新教材同步系列2024春高中物理第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性1普朗克黑體輻射理論課件新人教版選擇性必修第三冊

第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性①物理觀念：通過對原子結(jié)構(gòu)、波粒二象性等內(nèi)容的教學(xué)，完善學(xué)生對物質(zhì)的認(rèn)識，幫助學(xué)生形成相對完整、科學(xué)的物理觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念．②科學(xué)思維：對微觀世界的研究，提出了各種模型，有湯姆孫原子模型、原子的核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾的原子模型，使我們知道物理學(xué)的研究需要建構(gòu)模型；能對常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡單分析；知道表達(dá)觀點(diǎn)需要證據(jù)，質(zhì)疑和創(chuàng)新的重要性．③科學(xué)探究：通過光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的探究，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識光及實(shí)物粒子的波粒二象性，進(jìn)一步認(rèn)識光的本性．通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)分析相關(guān)事實(shí)或結(jié)論，提出可探究的物理問題，作出初步的猜測與假設(shè)．④科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過關(guān)于原子結(jié)構(gòu)以及波粒二象性等相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，知道所有物理結(jié)論都必須接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，在學(xué)習(xí)與研究中能與他人合作，做到實(shí)事求是，不迷信權(quán)威．本章重點(diǎn)①黑體、量子論、能級、躍遷、能量量子化及基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念；②黑體輻射規(guī)律、光電效應(yīng)規(guī)律、玻爾理論，核式結(jié)構(gòu)理論；③α粒子散射實(shí)驗(yàn)，愛因斯坦光電效應(yīng)方程，用玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論解釋氫光譜．本章難點(diǎn)①理解能量量子化，會(huì)用愛因斯坦光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；②α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、方法和結(jié)果，原子的能級與躍遷；③用玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論解釋氫原子光譜，了解玻爾理論的局限性．1普朗克黑體輻射理論學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)法與考法1．知道什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射(重點(diǎn))2．知道黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，了解黑體輻射的強(qiáng)度與波長的關(guān)系(重點(diǎn))3．熟悉能量子的概念，理解能量量子化觀念(難點(diǎn))學(xué)法：通過了解黑體、黑體輻射的概念，知道黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，領(lǐng)悟以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法考法：①考查對黑體、黑體輻射和黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律的理解；②考查對普朗克能量子的理解；③考查能量子的觀點(diǎn)在實(shí)際中的應(yīng)用知識導(dǎo)圖

課前?自主預(yù)習(xí)黑體、黑體輻射與黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1．黑體與黑體輻射(1)熱輻射．物體在任何溫度下，都會(huì)發(fā)射________，溫度不同，所發(fā)射的電磁波的________、________也不同，這種現(xiàn)象叫作熱輻射．熱輻射與物體的________有關(guān)．(2)黑體．能夠____________入射到其表面的電磁波而不產(chǎn)生________的物體，我們稱之為絕對黑體，簡稱黑體．電磁波頻率強(qiáng)度溫度完全吸收反射2．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的_______有關(guān)．①隨著溫度的升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都_______；②隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的最大值向波長______的方向移動(dòng)．溫度增加較短(2)維恩公式和瑞利公式．科學(xué)家從理論上解釋黑體輻射的規(guī)律有維恩公式和瑞利公式．①維恩公式：德國物理學(xué)家維恩從________理論出發(fā)，得到的公式只是在________部分與實(shí)驗(yàn)相符，________部分存在明顯差異．②瑞利公式：英國物理學(xué)家瑞利從經(jīng)典電磁理論出發(fā)，得到的公式在_______部分與實(shí)驗(yàn)吻合，_______部分偏差較大，尤其在紫外線一端，當(dāng)波長趨于零時(shí)，輻射強(qiáng)度趨于無窮大，人們稱之為“紫外災(zāi)難”．熱力學(xué)短波長波長波短波黑體是指黑顏色的物體嗎？溫度越高，黑體輻射電磁波的強(qiáng)度越大嗎？【答案】黑體看上去不一定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見光非常微弱時(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，看起來還會(huì)很明亮．黑體輻射強(qiáng)度只和溫度有關(guān)，是因?yàn)楹隗w不反射只吸收電磁波，而且自身還會(huì)發(fā)出電磁波；黑體輻射電磁波強(qiáng)度是和溫度有關(guān)的，一般是溫度越高輻射強(qiáng)度越大．下列敘述正確的是

