第4章 1.普朗克黑体辐射理论-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（人教版2019）

享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2XXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 第四章 原子结构和波粒二象性 1.普朗克黑体辐射理论 孩心康养定位 1.了解黑体与黑体辐射，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 微观粒子的能量特点。3.了解能量子概念的提出过程，体会物理学发展的艰辛。4了解科学家 探索微观世界规律的方法，培养热爱科学的科学态度与责任。 课前自主学习 一黑体与黑体辐射 1.黑体：如果茱种物体能够supl01)完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生spl02 反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 2.黑体辐射：黑体虽然不supl03)反射电磁波，却可以向外supl(04)辐射电磁波，这样的 辐射叫作黑体辐射。 3.黑体辐射的特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的spl05)温度有关。 二黑体辐射的实验规律 如图所示，随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有sp0)增加，另一方面 ，辐射强度的极大值向波长s吧102)较短的方向移动。 ·辐射强度 a/μ 三能量子 1 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 1.定义：普朗克认为，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 splO1)整数倍，他把这个不可再分的最小能量值s叫作能量子。 2.表达式：e=w,其中v是电磁波的supl02)频率，h是spl03)普朗克常量，其值为h= supl046.626×10-34J·s(保留四位有效数字)。 ○课前检测 1.判-判 (1)黑体就是黑色的物体。() (2)能够完全吸收入射的各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。() (③)普朗克的能量子假说，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产 生了革命性的影响。() (4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。() 提示：(1)×(2)√(3)√(4)√ 2.想一想 一般物体的热辐射与黑体辐射有什么区别？ 提示：黑体辐射：只与黑体的温度有关avs4al小co1(aws4al(温度材料种类表面状况)》→都有 关 课堂探究评价 探究1黑体辐射 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 2 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 甲 乙 ↑辐射强度 丙带小孔的空腔 丁黑体细射的实龄规律 师 生互动 课堂探究评价 探究】黑体辐射 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 ↑招射强度 30 aμm 丙带小孔的空脑 丁黑体辐射的实验规律 师生互动 3 享学科网书城国 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 活动1：19世纪，由于治金、星体测温等需求，人们对热辐射进行了大量的研究。如图甲的 灯丝常温时辐射红外线，随着温度的升高，依次呈现暗红、赤红、橘红甚至黄白色，某些温 度很高的恒星呈蓝白色，温度更高的中子星甚至主要辐射X射线，这说明了什么？ 提示：物体辐射电磁波的情况与物体的温度有关。 活动2：如图乙，通过开着的窗户观察房间，看到房间内很暗，这是为什么？ 提示：房子里没有光源，外面的光线经过窗户射进去，因为窗户相对房间很小，所以光线经 过室内物体的反射和吸收，最终很少能射出窗外，所以看到房间内很暗。 活动3：类似图乙窗户，能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为绝对 黑体，简称黑体。实验表明，一般材料的物体辐射电磁波的情况还与材料的种类及表面状况 有关，而黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，这说明了什么？ 提示：黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，有可能反映了某种具有普遍意义的客观规律。 活动4：参照图乙，给图丙的空腔开一个很小的孔，这个带小孔的空腔就可以近似为一个黑 体。加热空腔，黑体就向外辐射电磁波。图丁是不同温度下黑体辐射电磁波的强度按波长分 布的实验曲线，可以总结出什么规律？ 提示：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，同时辐射强度的极大值向波长较短 的方向移动。 得 出 结 论 1.对黑体的理解 (1)绝对黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替，即黑体是一种理想模型。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，这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。 (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。 