2018-2019版物理新導(dǎo)學(xué)筆記滬科通用版選修3-5講義：第2章 波和粒子 2.1

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精2.1撥開(kāi)黑體輻射的疑云[學(xué)習(xí)目標(biāo)］1.了解熱輻射和黑體輻射的概念，了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.2。了解能量子的概念及其提出的科學(xué)過(guò)程。3。了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)．一、黑體與黑體輻射[導(dǎo)學(xué)探究］1.什么是熱輻射？這種輻射與溫度有何關(guān)系?答案物體在任何溫度下，都會(huì)發(fā)射電磁波，溫度不同,所發(fā)射的電磁波的頻率、強(qiáng)度也不同，這種現(xiàn)象叫做熱輻射．輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況是:隨物體的溫度的升高，熱輻射中波長(zhǎng)較短的電磁波成分越來(lái)越強(qiáng)．2．什么是黑體輻射？它與熱輻射有什么不同？答案能夠完全吸收各種波長(zhǎng)的電磁波而不產(chǎn)生反射的物體，叫做黑體．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)，而熱輻射還與其他因素有關(guān)(材料的種類和表面狀況）．[知識(shí)梳理]1．熱輻射（1)定義: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(guān)，所以叫熱輻射．（2)特點(diǎn)：熱輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同．2．黑體（1)定義：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)稱黑體．（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)．[即學(xué)即用］判斷下列說(shuō)法的正誤．(1）黑體一定是黑色的物體．（×）（2)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體．(√)(3）只有高溫物體才能輻射電磁波．(×）（4)溫度越高，黑體輻射電磁波的強(qiáng)度越大．(√）二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律［導(dǎo)學(xué)探究］1．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布如圖1所示，當(dāng)溫度從750K升高到6000K時(shí),各種波長(zhǎng)的電磁波的輻射強(qiáng)度怎么變化?輻射強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)如何變化？圖1答案變強(qiáng)．輻射強(qiáng)度極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，即變短．2．你認(rèn)為現(xiàn)實(shí)生活中存在理想的黑體嗎？答案現(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(電磁波）,也都能吸收和反射紅外線（電磁波），絕對(duì)黑體不存在，是理想化的模型．［知識(shí)梳理］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)．［即學(xué)即用］判斷下列說(shuō)法的正誤．(1）黑體是一種客觀存在的物質(zhì)．（×)（2）黑體輻射隨溫度升高強(qiáng)度變強(qiáng)．（√)三、能量子[導(dǎo)學(xué)探究］某激光器能發(fā)射波長(zhǎng)為λ的激光，那么激光光量子的能量可以取任意值嗎？是連續(xù)的還是一份一份的？設(shè)普朗克常量為h,那么每個(gè)激光光量子的能量是多少？如果激光發(fā)射功率為P，那么每秒鐘發(fā)射多少個(gè)光量子？答案光量子的能量是不連續(xù)的,而是一份一份的，每個(gè)光量子的能量E＝hν,個(gè)數(shù)n＝eq\f（P,E)＝eq\f（P,hν)。［知識(shí)梳理]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叫做能量子．2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量．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．［即學(xué)即用]1．判斷下列說(shuō)法的正誤．（1）微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍．(√)（2)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比．（√)2．人眼對(duì)綠光較為敏感，正常人的眼睛接收到波長(zhǎng)為530nm的綠光時(shí)，只要每秒鐘有6個(gè)×108m/s,則人眼能察覺(jué)到綠光時(shí)所接收到的最小功率是()A．2。3×10－18W B．3.8×10－19WC．7.0×10－10W D．1。2×10－18W答案A解析因只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)．所以察覺(jué)到綠光所接收的最小功率P＝eq\f(E,t),式中E＝6ε，又ε＝hν＝heq\f(c,λ)，可解得P＝eq\f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9）W≈2.3×10－18W。一、黑體輻射的規(guī)律1．一般物體的輻射與黑體輻射的比較熱輻射特點(diǎn)吸收、反射特點(diǎn)一般物體輻射與溫度有關(guān)，與表面狀況有關(guān),溫度越高，輻射電磁波波長(zhǎng)越短既吸收、又反射,其能力與入射波長(zhǎng)有關(guān),吸收能力強(qiáng)、反射弱的較黑黑體輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與表面無(wú)關(guān)不反射，完全吸收各種入射電磁波特別提示(1）熱輻射不一定需要高溫，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，電磁波的短波成分越多．