4.1 普朗克黑体辐射理论(学案)-【成才之路】2024-2025学年高中新课程物理选择性必修第三册同步学习指导(人教版2019)

第四章　 原子结构和波粒二象性 １．普朗克黑体辐射理论 课前预习反馈 　 　 知识点１：１．（１）完全吸收　 反射　 （３）温度　 ２．（１）增加　 （２）较短 判一判 （１）× 　 （２）× 　 （３）√ 选一选 　 　 ＡＤ　 根据热辐射定义知Ａ正确；根据热辐射和黑体辐射的 特点知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，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布 只与黑体温度有关，Ｂ、Ｃ错误，Ｄ正确。 想一想 　 　 （１）黑体指的是在任何温度下都能全部吸收任何波长的电 磁波而不发生反射的物体，黑体本身也能向外辐射电磁波，并非 在任何温度下都呈黑色，例如太阳、白炽灯灯丝等，可被当作黑 体来处理。只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是 黑色。 （２）黑体是一种理想模型，绝 对黑体实际上是不存在的，但可以 用某种装置近似地代替。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。这个带小孔的 空腔可近似成一个绝对黑体。 知识点２：１．整数倍　 一份一份　 能量子　 ２．普朗克常量　 ６． ６２６ × １０ －３４ 　 ３．量子化　 分立 判一判 （４）√　 （５）√ 选一选 　 　 ＡＣＤ　 微波是波长在１０ － ３ ｍ到１０ ｍ的电磁波，Ａ正确； 物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热 辐射，所以黑体的热辐射实际上是电磁辐射，而电磁波的传 播不需要介质，可以在真空中传播，Ｂ错误，Ｃ正确；普朗克 在研究黑体的热辐射问题时提出了能量子假说后，成功拟合 了黑体辐射实验曲线，Ｄ正确。 课内互动探究 　 　 例１：ＡＣ　 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，所以Ｔ１ ＞ Ｔ２，故Ａ正确；黑体辐射电磁波的强度按 波长的分布只与黑体温度有关，与黑体的材料及表面状况无关， 故Ｂ错误；普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，很好地 解释了黑体辐射的实验规律，故Ｃ正确；射入小孔的电磁波不能 从空腔射出，相当于吸收了所有电磁波，这个带有小孔的空腔可 近似为一个黑体，故Ｄ错误。 　 　 对点训练１：Ｂ　 根据黑体辐射规律知，随着温度的升高，一 方面，各种波长的辐射强度都增强，另一方面，辐射强度的极大 值向波长较短的方向移动。所以若人体温度升高，则人体热辐 射强度Ｉ增大，辐射强度极大值对应的波长λ减小，故Ｂ正确。 　 　 例２：ＡＢＤ　 带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量 值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸收的，是不连续 的，故选项Ａ、Ｂ、Ｄ正确。 　 　 对点训练２：ＢＣ　 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，最小能量值ε ＝ ｈν，Ｂ、Ｃ正确。 课堂达标检测 １． ＢＤ　 一切物体都有热辐射，温度较高的物体热辐射越强，故Ａ 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Ｂ正确；黑体辐射的实验表明，随着温度的升高，辐射 强度的极大值向波长较短方向，故Ｃ错误；一般材料的物体， 辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面 状况有关，故Ｄ正确。 ２． ＣＤ　 无论温度高低，黑体都会辐射各种波长的电磁波，故Ａ、 Ｂ错误；同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强，辐射强 度按波长的分布情况随黑体的温度不同而有所不同，故Ｃ、Ｄ 正确。 ３． Ｃ　 赫兹通过实验验证了“变化的电场产生磁场”和“变化的 磁场产生电场”，并证实了电磁波的存在，故Ａ错误；奥斯特 最早通过通电导线使小磁针偏转发现了电流的磁效应，故Ｂ 错误；一切物体都在辐射红外线，这种辐射与物体的温度有 关，故Ｃ正确；电磁波的传播不需要介质，其在介质中的传播 速度小于光速，故Ｄ错误。 ４． ＡＢＤ　 黑体的热辐射实际上是电磁辐射，故Ａ正确；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叫作黑 体，故Ｂ正确；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的 温度有关，故Ｃ错误；黑体辐射的强度与温度有关，温度越高， 黑体辐射的强度越大，随着温度升高，可以辐射出任何频率的 电磁波，故Ｄ正确。 ５． ＡＢＣ　 能量子假说认为，物质辐射（或吸收）能量时，能量不是 连续的，而是一份一份进行的，每一份能量单位，称为“能量 子”，能量子的能量Ｅ ＝ ｈν，ν为辐射的频率，ｈ为普朗克常量， 故Ｄ错误，Ａ、Ｂ、Ｃ正确。 ６．（１）Ｐλｈｃ 　 （２） Ｐλ ４πｄ２ｈｃ 解析：（１）单个能量子能量为 ε ＝ ｈν ＝ ｈ ｃλ 光源每秒辐射的能量为Ｐ，故每秒发出的能量子数为ｎ ＝ Ｐ ε ＝Ｐλｈｃ。 （２）光源发出的能量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，则单位时间内单位面积挡板上的能量 子数为 ｎ′ ＝ ｎ ４πｄ２ ＝ Ｐλ ４πｄ２ｈｃ 。 ２．光电效应 课前预习反馈 　 　 知识点１：１．电子　 ２．电子　 ３．（１）减小　 （２）饱和　 一定 　 越大　 越多　 （３）反向电压　 （４）瞬时　 ４．脱离　 最小值　 不同 判一判 （１）× 　 （２）× 　 （３）√ 选一选 　 　 ＡＢＣ　 按经典的光的波动理论，光的能量随光的强度的增 大而增大，与光的频率无关，从金属中飞出的电子，必须吸收足 够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积蓄的时间，光的 强度越大，单位时间内辐射到金属表面的光子数越多，被电子吸 收的光子数自然也越多，产生的光电子数也越多。故不能解释 的有Ａ、Ｂ、Ｃ三项。 