高中二年級(jí)上學(xué)期物理《能量的量子化》教學(xué)課件

能量量子化熱輻射⑴定義任何物體在任何溫度下都會(huì)輻射電磁波的現(xiàn)象。（熱傳遞的三種方式之一）⑵原因物體分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，輻射電磁波。⑶特點(diǎn)物體溫度高，輻射能量本領(lǐng)強(qiáng)，電磁波的短波成份多，長(zhǎng)波成份少。（各種波長(zhǎng)都有）（這種輻射是由物體的原子、分子受激發(fā)產(chǎn)生的，與溫度有關(guān)，故稱為熱輻射）投在爐中的鐵塊800K1000K1200K1400K不發(fā)光→暗紅→赤紅→橘紅→黃白色例如，鐵塊隨著溫度升高：

注意：激光、日光燈發(fā)光不是熱輻射實(shí)際熱輻射的復(fù)雜性TT外來(lái)各種波長(zhǎng)的輻射能反射某些波長(zhǎng)的輻射能（隨物而異）吸收某些波長(zhǎng)的輻射能（隨物而異）（故也隨物而異）發(fā)射各種波長(zhǎng)的熱輻射能對(duì)熱輻射規(guī)律的研究顯得較復(fù)雜不透明體度于某一溫處熱平衡狀態(tài)：物體的溫度恒定時(shí)，物體所吸收的能量等于在同一時(shí)間內(nèi)輻射的能量，這時(shí)得到的輻射稱為平衡熱輻射。熱輻射的應(yīng)用紅外測(cè)溫儀利用紅外成像探測(cè)鈾礦紅外夜視儀

黑體——理想模型TT外來(lái)各種波長(zhǎng)的輻射能無(wú)任何反射能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能發(fā)射各種波長(zhǎng)的熱輻射能不透明體度于某一溫處假設(shè)有這樣一種物體這種假設(shè)的物體稱為黑體不透明體如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)（不僅是可見(jiàn)光）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。（1）黑體輻射的特征：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)。(一般物體的輻射與溫度、材料、表面狀況有關(guān)，)不透明材料制成的帶小孔的空腔（2）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)小孔就成了一個(gè)絕對(duì)黑體。黑體的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)空腔加熱至某熱平衡溫度對(duì)空腔加熱至某熱平衡溫度TT通過(guò)小孔進(jìn)入腔內(nèi)的輻射能反射回小孔出射的機(jī)會(huì)極小，幾乎全部被腔壁吸收。不透明材料空腔開(kāi)一小孔

小孔表面好比黑體（吸收全部入射的輻射能而無(wú)反射）從小孔表面出射的就是處于某一熱平衡溫度T的實(shí)驗(yàn)黑體的輻射能，進(jìn)而探索其能譜分布規(guī)律。黑體輻射測(cè)量系統(tǒng)示意圖黑體（小孔表面）T集光透鏡平行光管分光元件會(huì)聚透鏡及探頭

分光元件（如棱鏡或光柵等）將不同波長(zhǎng)的輻射按一定的角度關(guān)系分開(kāi)，轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不同波長(zhǎng)輻射的強(qiáng)度分布。再推算出黑體單色輻出度按波長(zhǎng)的分布。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)及入射光波長(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(1)熱輻射不一定要高溫，任何溫度的物體都發(fā)出一定的熱輻射，只是溫度低時(shí)輻射弱，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)。(2)黑體是一個(gè)理想化的物理模型，實(shí)際不存在。(3)黑體看上去不是一定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見(jiàn)光非常微弱時(shí)看上去才是黑的；有些可看作黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來(lái)還會(huì)很明亮，例如：煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽(yáng)、白熾燈燈絲)也被看作黑體來(lái)處理。為什么要研究黑體輻射一般材料的物體的輻射：除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類(lèi)及表面狀況有關(guān)。黑體輻射規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)。所以，研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。測(cè)量黑體輻射的實(shí)驗(yàn)原理：加熱空腔使其溫度升高，空腔就成了不同溫度下的黑體，從小孔向外的輻射就是黑體輻射。黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律輻射強(qiáng)度:單位時(shí)間內(nèi)從物體單位面積上所發(fā)射的各種波長(zhǎng)的總輻射能，稱為輻射強(qiáng)度。黑體輻射的實(shí)驗(yàn)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有關(guān)，如圖所示。(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)溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加；(3)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)。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)黑體輻射與溫度有關(guān)黑體輻射兩種經(jīng)典解釋⑴短波符合；長(zhǎng)波不符合。⑵長(zhǎng)波符合；短波荒唐----紫外災(zāi)難。德國(guó)物理學(xué)家維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)，在1896年提出了一個(gè)輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)及溫度變化的半經(jīng)驗(yàn)公式，維恩公式，得出曲線。根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)與電磁學(xué)，物理學(xué)家瑞利在1900年也提出了一個(gè)理論公式，后經(jīng)金斯改進(jìn)，合稱瑞利-金斯公式，得出曲線。維恩線瑞利-金斯線在紫外線一端，當(dāng)波長(zhǎng)趨于0時(shí)，輻射本領(lǐng)將趨于無(wú)窮大．這種情況被人們稱為“紫外災(zāi)難”。普朗克對(duì)黑體輻射解釋普朗克公式

