4.1普朗克黑体辐射理论 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第1节 普朗克黑 体辐射理论 第四章 人教版(2019)选择性必修三 CONTENTS 目录 黑体与黑体辐射 01 黑体辐射的实验规律 02 能量子 03 学以致用提高练习 04 思考与讨论:量子论使人们认识了微观世界的运动规律,并发展了一系列对原子、分子等微观粒子进行有效操控和测量的技术。图为利用扫描隧道显微镜将48个铁原子排成的“原子围栏”。那么,人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的? 新课导入 知识讲解 课堂小结 随堂练习 布置作业 一、黑体与黑体辐射 1.黑体 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长(不仅是可见光)的电磁波而不发生反射,这种物体就是绝对黑体,简称黑体。 [对黑体的理解]:绝对的黑体是一个理想化的物理模型,实际上是不存在的,但可以用某装置近似地代替。如图所示,如果在一个空腔壁上开一个小孔,那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,这个小孔就成了一个绝对黑体。 不透明材料制成的带小孔的空腔 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 2.黑体辐射: 黑体虽然不反射电磁波,却可以向外辐射电磁波,这样的辐射叫作黑体辐射。 [黑体辐射的特征]:研究表明,对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况与温度、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。 注意:黑体看上去不是一定是黑的,只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的;有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射,看起来还会很明亮,例如:炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被看作黑体来处理 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 黑体辐射实验研究: 加热黑体炉使其温度升高,黑体炉就成了不同温度下的黑体,从小孔向外的辐射就是黑体辐射。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 二、黑体辐射的实验规律 1.辐射强度按波长分布与温度的关系: 2.黑体辐射的实验规律特点: 随温度的升高 ①温度一定时,黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。 ②各种波长的辐射强度都在增加; ③辐射强度的最大值向短波方向移动。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 3.黑体辐射的理论解释 + - + - + - 带电微粒 震动 变化的电磁场 物体中存在带电微粒 直接找规律有点儿困难,科学家打算结合理论来寻找这个公式。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 (1)维恩、瑞利——金斯的解释 ①维恩公式在短波区与实验非常接近,在长波区则与实验偏离很大。 ②瑞利公式在长波区与实验基本一致,但在短波区与实验严重不符(短波荒唐)。 维恩 瑞利 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”。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 (2)普朗克的解释 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,它与实验吻合得非常完美。 普朗克的 拟合结果 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 的整数倍。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 (3)实验演示:黑体辐射的理论解释 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 三、能量子 1.普朗克的量子化假设-能量子(超越牛顿的发现) 普朗克认为,带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,例如,可能是 或2 、3 …这个不可再分的最小能量值 叫做能量子。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 2.能量子大小表达式: E= n n=1,2,… 能量 量子 经典 叫能量子,简称量子,n为量子数,它只取正整数——能量量子化, 是带电微粒的振动频率,也是电磁波的频率,h:普朗克常量 h= 6.62607015 10-34 J s 比喻:电磁波就好象是机关枪发射子弹,子弹是一颗一颗向前运动的,每一颗子弹就好象是一份电磁波。 普朗克 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 3.能量量子化理解 宏观世界中: 能量可以是任意值,可以连续变化。 例如:物体的重力势能,弹簧振子的弹性势能。 微观世界中: 微观粒子的能量只能是一个一个的特定值,不能连续变化。(能量量子) 例如:物体的带电量,电子绕原子核运动的轨道半径。 经典 量子 连续 分立 弹簧振子振动能量可以连续变化(振幅可以取任意值),即振动能量的连续性。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 4.普朗克量子化理论的意义 ①破除“能量连续变化”的传统思想,是物理新思想的基石之一 ②开创物理学新纪元,为量子力学的诞生奠定了基础 ③标志着人类对自然规律的认识从宏观进入微观领域 普朗克1900年的假设第一次为人们揭开了微观世界物理规律面纱的一角。从此,物理学进入了一个新的纪元。