高中 物理 必修第三冊(cè) 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》教學(xué)設(shè)計(jì)

第1節(jié)普朗克黑體輻射理論[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．知道黑體、熱輻射和黑體輻射的概念。2．了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。3．了解普朗克提出的量子假說(shuō)及能量子的概念。知識(shí)點(diǎn)1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)稱黑體。2．黑體輻射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。一般材料的物體，輻射電磁波的情況，除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)。知識(shí)點(diǎn)2黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1．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)。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)。2．維恩和瑞利的理論解釋(1)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。(2)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。[判一判]1．(1)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體。()(2)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布與黑體的溫度有關(guān)，也與材料的種類及表面狀況有關(guān)。()(3)溫度越高，黑體輻射電磁波的強(qiáng)度越大。()提示：(1)√(2)×(3)√知識(shí)點(diǎn)3能量子1．普朗克的假設(shè)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。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＝hν，其中ν是帶電微粒的振動(dòng)頻率，也即帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率，h稱為普朗克常量。h＝6.626__070__15×10－34J·s。(一般取h＝6.63×10－34J·s)3．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。[判一判]2．(1)普朗克有關(guān)能量子的假說(shuō)認(rèn)為微觀粒子的能量是分立的。()(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。()提示：(1)√(2)√1．(黑體)所謂黑體是指能全部吸收入射的電磁波的物體。顯然，自然界不存在真正的黑體，但許多物體在某些波段上可近似地看成黑體。如圖所示，用不透明的材料制成的帶小孔的空腔，可近似地看作黑體。這是利用了()A．控制變量法 B．比值法C．類比法 D．理想化方法解析：選D。黑體實(shí)際上是一種物理模型，把實(shí)際物體近似看作黑體，用到的是理想化方法，D正確。2．(黑體輻射)(多選)2006年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩名美國(guó)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譜形狀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的黑體譜相關(guān)的說(shuō)法中正確的是()A．微波是指波長(zhǎng)在10－3m到10m之間的電磁波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)解析：選ACD。微波是一種電磁波，波長(zhǎng)在10－3m到10m之間，傳播不需要介質(zhì)，A正確，B錯(cuò)誤；由于分子和原子的熱運(yùn)動(dòng)引起一切物體不斷向外輻射電磁波，又叫熱輻射，C正確；能量子假說(shuō)是普朗克在研究黑體的熱輻射問(wèn)題時(shí)提出的，D正確。3．(黑體與黑體輻射)(多選)下列說(shuō)法正確的是()A．只有高溫物體才輻射電磁波B．任何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)的分布只與黑體的溫度有關(guān)D．黑體能完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波解析：選CD。自然界的任何物體都向外輻射電磁波，溫度越高，輻射電磁波的本領(lǐng)越強(qiáng)，故A錯(cuò)誤；一般材料的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)，故B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)，溫度升高時(shí)，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)減小的方向移動(dòng)，故C正確；能完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波的理想物體叫作黑體，故D正確。4．(能量子)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．以上均不正確解析：選A。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A正確。5．(能量子)1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克在研究黑體輻射的規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)只有假定電磁波發(fā)射和吸收的能量是一份一份的，計(jì)算結(jié)果才能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，每一份能量與電磁波的頻率成正比，比例系數(shù)就是普朗克常量h，下列關(guān)于普朗克常量單位的表示正確的是()A．J/sB．kg·m2/sC．kg·m/s2D．eV解析：選B。由光子能量E＝hv＝heq\f(1,T)，得h＝ET，則普朗克常量單位為1J·s＝1N·m·s＝1kg·m·s－2·m·s＝1kg·m2/s，B正確。探究一黑體與黑體輻射1．對(duì)黑體的理解(1)黑體是一個(gè)理想化的物理模型。(2)黑體看上去不一定是黑的，有些可看成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①各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；②輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，如圖所示?！纠?】關(guān)于黑體輻射，下列說(shuō)法正確的是()A．一切物體只有在吸收電磁波的同時(shí)才會(huì)輻射電磁波B．黑體在不斷地輻射電磁波，且溫度越高最強(qiáng)輻射波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)C．黑體對(duì)于外界過(guò)來(lái)的電磁波只吸收而不反射，因此肉眼看不到黑體D．黑體輻射電磁波的能量是不連續(xù)的，而是某個(gè)能量值的整數(shù)倍[解析]自然界的任何物體都向外輻射紅外線，溫度越高，輻射電磁波的本領(lǐng)越強(qiáng)，故A錯(cuò)誤；黑體在不斷地輻射電磁波，且溫度越高最強(qiáng)輻射波的波長(zhǎng)越短，故B錯(cuò)誤；黑體對(duì)于外界過(guò)來(lái)的電磁波只吸收而不反射，但黑體輻射光，肉眼能看到黑體，故C錯(cuò)誤；根據(jù)量子化的理論，黑體輻射電磁波的能量是不連續(xù)的，只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，故D正確。[答案]D【例2】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，這是黑體的輻射強(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．在同一溫度下，波長(zhǎng)越短的電磁波輻射強(qiáng)度越大C．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)[解析]不同溫度的物體向外輻射的電磁波的波長(zhǎng)范圍是不同的，溫度越高向外輻射的能量中，頻率大的波越多，所以T1>T2，故A錯(cuò)誤；由圖像可知，同一溫度下，輻射強(qiáng)度最大的電磁波波長(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B錯(cuò)誤；由圖像可知，黑體的輻射強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大，故C錯(cuò)誤；由圖可知，隨著溫度的升高，相同波長(zhǎng)的光輻射強(qiáng)度都會(huì)增大，同時(shí)最大輻射強(qiáng)度向左側(cè)移動(dòng)，即向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，故D正確。[答案]D[針對(duì)訓(xùn)練1](2021·長(zhǎng)春市一中高二月考)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)的分布只與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加，輻射強(qiáng)度極大值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的方向移動(dòng)C．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)黑體解析：選C。能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射，這樣的物體稱為黑體，故A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)，溫度升高時(shí)，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)減小的方向移動(dòng)，故B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)結(jié)果相符，故C正確；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)小孔就成了一個(gè)黑體，故D錯(cuò)誤。探究二能量子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，后人稱之為普朗克常量，其值常取為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．對(duì)能量量子化的理解(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。【例3】植物葉片中的葉綠素a在陽(yáng)光照射下進(jìn)行光合作用，每吸收一份光子能量E1，就失去一個(gè)初動(dòng)能為E2的光電子，則葉綠素a吸收光的波長(zhǎng)為()A．eq\f(hc,E1) B．eq\f(h,E1)C．eq\f(hc,E1－E2) D