(2）并不是所有的發(fā)光都是熱輻射，如激光、日光燈發(fā)光不是熱輻射．2．隨著溫度的升高，黑體輻射的各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．例1(多選）黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖2所示,由圖可知（)圖2A．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ACD解析由題圖可知，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)．針對(duì)訓(xùn)練1關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí),下列說(shuō)法正確的是（)A．黑體不僅能吸收電磁波,也能反射電磁波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(kāi)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二、能量子的理解和計(jì)算1．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)．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．3．能量子的能量ε＝hν,其中h是普朗克常量,ν是電磁波的頻率．例2（多選)對(duì)于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn),以下說(shuō)法正確的是(）A．以某一個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收B．輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．吸收的能量可以是連續(xù)的D．輻射和吸收的能量是量子化的答案ABD解析帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)是以最小能量值-—能量子ε的整數(shù)倍或一份一份地輻射或吸收的,是不連續(xù)的，故選項(xiàng)A、B、D正確，C錯(cuò)誤．針對(duì)訓(xùn)練2“神光Ⅱ”裝置是高功率固體激光系統(tǒng),利用它可獲得能量為2400J、波長(zhǎng)λ為0。35μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6。63×10－34J·s,真空中光速c＝3。0×108m/s，則該紫外激光所含光子數(shù)為多少個(gè)?(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）答案4。2×1021解析每個(gè)激光光子的能量為ε＝heq\f（c,λ），該紫外激光中所含光子數(shù)為n＝eq\f(E，ε）＝eq\f（2400,6.63×10－34×\f（3.0×108,0。35×10－6））個(gè)≈4。2×1021個(gè)．1．思維程序：c＝λν→光的頻率eq\o（→，\s\up10（ν＝\f（c,λ）)）能量子的能量eq\o（→,\s\up7(ε＝hν）)激光束的總能量E＝nε→能量子的個(gè)數(shù)2．解決此類題目的關(guān)鍵是熟練掌握ε＝hν和c＝λν及E＝nε＝Pt等公式．1.（對(duì)黑體輻射規(guī)律的理解）(多選)在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔,小孔可看做黑體,由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度．如圖3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(）圖3A．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。2．(對(duì)熱輻射規(guī)律的理解）“非典”期間，很多地方用紅外線熱像儀監(jiān)測(cè)人的體溫，只要被測(cè)者從儀器前走過(guò),便可知道他的體溫是多少,關(guān)于其中原理，下列說(shuō)法正確的是()A．人的體溫會(huì)影響周圍空氣溫度，儀器通過(guò)測(cè)量空氣溫度便可知道人的體溫B．儀器發(fā)出的紅外線遇人反射，反射情況與被測(cè)者的溫度有關(guān)C．被測(cè)者會(huì)輻射紅外線，輻射強(qiáng)度以及按波長(zhǎng)的分布情況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)且較短波長(zhǎng)的成分強(qiáng)D．被測(cè)者會(huì)輻射紅外線，輻射強(qiáng)度以及按波長(zhǎng)的分布情況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)且較長(zhǎng)波長(zhǎng)的成分強(qiáng)答案C解析根據(jù)輻射規(guī)律可知，隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加；隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)．人的體溫的高低，直接決定了這個(gè)人輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度，通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)者輻射的紅外線的情況就可知道這個(gè)人的體溫,C正確．3．(對(duì)能量子的理解)（多選)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BC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，A錯(cuò)誤，B正確;最小能量值ε＝hν，C正確．4．（能量量子化的理解）硅光電池是將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能．若有N個(gè)波長(zhǎng)為λ0的光子打在硅光電池極板上，這些光子的總能量為(h為普朗克常量，真空中光速為c）()A．heq\f(c，λ0)B．Nheq\f（c，λ0)C．Nhλ0D．2Nhλ0答案B解析一個(gè)光子的能量ε＝hν＝heq\f(c,λ0）,則N個(gè)光子的總能量E＝Nheq\f（c，λ0)，選項(xiàng)B正確．