(

)A．只有溫度高的物體在輻射電磁波B．一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C．一般物體輻射電磁波的情況只與材料有關(guān)D．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)【答案】D【解析】根據(jù)熱輻射定義知A錯(cuò)誤；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)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)，故B、C錯(cuò)誤，D正確．能量子1．普朗克公式德國物理學(xué)家普朗克對黑體輻射問題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究，推導(dǎo)出了普朗克公式，把它與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果“令人滿意地相符”．2．普朗克設(shè)想(1)黑體的空腔壁是由大量振子組成的，其能量E只能是某一______________hν的整數(shù)倍，即E＝nhν(n＝1，2，3，…)，式中ν為振子的頻率，h是一個(gè)常量，h＝__________________．(2)最小能量hν叫作________．在微觀世界中能量________變化，只能取________，這種現(xiàn)象叫作能量的________．3．意義普朗克能量子假設(shè)，使人類對__________的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識，對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了________的影響．最小能量值6.63×10－34J·s

能量子不連續(xù)分立值量子化微觀世界革命性為了得出與實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，普朗克提出了什么樣的觀點(diǎn)？【答案】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)，也只能是輻射或吸收某個(gè)最小能量值的整數(shù)倍．

(多選)對于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說法正確的是

(

)A．以某一個(gè)最小能量值一份一份地輻射或吸收B．輻射或吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．輻射和吸收的能量是量子化的D．輻射的能量是量子化的，吸收的能量是連續(xù)的【答案】ABC【解析】帶電微粒輻射和吸收能量時(shí)是以最小能量值——能量子ε的整數(shù)倍一份一份地輻射或吸收的，是不連續(xù)的．故A、B、C正確，D錯(cuò)誤．課堂?重難探究－對黑體與黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律的理解1．對黑體的理解絕對的黑體實(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)絕對黑體．2．一般物體與黑體的比較比較熱輻射特點(diǎn)吸收、反射特點(diǎn)一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，與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等因素有關(guān)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長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)度隨波長的分布有一個(gè)極大值．(2)隨著溫度的升高：①各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；②輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)．如圖所示．對黑體與黑體輻射的理解例1關(guān)于對黑體的認(rèn)識，下列說法正確的是 (

)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)度按波長的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無關(guān)D．如果在一個(gè)空腔壁上開一個(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【解析】黑體自身輻射電磁波，不一定是黑的，A錯(cuò)誤．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)，B錯(cuò)誤，C正確．小孔只吸收電磁波，不反射電磁波，因此小孔成了一個(gè)黑體，而不是空腔，D錯(cuò)誤．變式1下列說法不正確的是

(

)A．只有溫度高的物體才會(huì)有熱輻射B．黑體可以向外界輻射能量C．黑體也可以看起來很明亮，是因?yàn)楹隗w也可以有較強(qiáng)的輻射D．黑體是一種理想模型，其輻射強(qiáng)度只與溫度有關(guān)【答案】A【解析】任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的能量越多，A錯(cuò)誤；能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫作黑體，黑體不反射電磁波，但可以向外輻射電磁波，有些黑體有較強(qiáng)的輻射，看起來也可以很明亮，B、C、D正確．對黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律的理解例2

(多選)熱輻射是指所有物體在一定的溫度下都要向外輻射電磁波的現(xiàn)象，輻射強(qiáng)度是指垂直于電磁波傳播方向上的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)所接收到的輻射能量．在研究某一黑體熱輻射時(shí)，得到了四種溫度下黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長的關(guān)系如圖．圖中橫軸表示電磁波的波長，縱軸表示某種波長電磁波的輻射強(qiáng)度，則由輻射強(qiáng)度圖線可知，同一黑體在不同溫度下 (

)A．向外輻射同一波長的電磁波的輻射強(qiáng)度相同B．輻射強(qiáng)度的極大值隨溫度升高而向短波方向移動(dòng)C．向外輻射的電磁波的總能量隨溫度升高而減小D．向外輻射的電磁波的波長范圍是相同的【答案】BD【解析】從圖中可以看出，溫度越高，向外輻射同一波長的電磁波的輻射強(qiáng)度越大，故A錯(cuò)誤；從圖中可以看出，輻射強(qiáng)度的極大值隨溫度升高而向短波方向移動(dòng)，故B正確；從圖中可以看出，向外輻射的電磁波的總能量隨溫度升高而增強(qiáng)，故C錯(cuò)誤；從圖中可以看出，黑體可以輻射出任何頻率的電磁波，故向外輻射的電磁波的波長范圍是相同的，故D正確．變式2