普朗克本人因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 视频演示:普朗克一战封神 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 人类智商最高的Party现场 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 四、学以致用提高练习 1.能量子假设是对经典物理学思想与观念的一次突破。“振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍”,作出这一大胆假设的科学家是( ) A.牛顿 B.普朗克 C.密立根 D.爱因斯坦 【答案】B 【解析】振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍,这一假设是普朗克提出的。故选B。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 2.(多选)(2020 江苏宿迁模拟)关于黑体和黑体辐射,下列叙述正确的是( ) A.爱因斯坦通过研究黑体辐射提出能量子的概念,成为量子力学的奠基人之一 B.黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波,不反射电磁波 C.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 D.黑体辐射随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加且辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 【答案】BC 【解析】普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念,成为量子力学的奠基人之一,故A错误;根据黑体的特点可知,黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波,不反射电磁波,故B正确;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,温度升高时,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故C正确,D错误。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 3.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体辐射实验规律的是( ) 【答案】A 【解析】黑体辐射规律:随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都有增加,另一方面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.据此规律可知A图正确. 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 4.下列关于能量量子化的说法,正确的是( ) A.能量子与电磁波的频率成反比 B.电磁波波长越长,其能量子越大 C.微观粒子的能量是不连续(分立)的 D.能量子假设是由爱因斯坦最早提出来的 【答案】C 【解析】A.由 =h 可知,能量子与电磁波的频率成正比,故A错误; B.由 可知,电磁波波长越长,其能量子越小,故B错误; C.普朗克提出了量子假说,他认为,物质辐射(或吸收)的能量都是不连续的,是一份一份进行的,故C正确; D.能量子假设是由普朗克最早提出来的,故D错误。故选C。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 5.(多选)(2021 江苏常州期末)如图所示为关于黑体辐射的图像,下列判断正确的是( ) A.T1<T2<T3<T3 B.T1>T2>T3>T4 C.测量某黑体辐射强度最强的光的波长可以得知其温度 D.测量某黑体辐射的任一波长的光的辐射强度可以得知其温度 【答案】C 【解析】因随着温度的升高,辐射强度增强,同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,所以T1>T2>T3>T4,故A错误,B正确。测量某黑体辐射强度最强的光的波长可以得知其温度,而不同温度的黑体可以辐射出相同波长的电磁波,故C正确,D错误。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 6.如图所示,学校广泛使用了红外体温枪测量体温。已知普朗克常数为h,某红外线的频率为 ,下列说法正确的是( ) A.体温越高,人体辐射红外线的强度越弱 B.人体辐射该红外线的能量可以取任意值 C.该红外线的最小能量值为h D.红外体温枪是利用体温枪发射的红外线来测量体温的 【答案】C 【解析】AD.人身体各个部位体温是有变化的,所以辐射的红外线强度就会不一样,温度越高红外线强度越高,温度越低辐射的红外线强度就越低,所以通过辐射出来的红外线的强度就能测出个各部位的温度;故红外体温计不是靠体温计发射红外线来测体温的。故AD错误;B.人体辐射该红外线的能量是不连续的,是以离散的方式存在的。故B错误;C.根据光子能量方程可知,该红外线的最小能量值为 =h 故C正确。故选C。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 7.计算题 (1)功率为P的光源向四周发出光子,光速为c,光波的波长为 ,普朗克常量为h,求每秒发出的光子数。 (2)在离光源d处有一挡板挡光,设挡板对光是完全吸收的,且挡板正对光源,求光子在单位面积挡板上的光子数。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 随堂练习 布置作业 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业(再见) Lavf58.12.100 9 Lavf59.23.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 解析:(1)单个光子能量为 =h =heq \f(c, ) 光源每秒辐射的能量为P,故每秒发出的光子数为n=eq \f(P, )=eq \f(P ,hc)。 (2)光源发出的光子均匀分布在以光源为中心的球面上,以d为半径 作一个球面,则单位时间内照到单位面积挡板上的光子数为 n′=eq \f(n,4 d2)=eq \f(P ,4 d2hc)。 $$