普朗克找到了一個(gè)數(shù)學(xué)公式，它與實(shí)驗(yàn)吻合得非常完美。維恩公式和瑞利——金斯公式，其實(shí)就是普朗克公式的特殊情況。普朗克嘗試從電磁學(xué)、力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)等物理學(xué)的基本理論出發(fā)，把這個(gè)公式推導(dǎo)出來(lái)。

普朗克最終在1900年底發(fā)現(xiàn)，如果想推導(dǎo)出這個(gè)公式，就必須假定：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。能量子

普朗克認(rèn)為，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。能量子（普朗克能量子假說(shuō)）——超越牛頓的發(fā)現(xiàn)宏觀世界中：能量可以是任意值，可以連續(xù)變化。例如：物體的重力勢(shì)能，彈簧振子的彈性勢(shì)能。微觀世界中：微觀粒子的能量只能是一個(gè)一個(gè)的特定值，不能連續(xù)變化。（能量量子）例如：物體的帶電量，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。經(jīng)典量子連續(xù)分立宏觀世界能量連續(xù)

宏觀世界能量的連續(xù)性與微觀粒子的能量的量子化，這是宏觀世界與微觀物理規(guī)律最重要的差別之一。彈簧振子振動(dòng)能量可以連續(xù)變化（振幅可以取任意值），即振動(dòng)能量的連續(xù)性。阻尼振動(dòng)的振動(dòng)能量的連續(xù)變化普朗克1900年的假設(shè)第一次為人們揭開(kāi)了微觀世界物理規(guī)律面紗的一角。從此，物理學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的紀(jì)元。普朗克本人因此獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。能量子大小物體熱輻射所發(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(1)輻射物體中包含大量振動(dòng)著的帶電微粒，它們的能量是某一最小能量的整數(shù)倍

E=nεn=1,2,…ε叫能量子，簡(jiǎn)稱量子，n為量子數(shù)，它只取正整數(shù)——能量量子化(2)諧振子只能一份一份按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。

對(duì)于頻率為

的諧振子，最小能量為：ε=h

稱為一個(gè)能量子，①其中

是電磁波的頻率，光在真空中波長(zhǎng)λ=c

/ν②h稱為普朗克常量，h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。能量量子經(jīng)典量子化假設(shè)的意義

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。普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一，它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征。能量子、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式這種假說(shuō)不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開(kāi)創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。

比喻：電磁波就好象是機(jī)關(guān)槍發(fā)射子彈，子彈是一顆一顆向前運(yùn)動(dòng)的，每一顆子彈就好象是一份電磁波?；谀芰孔蛹僬f(shuō)，1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克利用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長(zhǎng)波的瑞利-金斯公式銜接起來(lái)，提出了一個(gè)新的公式：普朗克提出的公式與實(shí)驗(yàn)符合之好令人擊掌叫絕，把能量子引進(jìn)物理學(xué)，正確地破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，成為新物理學(xué)思想的基石之一。

普朗克

量子說(shuō)康普頓康普頓效應(yīng)19221900190519061912愛(ài)因斯坦光子說(shuō)愛(ài)因斯坦量子理論引入固體比熱問(wèn)題玻爾量子理論引入原子結(jié)構(gòu)典型例題【例題1】(多選)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(lèi)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(lèi)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，最終不能從空腔射出，這個(gè)帶小孔的空腔就近似為一個(gè)黑體解析：黑體自身輻射電磁波，看起來(lái)還會(huì)很明亮（如太陽(yáng)），所以黑體不一定是黑的，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)，與材料的種類(lèi)及表面狀況無(wú)關(guān)，B錯(cuò)誤，C正確；電磁波最終不能從空腔射出，因此這個(gè)帶小孔的空腔就近似為一個(gè)黑體（嚴(yán)格意義上應(yīng)該是小孔），D正確。CD典型例題【例題2】下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)