13.5 能量量子化 课件 -2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

人教版物理必修三 第十三章 电磁感应与电磁波初步 第五节 能量量子化 新课引入 19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声等都遵循的规律——能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中，他们认为物理学已经发展到头了。 于是，1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言: “科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” —— 开尔文 但开尔文毕竞是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云.” 黑体辐射实验 黑体辐射实验 迈克尔逊-莫雷实验 光的速度 这两朵乌云是指什么呢？ 黑体辐射实验 黑体辐射实验 迈克尔逊-莫雷实验 光的速度 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。 普朗克量子力学 相对论 经典力学 微观领域 高速领域 量子力学 相对论 把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢？ 讨论交流 一、热辐射 我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。 随着温度的升高，铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。 大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。 常温下我们看到不发光不透明体的颜色就是物体表面反射光所致。 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，会怎样？ 讨论交流 ⑴定义；任何物体在任何温度下都会辐射电磁波的现象。（热传递的三种方式之一） ⑵原因：物体分子无规则运动，辐射电磁波。 1.热辐射 ⑶特点：物体温度高，辐射能量本领强，电磁波的短波成份多，长波成份少。（各种波长都有） 实际热辐射的复杂性 外来各种波长的辐射能 反射某些波长的辐射能（随物而异） 吸收某些波长的辐射能（随物而异） 发射各种波长的热辐射能（随物而异） 处于某一温度 不透明体 T 对热辐射规律的研究显得较复杂 2.黑体 讨论交流：一座建设中楼房还没有安装窗子，尽管室内已粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？ 向远处观察打开的窗子近似黑色 黑体：如果某物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这物体称为黑体。 小孔近似为黑体 黑体辐射:只与温度有关。 研究黑体辐射是了解一般物体热辐射性质的基础。 黑体的实验模型 对空腔加热至某 平衡温度T 通过小孔进入腔内的辐射能反射回小孔出射的机会极小，几乎全部被腔壁吸收。 小孔表面好比黑体 （吸收全部入射的辐射能而无反射） 从小孔表面出射的就是处于某一热平衡温度T的实验黑体的辐射能，进而探索其能谱分布规律。 3.黑体辐射 对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。 黑体辐射实验规律：随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加； 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 0 1 2 3 4 1700K 1500K 1300K 1100K 辐射强度 黑体辐射两种经典解释 瑞利-金斯线 维恩线 德国物理学家维恩根据经典热力学，在1896年提出了一个辐射强度随波长及温度变化的半经验公式，维恩公式，得出曲线。 ⑴短波符合；长波不符合。 根据经典热力学与电磁学，物理学家瑞利在1900年也提出了一个理论公式，后经金斯改进，合称瑞利-金斯公式，得出曲线。 ⑵长波符合；短波荒唐 ----紫外灾难。 在紫外线一端，当波长趋于0时，辐射本领将趋于无穷大．这种情况被人们称为“紫外灾难”。 二、能量子 1.普朗克对黑体辐射理论解释:为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试。 --普朗克公式 普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。 维恩公式和瑞利——金斯公式，其实就是普朗克公式的特殊情况。 普朗克尝试从电磁学、力学、统计物理学等物理学的基本理论出发，把这个公式推导出来。 普朗克最终在1900年底发现，如果想推导出这个公式，就必须假定：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε