,這個(gè)假設(shè)是什么呢?要點(diǎn)提示

能量量子化假設(shè)。2.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?要點(diǎn)提示

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)最小能量單位,即能量不是連續(xù)的。宏觀世界中我們認(rèn)為能量是連續(xù)變化的是因?yàn)槊恳粋€(gè)能量子的能量都很小,宏觀變化中有大量的能量子,就可以看作連續(xù)的。而研究微觀粒子時(shí),單個(gè)的能量子能量就顯示出不連續(xù)性。知識(shí)歸納1.普朗克的量子化假設(shè)(1)能量子振動(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。例如,可能是ε或2ε、3ε……當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí),也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的。這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)能量子公式ε=hνν是電磁波的頻率,h是一個(gè)常量,后人稱(chēng)之為普朗克常量,其值為h=6.626×10-34J·s。(3)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。2.在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)我們可以認(rèn)為:物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化;在研究微觀粒子時(shí)必須考慮能量量子化。閃光語(yǔ)錄物體在發(fā)射或接收能量的時(shí)候,只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過(guò)渡到另一狀態(tài),而不可能停留在不符合這些能量的任何一個(gè)中間狀態(tài)。3.普朗克能量量子化假設(shè)對(duì)黑體輻射的合理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)果吻合得非常完美。如圖所示,曲線(xiàn)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,兩者符合性非常好。4.普朗克的能量量子化假說(shuō)的意義(1)普朗克的能量子假設(shè),使人類(lèi)對(duì)微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí),對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響,成為物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征。實(shí)例引導(dǎo)例2

經(jīng)測(cè)量,人體表面輻射本領(lǐng)的最大值落在波長(zhǎng)為940μm處。根據(jù)電磁輻射的理論得出,物體最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)與物體的絕對(duì)溫度的關(guān)系近似為T(mén)λm=2.90×10-1m·K,由此估算人體表面的溫度和輻射的能量子的值各是多少?(h=6.63×10-34J·s)答案

36℃

2.12×10-22

J規(guī)律方法

解決此類(lèi)題目的關(guān)鍵是熟練掌握ε=hν、c=λν及E=nε=Pt等公式。

變式訓(xùn)練2已知某種電磁波的波長(zhǎng)為λ,在真空中電磁波的速度為c,普朗克常量為h,則電磁波輻射的能量子ε的值為(

)答案

A隨堂檢測(cè)1.下列敘述錯(cuò)誤的是(

)A.一切物體都在輻射電磁波B.一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)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

根據(jù)熱輻射定義可知,A對(duì);根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)可知,一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外,還與材料種類(lèi)和表面狀況有關(guān),而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān),B錯(cuò),C對(duì);根據(jù)黑體定義知D對(duì)。本題應(yīng)選B項(xiàng)。2.普朗克在1900年將“能量子”引入物理學(xué),開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元。在下列宏觀概念中,具有“量子化”特征的是(

)A.物體的個(gè)數(shù) B.物體所受的重力C.物體的動(dòng)能 D.物體的長(zhǎng)度答案

A解析

依據(jù)普朗克量子化觀點(diǎn),能量是不連續(xù)的,是一份一份地變化的,屬于“不連續(xù)的,一份一份”的概念的是A選項(xiàng),故A符合題意,B、C、D不符合題意。3.(多選)根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,以下判斷正確的是(

)A.在同一溫度下,波長(zhǎng)越短的電磁波輻射強(qiáng)度越大B.在同一溫度下,輻射強(qiáng)度最大的電磁波的波長(zhǎng)不是最大的,也不是最小的,而是處在最大與最小波長(zhǎng)之間C.溫度越高,輻射強(qiáng)度的極大值就越大D.溫度越高,輻射強(qiáng)度最大的電磁波的波長(zhǎng)越短答案

BCD解析

在同一溫度下,輻射強(qiáng)度最大的電磁波的波長(zhǎng)不是最大的,也不是最小的,而是處在最大與最小波長(zhǎng)之間,故A錯(cuò)誤,B正確;黑體輻射的強(qiáng)度與溫度有關(guān),溫度越高,黑體輻射的強(qiáng)度越大,且輻射強(qiáng)度的極大值也就越大,C正確;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),故D正確,故選B、C、D。4.二氧化碳能很好地吸收紅外長(zhǎng)波輻射,這種長(zhǎng)波輻射的波長(zhǎng)范圍是1.43×10-3~