一、選擇題考點(diǎn)一黑體輻射的理解和應(yīng)用1．關(guān)于對(duì)熱輻射的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法中正確的是(）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(wú)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答案B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)，對(duì)于一般材料的物體,輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布除與物體的溫度有關(guān)外，還與材料的種類和表面狀況有關(guān)；常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色．2．對(duì)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的影響因素是()A．溫度 B．材料C．表面狀況 D．以上都正確答案A解析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),A對(duì)．3．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解析隨著溫度的升高,黑體輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系: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)．由此規(guī)律可知應(yīng)選A.4．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)熱輻射定義知A對(duì)；根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)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)．考點(diǎn)二能量子的理解和應(yīng)用5．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．人的個(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正確，B、C、D錯(cuò)誤．6．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．heq\f（c，λ) B.eq\f(h，λ)C.eq\f(c,hλ） D．以上均不正確答案A解析由波速公式c＝λν可得：ν＝eq\f（c，λ），由光的能量子公式得ε＝hν＝heq\f（c，λ)，故選項(xiàng)A正確．7．能引起人的眼睛視覺(jué)效應(yīng)的最小能量為10－18J,已知可見(jiàn)光的平均波長(zhǎng)為0。6μm，普朗克常量h＝6。63×10－34J·s,恰能引起人眼的感覺(jué)，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為（)A．1個(gè)B．3個(gè)C．30個(gè)D．300個(gè)答案B解析每個(gè)光子的能量為E0＝heq\f（c，λ）,能引起人的眼睛視覺(jué)效應(yīng)的最小能量E為10－18J，由E＝nE0得能引起人眼的感覺(jué)，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為n＝eq\f（E，E0)＝eq\f（Eλ,hc）＝eq\f（10－18×6×10－7,6.63×10－34×3×108)個(gè)≈3個(gè)．故選B.8．在自然界生態(tài)系統(tǒng)中，蛇與老鼠和其他生物通過(guò)營(yíng)養(yǎng)關(guān)系構(gòu)成食物鏈，在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用．蛇是老鼠的天敵，它是通過(guò)接收熱輻射來(lái)發(fā)現(xiàn)老鼠的．假設(shè)老鼠的體溫約37℃，它發(fā)出的最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為λmin.根據(jù)熱輻射理論，λmin與輻射源的絕對(duì)溫度T的關(guān)系近似為T(mén)λmin＝2。90×10－3m·K,則老鼠發(fā)出的最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為（）A．7.8×10－5m B．9。4×10－6mC．1.16×10－4m D．9。7×10－8m答案B解析由Tλmin＝2。90×10－3m·K可得，老鼠發(fā)出最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為λmin＝eq\f(2.90×10－3m·K，T)＝eq\f（2.90×10－3,273＋37)m≈9。4×10－6m，B正確．9．紅外遙感衛(wèi)星通過(guò)接收地面物體發(fā)出的紅外輻射來(lái)探測(cè)地面物體的狀況．地球大氣中的水汽（H2O)、二氧化碳(CO2)能強(qiáng)烈吸收某些波長(zhǎng)范圍的紅外輻射，即地面物體發(fā)出的某些波長(zhǎng)的電磁波，只有一部分能夠通過(guò)大氣層被遙感衛(wèi)星接收．如圖1所示為水和二氧化碳對(duì)某一波段不同波長(zhǎng)電磁波的吸收情況，由圖可知，在該波段紅外遙感大致能夠接收到的波長(zhǎng)范圍是()圖1A．2.5～3.5μm B．4~4.5μmC．5～7μm D．8～13μm答案D解析由題圖可知,水對(duì)紅外輻射吸收率最低的波長(zhǎng)范圍是8～13μm；二氧化碳對(duì)紅外輻射吸收率最低的波長(zhǎng)范圍是5～13μm.綜上可知,應(yīng)選D。二、非選擇題10．(能量子個(gè)數(shù)的計(jì)算)40瓦的白熾燈,有5%的能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光．設(shè)所發(fā)射的可見(jiàn)光的平均波長(zhǎng)為580nm,那么該白熾燈每秒鐘輻射的光子數(shù)為多少?(普朗克常量h＝6。63×10－34J·s，光速c＝3×108m/s)答案5。8×1018個(gè)解析波長(zhǎng)為λ的光子能量為：ε＝hν＝heq\f(c，λ)①設(shè)白熾燈每秒內(nèi)發(fā)出的光子