第4章 1 普朗克黑体辐射理论-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（人教版）

1　普朗克黑体辐射理论 第四章　原子结构和波粒二象性 [学习目标]　1.了解黑体和黑体辐射的概念,了解黑体辐射的实验规律。2.了解能量子的概念,了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点(重点)。 课时作业 巩固提升 要点1　黑体与黑体辐射 要点2　能量子 内容索引 要点1　黑体与黑体辐射 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.黑体:能够　　　　　入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。  2.黑体辐射:黑体虽然不反射电磁波,却可以　　　　　电磁波。  完全吸收 向外辐射 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　　　有关,如图所示。  温度 (1)随着温度的升高,各种波长的辐射强度都　　　。  (2)随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较　　的方向移动。  增加 短 [思考与讨论] (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除了与温度有关,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。 1.黑体不一定是黑的,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,如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体来处理。 2.黑体同其他物体一样也在辐射电磁波,黑体的辐射规律最为简单,黑体辐射强度只与温度有关。 3.一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点 热辐射不一定需要高温,任何温度都能发生热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。 归纳 关键能力 合作探究   热辐射特点 吸收、反射的特点 一般 物体 辐射电磁波的情况与温度有关,与材料的种类、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的波长等因素有关 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,不反射 [例1]　关于对黑体的认识,下列说法正确的是(　　) A.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的 B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,与材料的种类及表面状况无关 C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关 D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体 B [解析]　黑体能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射,并且不会有任何的反射与透射,但不一定黑色的,故A错误;黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,与材料种类及表面状况无关,故C错误,B正确;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此小孔就成了一个黑体,而不是空腔,故D错误。 [例2]　如图所示,关于黑体辐射的实验规律,下列说法正确的是(　　) A.黑体不能完全吸收照射到它上面的光波 B.随着温度的降低,各种波长的光辐射强度都 有所增加 C.随着温度的升高,辐射强度极大值向波长较长 的方向移动 D.黑体辐射的强度只与它的温度有关,与形状和黑体材料无关 D [解析]　能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁波而不发生反射的物体称为黑体,选项A错误;由题图可知,随着温度的降低,各种波长的光辐射强度都有所减弱,选项B错误;随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,选项C错误;一般物体辐射电磁波的情况除了与温度有关,还与材料的种类及表面状况有关,但黑体辐射电磁波的情况只与它的温度有关,选项D正确。 二 要点2　能量子 15 1.定义: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　　　　,这个不可再分的　　　　　　　叫作能量子。  2.表达式:ε=　　　。其中ν是带电微粒的振动频率,即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h称为　　　　　　,h=6.626 070 15×10-34 J·s。  3.能量的量子化:微观粒子的能量是　　　　的,或者说微观粒子的能量是　　　的。  梳理 必备知识 自主学习 整数倍 最小能量值ε hν 普朗克常量 量子化 分立 [思考与讨论] 微观粒子的能量和弹簧振子的能量有什么区别? 提示:宏观弹簧振子的能量值是连续的,而微观粒子的能量值是量子化的。 1.量子化的核心思想是“不连续性变化”。 2.由公式ε=hν可以看出能量子与电磁波的频率成正比。根据c=λν、ν=可知ε=h。 3.在宏观尺度内研究物体的能量变化时,我们可以认为:物体的能量变化是连续的,不必考虑量子化;研究微观粒子时就必须考虑能量量子化。 归纳 关键能力 合作探究 [例3]　(多选)1900年德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出了一个大胆的假说,即能量子假说。下列说法属于能量子假说内容的是(　 　) A.物质发射(或吸收)能量时,能量不是连续的,而是一份一份进行的 B.能量子假说中将不可再分的最小能量值,称为“能量子” C.能量子假说中的能量子ε=hν,ν为带电微粒的振动频率,h为普朗克常量 D.能量子假说认为能量是连续的,是不可分割的 ABC [解析]　能量子假说认为,物体发射(或吸收)能量时,能量不是连续的,而是一份一份进行的,每一份不可再分的最小能量值,称为“能量子”,它的表达式为ε=hν,ν为带电微粒的振动频率,h为普朗克常量,A、B、C正确,D错误。 [例4]　一点光源以113 W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10-7 m的光,在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个。普朗克常量为h=6.63×10-34 J·s。R约为(　　) A.1×102 m　　　　　　　 B.3×102 m C.6×102 m D.9×102 m B [解析]　根据题述,点光源向所有方向均匀辐射,即距离点光源为R的球面上单位时间所接收的光的能量等于点光源单位时间所辐射的光的能量,即Pt=4πR2×nε0,其中t=1 s,ε0=,联立解得R≈3×102 m,选项B正确。 [针对训练]　1.(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是(　　 ) A.以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收 B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍 C.吸收的能量可以是连续的 D.辐射和吸收的能量都是量子化的 ABD 解析:带电微粒辐射或吸收能量时是一份一份的,吸收或辐射的能量是能量子ε的整数倍,是不连续的,故选项A、B、D正确,C错误。 2.(多选)一激光器发光功率为P,发出的激光在折射率为n的介质中波长为λ。若光在真空中的速度为c,普朗克常量为h,则下列叙述正确的是(　　) A.该激光在真空中的波长为nλ B.该波的频率为 C.该激光器在时间t内辐射的能量子数为 D.该激光器在时间t内辐射的能量子数为 AC 解析:激光在介质中的折射率n===,故激光在真空中的波长λ0=nλ,A正确;激光频率ν==,B错误;由能量关系Pt=Nε,c=λ0ν,λ0=nλ及ε=hν得N=,C正确,D错误。 三 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [A组　基础巩固练] 1.下列叙述错误的是(　　) A.