(2023年武漢模擬)人們認(rèn)識量子論的第一步始于對黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋，如圖畫出了T1、T2，兩種溫度下黑體的輻射強(qiáng)度與其輻射光波長的關(guān)系，下列說法正確的是(

)A．T1＜T2B．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)C．隨著溫度升高，波長短的輻射強(qiáng)度增大，波長長的輻射強(qiáng)度減小D．愛因斯坦提出的能量子假說很好地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律【答案】B【解析】對于黑體輻射，溫度越高，輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，且極大值向著波長較短的方向移動(dòng)，因此根據(jù)圖像可知，T1＞

T2，A錯(cuò)誤；黑體輻射隨著波長越短、溫度越高則輻射越強(qiáng)，B正確；隨著溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度均增大，但輻射強(qiáng)度的極大值向著波長較短的方向移動(dòng)，C錯(cuò)誤；普朗克提出了能量子假說并根據(jù)能量子假說很好地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，破除了“能量是連續(xù)變化的”傳統(tǒng)觀念，D錯(cuò)誤．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、白熾燈燈絲)也被看作黑體來處理．1．概念：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)，也只能是輻射或吸收某個(gè)最小能量值的整數(shù)倍，即：ε，1ε，2ε，3ε，...，nε(n為正整數(shù)，稱為量子數(shù))．也就是以這個(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．能量子大小：對于頻率為ν的諧振子最小能量為ε＝hν，h是普朗克常量(h＝6.626×10－34J·s)．一般取h＝6.63×10－34J·s．對能量子的理解2．能量的量子化：在微觀世界里，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．意義：可以非常合理地解釋某些電磁波的輻射和吸收的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．3．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．4．發(fā)光功率與單個(gè)光子能量的關(guān)系：發(fā)光功率P＝n·ε，其中n為單位時(shí)間發(fā)出的光子數(shù)目，ε為單個(gè)光子能量．對能量子的理解例3某激光器能發(fā)射波長為λ的激光，發(fā)射功率為P，c表示光速，h表示普朗克常量，則激光器每秒發(fā)射的能量子數(shù)為 (

)【答案】C變式3

“神光Ⅱ”裝置是我國規(guī)模最大的高功率固體激光系統(tǒng)，利用它可以獲得能量為2400J、波長λ＝0.35μm的紫外激光．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，則該紫外激光所含光子數(shù)為多少？(計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)解：紫外激光的波長已知，由此可求得紫外激光能量子的值，再根據(jù)紫外激光發(fā)射的總能量為2400J，即可求得紫外激光所含光子數(shù)．紫外激光能量子的值為則該紫外激光所含光子數(shù)解有關(guān)能量子問題的技巧2．把握宏觀能量E＝Pt與微觀能量子ε的關(guān)系：E＝nε．3．正確建立模型．小練?隨堂鞏固1．下列宏觀概念是“量子化”的是 (

)A．物體的質(zhì)量 B．木棒的長度C．花生米的粒數(shù) D．物體的動(dòng)能【答案】C【解析】粒數(shù)的數(shù)值只能取正整數(shù)，不能取分?jǐn)?shù)或小數(shù)，因而是不連續(xù)的，是量子化的．其他三個(gè)物理量的數(shù)值都可以取小數(shù)或分?jǐn)?shù)，甚至取無理數(shù)也可以，因而是連續(xù)的，非量子化的．故只有C正確．2．所謂黑體是指能全部吸收入射的電磁波而不發(fā)生反射的物體．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．類比法C．比值法 D．理想化方法【答案】D【解析】黑體實(shí)際上是物理模型，把實(shí)際物體近似看作黑體，用到的是理想化方法，D正確，A、B、C錯(cuò)誤．3．普朗克在研究黑體輻射的基礎(chǔ)上，提出了量子理論，下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長關(guān)系的圖中，符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是

(

)【答案】D【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，故A、C錯(cuò)誤．黑體輻射的波長分布情況也隨溫度而變，如溫度較低時(shí)，主要以不可見的紅外光進(jìn)行輻射，在500℃以至更高的溫度時(shí)，則順次發(fā)射可見光以至紫外輻射．即溫度越