1.普朗克黑体辐射理论-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

1．普朗克黑体辐射理论 【素养目标】　1.知道黑体与黑体辐射，掌握黑体辐射的实验规律及理论解释。2.了解能量子假说，领会科学解释中的科学假说方法。3.利用能量子公式计算量子化的能量，构建量子化模型。 知识点一　黑体与黑体辐射　 黑体辐射的实验规律 [情境导学]　如图所示，在空腔壁上开一个很小的孔，我们用光照射小孔，但是我们看到小孔是黑的。 (1)你能否解释小孔为什么是黑的？ (2)这个带小孔的空腔我们可以称之为什么？ 提示：(1)如图所示，射入小孔的光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，故我们看到小孔是黑的。 (2)这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。 (阅读教材P67—P69完成下列填空) 1．黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体就是绝对黑体，简称黑体。 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。 3．黑体辐射的实验规律 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。温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值，如图所示。 (1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加。 (2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 [问题探究]　请思考如下问题： (1)实际中存在绝对黑体吗？黑体看上去一定是黑色的吗？ (2)一般物体和黑体辐射电磁波有什么区别？ 提示：(1)绝对黑体是一种理想化模型，实际中并不存在。黑体看上去不一定是黑的，有些可看成黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔。 (2)一般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。 (多选)如图为关于黑体辐射的图像，下列判断正确的是(　　 ) A．T1<T2<T3<T4 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：BC 解析：因随着温度的升高，黑体辐射强度增强，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。 1．对黑体的理解 (1)黑体是一个理想化的物理模型。 (2)黑体看上去不一定是黑的，有些可看成黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮。 学生用书第92页　　 2．黑体与一般物体的比较 比较 热辐射特点 吸收、反射特点 一般 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 既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关 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 完全吸收各种入射电磁波，不发生反射 针对练1．对黑体的认识，下列说法正确的是(　　 ) A．黑体不仅能吸收电磁波，也能反射电磁波 B．黑体是黑色的且其自身辐射电磁波 C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除了与温度有关，还与材料的种类及其表面状况有关 D．黑体是一种理想化模型，实际物体没有绝对黑体 答案：D 解析：黑体吸收电磁波而不发生反射，黑体自身向外辐射电磁波，黑体不一定是黑色的，A、B错误；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，与材料的种类及其表面状况无关，C错误；任何物体都会反射电磁波，只吸收不反射电磁波的物体实际是不存在的，黑体是一种理想化模型，D正确。 针对练2.(2024·北京西城区高二月考)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：黑体辐射中温度越高，辐射强度越大，而且温度升高后，辐射强度的极大值向波长较短的一侧移动。故选A。 　　 知识点二　能量子 [情境导学]　在宏观世界里，物体的位置、速度等运动规律，都可以通过牛顿力学精确地测算，物体的能量是连续变化的。在微观世界里，如原子、分子和离子等微观粒子的能量也是连续变化的吗？人们对微观粒子的能量最初是如何认识的？ 提示：不是，普朗克通过对黑体辐射的研究，提出了“能量子”假说，认为微观粒子的能量不是连续变化的，而是一份一份的，每一份是一个最小能量值，即一个“能量子”。 (阅读教材P69完成下列填空) 1．普朗克的假设：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的整数倍。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 2．能量子的表达式：ε＝hν。其中ν是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h为普朗克常量，h＝6.626 070 15×10-34 J·s。 3．能量的量子化：普朗克的假设认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。 [问题探究]　一杯开水静置在室内，通过水中的温度计可以看到水的温度是逐渐连续降低的。从微观的角度来看水的能量是一份一份向外辐射的，为什么水的温度不是一段一段地降低而是逐渐连续降低的呢？ 提示：能量子的值非常小，在宏观世界里，一般观测不到能量量子化的效应，可认为能量是连续的，所以开水的温度是逐渐连续降低的。但在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。 (2024·江苏淮安市高二统考)下列关于能量量子化的说法正确的是(　　) A．爱因斯坦最早提出了能量量子化假说 B．普朗克认为微观粒子能量是连续的 C．频率为ν的光的能量子为hν D．电磁波波长越长，其能量子越大 答案：C 解析：能量量子化假说是由普朗克最早提出来的，故A错误；根据普朗克能量量子化假说，微观粒子的能量是不连续的，故B错误；能量子ε＝hν＝h，所以电磁波波长越长，其能量子越小，故C正确，D错误。故选C。 学生用书第93页 1．能量子的理解 (1)能量子ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。 (2)振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，E＝nε，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子，n就是能量子数。 2．物体在吸收或辐射能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。 3．在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；但在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。 4．能量子问题的求解方法 求解与能量子有关的问题时，要把电磁波的频率与波长、波速的关系式(ν＝＝)跟能量子公式综合起来： (1)应用ε＝hν＝h计算不同波长的光的能量子。 (2)应用λ＝h计算光的波长。 (3)应用E＝nε＝nhν＝nh计算能量子数。　　 针对练1.(2024·河南商丘市高二联考)一盏灯发光功率为100 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长为6.0×10-7 m，在距电灯10 m远处，以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为(普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s)(　　) A．2×1015个 B．2×1016个 C．2×1017个 D．2×1023个 答案：C 解析：在距电灯10 m远处，以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子的能量为E＝，一个光子的能量为ε＝h，1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为n＝＝≈2×1017个，故选C。 针对练2.两束能量相同的色光，都垂直地照射到同一物体表面，第一束光在某段时间内打在物体表面的光子(能量子)数与第二束光在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4，则这两束光的光子能量之比和波长之比分别为(　　) A．4∶5、4∶5 B．5∶4、4∶5 C．5∶4、5∶4 D．4∶5、5∶4 答案：D 解析：根据E＝nε，因为E相同，可得光子能量之比为4∶5；再根据ε＝hν＝，光子能量与波长成反比，故光子波长之比为5∶4，故D正确。 1．(2024·江苏徐州市高二统考)如图是黑体的辐射强度与其辐射波长的关系图像，下列说法正确的是(　　) A．温度越高，黑体辐射的电磁波的波长越大 B．温度越高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 C．黑体的辐射强度按波长的分布与材料的表面状况有关 D．普朗克通过对黑体辐射的研究，提出了能量子的概念 答案：D 解析：温度越高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，但黑体辐射电磁波的波长并不是越大，A、B错误；黑体的辐射强度按波长的分布只与黑体的温度有关，C错误；普朗克通过对黑体辐射的研究，提出了能量子的概念，D正确。故选D。 2．(2024·河南南阳市高二联考)在2015年中国发射卫星“悟空”，用来探测暗物质粒子和黑洞。黑洞是黑体的一种，关于黑体，下列说法正确的是(　　) A．黑体和一般材料的物体辐射电磁波的强度按波长的分布不仅与温度有关，还与材料的种类及表面状况有关 B．黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波 C．在黑体辐射实验中，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加 D．爱因斯坦为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，提出了能量子的假说 答案：C 解析：一般材料的物体辐射电磁波的强度按波长的分布与温度有关，也与材料的种类及表面情况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，A错误；黑体是能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体，黑体会向外辐射电磁波，B错误；黑体辐射实验中，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，C正确；普朗克为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，提出了能量子的假说，D错误。故选C。 3．太阳辐射到地球表面的电磁波功率P0约为1 400 W/m2，其中包含了各种波长的红外线、可见 学生用书第94页 光、紫外线等，以可见光部分最强。作为一种简化，我们认为太阳光全部是平均波长λ0为600 nm的黄绿光，每秒至少有5个这样的光子(能量子)进入人眼才能引起视觉，人眼睛的瞳孔面积约为S0＝10 mm2，则人眼能看到最远的与太阳相同的恒星跟地球的距离与日地距离的比值约为(已知普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s)(　　 ) A．9×104 B．9×107 C．9×1010 D．9×1014 答案：B 解析：设日地距离为r，则P0＝；设人眼看到最远的与太阳相同的恒星跟地球的距离为R，则P1＝，由P1S0t＝5，解得P1＝＝ W/m2≈1.66×10-13 W/m2，则＝＝≈9×107，故B正确，A、C、D错误。 4．纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面。将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官。糖尿病引起的视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以避免失明的严重后果。一台功率为10 W的氩激光器，能发出波长λ＝500 nm的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要2×10-3 J的能量，普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，求： (1)每次“点焊”视网膜的时间； (2)在一次“点焊”的时间内发出的能量子的数量。 答案：(1)2×10-4 s　(2)5×1015个 解析：(1)已知激光器的功率P＝10 W 每次“点焊”需要的能量E＝2×10-3 J 根据E＝Pt可得每次“点焊”视网膜的时间 t＝＝ s＝2×10-4 s。 (2)设每个能量子的能量为E0 则E0＝hν＝h 在这段时间内发出的能量子的数量 n＝＝＝个≈5×1015个。 学科网（北京）股份有限公司 $$