一切物体都在辐射电磁波 B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:一切物体都在辐射电磁波,故A正确;一般物体辐射电磁波的情况不仅与温度有关,还与材料的种类和其表面状况有关,故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,故C正确;黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波,故D正确。 2.(多选)关于黑体辐射的实验规律,下列叙述正确的是(　　) A.随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加 B.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 C.黑体辐射的强度与波长无关 D.黑体辐射无任何实验规律 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 AB 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:黑体辐射的强度按波长的分布与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,故A正确;随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,黑体辐射的强度与波长有关,故B正确,C错误;黑体辐射有一定的实验规律,故D错误。 3.关于黑体辐射的强度与波长的关系,下列图中正确的是(T1<T2)(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:黑体辐射的强度按波长的分布与温度有关,温度越高,黑体各种波长的辐射强度就越大,且随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故B正确,A、C、D错误。 4.(多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔,小孔可看作黑体,由小孔的热辐射特征,就可以确定炉内的温度。如图所示是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像,则下列说法正确的是(　　) A.T1>T2 B.T1<T2 C.温度越高,辐射强度最大的电磁波的波长越长 D.温度越高,辐射强度的极大值就越大 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 AD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:随温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加,所以T1>T2,故A正确,B错误;随温度升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故C错误;黑体的最大辐射强度随温度升高而增大,故D正确。 5.(多选)关于对普朗克能量子假说的认识,下列说法正确的是(　　) A.振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍 C.能量子与电磁波的频率成正比 D.这一假说与现实世界相矛盾,因而是错误的 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 BC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍,A错误,B正确;能量子ε=hν,与电磁波的频率ν成正比,C正确;能量子假说反映的是微观世界的特性,不同于宏观世界,并不与现实世界相矛盾,D错误。 6.太阳光是由不同颜色的光混合而成的,不同颜色的光频率不同,已知红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光的频率依次增加,那么,按照普朗克的能量子假设,一个能量子的能量ε最小的是(　　) A.红光　　　　　　　　　 B.紫光 C.都一样 D.无法确定 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:七种色光中红光的频率最小,由ε=hν可知A正确。 7.某激光器能发射波长为λ的激光,发射功率为P,c表示光速,h为普朗克常量,则激光器每秒发射的光子数为(　　) A. B. C. D.λPhc 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:每个光子的能量ε=hν=,每秒钟发射的总能量为P,则n==,故A正确。 [B组　综合强化练] 8.两束强度相同的色光,都垂直地照射到物体表面,第一束光在某段时间内打在物体上的光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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:两束强度相同的色光,都垂直地照射到物体表面,在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4,根据E=nε0可得光子能量之比为4∶5,再根据ε0=hν=h可知,光子能量与波长成反比,所以光子波长之比为5∶4,故D正确。 9.硅光电池是将光辐射的能量转化为电能,若有N个波长为λ0的光子打在硅光电池极板上,这些光子的总能量为(h为普朗克常量)(　　) A.h B.Nh C.Nhλ0 D.2Nhλ0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:一个光子的能量ε=hν=h,则N个光子的总能量E=Nh,选项B正确。 10.人眼对绿光最为敏感,正常人的眼睛接收到波长为530 nm 的绿光时,只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10-34 J·s,光速为3.0×108 m/s,则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是(　　) A.2.3×10-18 W B.3.8×10-19 W C.7.0×1 W D.1.2×10-18 W 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔眼睛就能察觉,所以察觉到绿光所接收的最小功率P=,式中E=6ε,又ε=hν=h,可解得P=6× W≈2.3×10-18 W。 11.“神光Ⅱ装置”是目前我国规模最大的高功率固体激光系统,利用它可获得能量为2 400 J、波长λ=0.35 μm的紫外激光。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则该紫外激光所含光子数为多少?(真空中光速c=3×108 m/s) 答案:4.23×1021个 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:紫外激光能量子的值为 ε0== J≈5.68×10-19 J, 则该紫外激光所含光子数为 N==≈4.23×1021(个)。 [C组　培优选做练] 12.太阳光垂直照射到地面上时,1 m2地面接收太阳光的功率为1.4 kW,其中可见光部分约占45%。 (1)假如认为可见光的波长约为0.55 μm,日地间距离R=1.5×1011 m,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,估算太阳每秒辐射出的可见光光子个数; (2)若已知地球的半径r=6.4×106 m,估算地球接收的太阳光的总功率。 答案:(1)4.9×1044个　(2)1.8×1017 W 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 解析:(1)设地面上垂直于太阳光的1 m2面积上每秒钟接收的可见光光子数为n, 则有P×45%×1 s=n·h 设想一个以太阳为球心、以日地间距离为半径的大球面包围着太阳,大球面接收的光子数即等于太阳辐射的全部光子数, 则所求可见光光子数N=n·4πR2, 联立得N≈4.9×1044个。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (2)地球背着太阳的半个球面没有接收太阳光,地球向阳的半个球面面积也不都与太阳光垂直。接收太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆平面的面积,则地球接收太阳光的总功率 P地=P·πr2=1.4×103×3.14×(6.4×106)2 W≈1.8×1017 W。 $$