2.黑体辐射的实验规律 ()在一定温度下，黑体辐射的各种波长的电磁波强度是一定的，且各种波长的电磁波强度不 4 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 同，有一种波长的电磁波强度最大。 (2)随着温度的升高，黑体辐射的各种波长的电磁波的强度都有增加，并且辐射强度的极大值 向波长较短的方向移动。 实 践 提 升 例1（多选）下列叙述正确的是( 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 [实践探究]黑体辐射有什么特殊性？ 提示：黑体辐射情况只与温度有关，而一般物体辐射情况还与材料种类和表面状况有关。 [规范解答]根据热辐射的定义，A正确：一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还 与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射情况只与黑体的温度有关，故B错误，C正确；根 据黑体的定义知，D正确 [答案]ACD 心规律点拨 一般物体与黑体的比较 热辐射特点 吸收、反射特点 辐射电磁波的情况与温度有关，与材料 既吸收又反射，其能力与材料的种类及 一般物体 的种类及表面状况有关 入射波波长等因素有关 辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑 黑体 完全吸收各种入射电磁波，不反射 体的温度有关 [变式训练1]（多选）如图所示为T、T温度时黑体辐射强度与波长的关系，则下列选项正确 的是() 强 度 5 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2XXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 A.T>T2 B.在同一温度下，辐射强度最大的电磁波波长不是最大的，也不是最小的，而是处在最大 与最小波长之间 C.随温度升高，各种波长的辐射强度都减小 D.随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动 答案ABD 解析温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，A正确，C错误：由图可知，同一温度下 辐射强度最大的电磁波波长是处在中闻位置，B正确：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，D正确。 探究2能量子 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 瑞利一金斯曲线 普朗克曲线 ,实验数据点 维思曲线 01234567891um 甲 师生互动 活动1：为了寻求黑体辐射实验规律的理论解释，依据热学和电磁学的知识，维恩和瑞利分 别提出了辐射强度按波长分布的理论公式，绘出了图甲中虚线，它们与实验数据（圆圈所代表 的点)是否吻合？ 提示：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较大：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，而且当波长趋于0时，辐射强度变成无穷大。 活动2：为了得出同全部实验相符的黑体辐射公式，普朗克找到了一个公式，绘出了图甲中 实线，它是否与实验数据吻合？ 提示：吻合。 活动3：普朗克发现，要推导出这个公式，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ε的整数倍。他把这个不可再分的最小能量值c叫作能量子，c=,v 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，是一个常量。根据经验， 图乙的弹簧振子有类似的最小能量吗？ 6 令学科网书城 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 提示：弹簧振子的能量只与振幅有关，在弹性限度内，振幅可以是任意数值，所以能量也可 以是任意值，没有最小能量。 活动4：普朗克的假设与图乙弹簧振子的日常生活经验矛盾，但是这个最小能量数量级非常 小，如何看待这种差异？ 提示：根据普朗克的假设，可以得出与实验完全符合的结果，说明普朗克的假设正确。图乙 弹簧振子的能量宏观上连续变化，可能是因为宏观上的能量相比最小能量非常巨大，近似为 连续变化。 得 出结 论 1.能量子 黑体是由大量振子（振动着的带电微粒）组成的，其能量只能是某一最小能量值的整数倍。例 如，可能是ε或2、3、…。当振子辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份 一份地进行。这个不可再分的最小能量值叫作能量子，￡=，其中v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是普朗克常量山=6.626×10-4Js)。 2.能量的量子化 在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化。 3.能量量子化的理解 (1)物体在辐射或吸收能量的时候，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。 (②)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：在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。 实践提升 例2某装置是一个高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400人、波长=035um的 紫外激光脉冲。已知普朗克常量h=6.63×10-34Js,求： (1)紫外激光能量子的值： (②)该紫外激光脉冲所含能量子数。 [实践探究]1)能量子ε的计算公式是什么？ 提示：&=m。 (②)能量子ε与总能量E有什么关系？ 7 令学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2XXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 提示：E=c。 [规范解答](1)紫外激光能量子c=m 其中v=c以 联立并代入数据，可得 e=hc1=6.63×10-34×3×1080.35×10-6J=5.68×10-19J. (2)根据E=s可得该紫外激光脉冲所含能量子数n=Ee=2400J5.68×10-19=4.23×1021个。 [答案」(1)5.68×10-19J(2)4.23×1021个 @规律点拨 解有关能量子问题的技巧 (I)熟练掌握能量子的计算公式：c=w=hc以。 (②)把握宏观能量E=Pt与微观能量子的关系：E=e。 [变式训练2]（多选）宏观世界一个典型的弹簧振子做简谐运动的频率为10Hz,其振幅越大， 能量越大，其振动能量数量级约为10°J。物体辐射电磁波其实是物体中的带电微粒辐射电磁 波，根据电动力学计算可知，物体中的带电微粒（如原子、分子、离子等）振动频率的数量级 约为1015Hz。已知普朗克常量h数量级为10一34Js。下列说法正确的是() A.物体中的带电微粒振动的能量数量级约为10一19J B.普朗克的能量子理论与我们对宏观世界的认识矛盾，所以对宏观弹簧振子不适用 C.该典型宏观弹簧振子的能量子约为10-33J D.普朗克的能量子理论对微观带电微粒和宏观弹簧振子均适用 答案ACD 解析根据能量子公式可知，物体中的带电微粒振动的能量数量级约为8=州=10一4×1015J =10一19J,A正确；普朗克的能量子理论对微观世界和宏观世界均适用，该典型弹簧振子做 简谐运动的能量子约为=2=10一34×10J=10-33J,与其振动能量数量级100J相比，十分 微小，所以其振动能量可以近似认为能连续改变，与我们对宏观能量的认识并不矛盾，B错 误，C、D正确。 课后课时作业 A组©合格性水平训练 1.(黑体辐射的实验规律)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 8 享学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b2xXk.com○ 您身边的互联网+教辅专家 射实验规律的是() 辐射强度 辐射强度 辐射强度 幅射理度 答案A 解析随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度的极大值向着波长较短的方 向移动，A正确，B、C、D错误。 2.(量子化的理解)（多选）普朗克在1900年将“能量子“引入物理学，开创了物理学的新纪元。 在下列宏观概念中，具有“量子化特征的是() A.人的个数 B.物体的重力势能 C.物体的带电荷量 D.物体的长度 答案AC 解析在经典物理学中，对物理量变化的最小值没有限制，它们可以任意连续变化，如重力、 动能、长度等，但在量子力学中，物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化，这种物理 量只能采取某些分立数值的特征叫作量子化，故A、C正确，B、D错误。 3.(黑体与黑体辐射的理解)（多选）下列有关黑体和黑体辐射的说法错误的是() A,黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射 B.黑体是真实存在的 C.黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释 D.黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释 答案BC 解析黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，故A说法正确；黑体是一种理想化 模型，故B说法错误；普朗克首先找到与全部实验相符的黑体辐射公式，而后发现只有引入 能量子概念，才能从电磁学、力学、统计物理学等基本理论出发而推导出该公式，而能量子 9 令学科网书城国 品牌书店·知名数辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 概念与经典物理学的理论存在冲突，即黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释， 故C说法错误，D说法正确。本题选说法错误的，故选B、C。 4.(能量子的理解)普朗克在研究黑体辐射的基础上，提出了能量子理论，开创了物理学的新 纪元。关于能量子，下列说法正确的是() A.是类似于质子、电子的微观粒子 B.是一种高科技材料 C.是一个数量级的常量 D.表示微观世界能量的不连续性观念 答案D 解析能量子不是类似于质子、电子的微观粒子，不是一种高科技材料，不是一个数量级的 常量，而是表示微观世界能量的不连续性观念，故A、B、C错误，D正确。 5.(能量子的理解（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 答案BC 解析根据普朗克能量子假说知，A错误，B、C正确：普朗克能量子假说反映的是微观世 界的特征，不同于宏观世界，D错误。 6.(能量子的理解)下列关于能量量子化说法正确的是() 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v的光的能量子为w D.电磁波波长越长，其能量子越大 答案C 解析能量子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 粒子能量不连续，故B错误；能量子的能量&=m=c以，所以电磁波波长越长，其能量子越 小，故C正确，D错误。 7.(综合)关于热辐射，下列说法中正确的是() 10