想一想 　 　 锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发射出光电子， 因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张 开一定角度。 知识点２：１．（１）光本身　 能量子　 ｈν　 （２）频率　 ２．（１）一个 光子　 ｈν　 逸出功Ｗ０ 　 初动能Ｅｋ 　 （２）ｈν －Ｗ０ 　 ３．（１）频率　 强弱　 ＞Ｗ０ 　 （２）一次性　 不需要　 （３）光子数　 光电子 选一选 　 　 ＡＤ　 Ａ光照射光电管能发生光电效应，Ｂ光不能，则Ａ光的 频率大于截止频率，Ｂ光的频率小于截止频率，故Ａ光的频率一 定大于Ｂ光的频率，故Ａ正确；Ａ光的频率大于Ｂ光的频率，                                                                      则 —２０７— ! " # $ % & ' ( ) * + , - ! " . # # # # # # # 第四章 　 原子结构和波粒二象性 １．普朗克黑体辐射理论 ! " # $ % & 明确目标·梳理脉络 课程标准 １．了解黑体及黑体辐射的概念。 ２．了解黑体辐射的实验规律。 ３．知道能量子概念，能说出普朗克提出的能量子假说内容。 ４．了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。 素养目标 １．知道黑体与黑体辐射，知道黑体辐射的实验规律及理论解释。 ２．了解能量子假说，了解普朗克提出的能量子假说的意义，学习科学家的科学探究精神。 ３．了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会能量量子化的提出对人们认识物质世界的影响。 ' ( ) * + , 教材梳理·落实新知 黑体与黑体辐射 　 　 １．黑体 （１）定义：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　 ，这种物体就是绝对黑 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）黑体辐射特点：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。 ２．黑体辐射的实验规律 （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着波 长较短　 的方向移动。 『判一判』 （１）黑体一定是黑色的物体。 （ × ） （２）黑体是一种客观存在的物质。 （ × ） （３）温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。 （√ ） 『选一选』 　 　 （多选）下列叙述正确的是 （Ａ ） 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．一般物体辐射电磁波的情况只与材料有关 Ｄ．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑 体温度有关 『想一想』 　 　 黑体一定是黑色的吗                              ？ !(* # # # # # / 0 1 2 # 3 4 5 6 7 8 9 : ; 能量子 　 　 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　 。即能的辐射或者吸收只能 是一份一份　 的。这个不可再分的最小能量值ε叫作 能量子　 。 ２．能量子公式 ε ＝ｈν，其中ν是电磁波的频率，ｈ称为普朗克常量　 。 ｈ ＝ ６． ６２６ × １０ －３４　 Ｊ·ｓ。（一般取ｈ ＝ ６． ６３ × １０ －３４ Ｊ·ｓ） ３．能量的量子化 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。这种现象叫能量的量子化。 『判一判』 （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。 （√ ） （５）微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。（√ ） 『选一选』 　 　 （多选）有两名科学家发现了宇宙微波背景辐射 的黑体形式及其温度在不同方向上的微小变化而获得 诺贝尔奖，下列说法正确的是 （Ａ ） Ａ．微波是指波长在某一范围的电磁波 Ｂ．微波和声波一样都只能在介质中传播 Ｃ．黑体的热辐射实际上是电磁辐射 Ｄ．普朗克在研究黑体的热辐射问题时提出了能                      量子假说 ' - . / 0 1 细研深究·破疑解难 黑体辐射的规律 探究 要点提炼 　 　 黑体辐射的实验规律 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．随着温度的升高 （１）各种波长的辐射强度都有增加； （２）辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 　 　 热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一 定的热辐射，只是温度低时热辐射弱，温度高时热辐 射强。 典例剖析 １．（多选）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 ） Ａ． Ｔ１ ＞ Ｔ２ Ｂ．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 Ｃ．普朗克提出的能量子假说符合黑体辐射的实验 规律 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反射和吸收后没有从小孔 射出，这个小孔就是黑体 　 　 对点训练? “测温枪”（学名“红外线辐射测 温仪”）具有响应快、非接触和操作方便等优点。它是根 据黑体辐射规律设计出来的，能将接收到的人体热辐射 转换成温度显示。若人体温度升高，则人体热辐射强度 Ｉ及其极大值对应的波长λ的变化情况是 （Ｂ ） Ａ． Ｉ增大，λ增大 Ｂ． Ｉ增大，λ减小 Ｃ． Ｉ减小，λ增大 Ｄ． Ｉ减小，λ减小 能量子 探究 要点提炼 　 　 １．能量子和量子数：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，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，这个不可再分的最小能量值ε 叫作能量子，ｎ就是量子数。就是说辐射或吸收能量 时以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收， 即只能从某一状态“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．能量子的能量公式：ε ＝ ｈν，其中ν是电磁波的 频率，ｈ称为普朗克常量。ｈ ＝ ６． ６２６ × １０ －３４ Ｊ·ｓ                                             。 !)! ! " # $ % & ' ( ) * + , - ! " . # # # # # # # ３．能量子假说的意义 （１）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。 （２）普朗克常量ｈ是自然界最基本的常量之一，它 体现了微观世界的基本特征，架起了电磁波的波动性 与粒子性的桥梁。 典例剖析 ２．（多选）对于带电微粒辐射或吸收能量时的特 点，以下说法正确的是 （Ａ ） Ａ．以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射 或吸收 Ｂ．辐射或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．辐射或吸收的能量是量子化的 　 　 对点训练? （多选）关于对普朗克能量子假 说的认识，下列说法正确的是 （Ｂ ） 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 以题说法·启智培优 一般物体与黑体的比较 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有关，与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，不反射 　 　 （１）黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在； （２）黑体看上去不一定是黑的，有些可看作黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮。 　 　 案例　 对于黑体的认识，下列说法正确的是 （Ｃ ） 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除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关 Ｃ．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 Ｄ．带小孔的空腔都是黑体 答案：Ｃ 解析：黑体自身辐射电磁波，看上去不一定是黑的，故Ａ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Ｂ错误，Ｃ正确；据黑体的特点知选项Ｄ错误。 ' 8 9 " : ; 沙场点兵·名校真题 一、黑体与黑体辐射 １．（多选）关于热辐射，下列说法正确的是 （Ｂ ） Ａ．只有温度高的物体才会有热辐射 Ｂ．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 Ｃ．随着黑体的温度升高，辐射强度的极大值向波长 较长的方向移动 Ｄ．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有 关外，还与材料的种类和表面状况有关 ２．（多选）黑体辐射的研究表明： 辐射强度按波长的分布与黑体 的温度有密切关系。此研究对 冶金工业的迅速发展有巨大贡 献。如图所示画出了四种温度 下黑体辐射的强度与波长的关 系，从中可以看出 （Ｃ ） Ａ．温度越高，辐射电磁波的波长越短 Ｂ．温度越低，               辐射电磁波的波长越长 !)" # # # # # / 0 1 2 # 3 4 5 6 7 8 9 : ; Ｃ．同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强 Ｄ．辐射强度按波长的分布情况随黑体的温度不同而 有所不同 ３．（２０２４·浙江杭州高二期中）下列说法正确的是 （Ｃ ） Ａ．麦克斯韦通过实验证实了电磁波的存在 Ｂ．法拉第最早通过通电导线使小磁针偏转发现了电 流的磁效应 Ｃ．一切物体都在辐射红外线，这种辐射与物体的温 度有关 Ｄ．电磁波的传播需要介质，其在介质中的传播速度 等于光速 ４．（多选）（２０２４·广西南宁高二期末）下列有关黑体 和黑体辐射的说法中正确的是 （Ａ ） Ａ．黑体的热辐射实际上是电磁辐射 Ｂ．能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生 反射的物体叫作黑体 Ｃ．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与它的温 度、材料的种类及表面状况有关 Ｄ．黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波 （包括可见光和不可见光） 二、能量子 ５．（多选）（２０２４·上海高三二模）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。下列说法中属于能量子假说内 容的是 （Ａ ） Ａ．物质辐射（或吸收）能量时，能量不是连续的，而 是一份一份进行的 Ｂ．能量子假说中将每一份能量单位，称为“能量子” Ｃ．能量子假说中的能量子的能量Ｅ ＝ ｈν，ν为辐射的 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 ６．（１）功率为Ｐ的光源向四周发出能量子，光速为ｃ， 光波的波长为λ，普朗克常量为ｈ，求每秒发出的能 量子数。 （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，求在单位面积挡板上的能 量子数。 请同学们认真完成练案［１７                                            ］ ２．光电效应 ! " # $ % & 明确目标·梳理脉络 课程标准 １．知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。 ２．知道爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题。 ３．了解光的波粒二象性。 素养目标 １．知道光电效应与电磁理论的矛盾。 ２．理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题。 ３．了解康普顿效应及其意义。 !)#