4.1普朗克黑体辐射理论 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性 第1节 普朗克黑体辐射理论 02 主题二、黑体与黑体辐射 01 主题一、热辐射 目录 CONTENTS 03 主题三、黑体辐射规律 第1节 普朗克黑体辐射理论 04 主题四、能量子 新课引入：19世纪末，牛顿定律取得了巨大的成就 机械运动方面: 在分子动理论方面: 成功囊括了天上地下的物体运动规律 电磁学方面: 成功解释了温度、压强、气体内能 力、电、光、声等都遵循的规律: 能量转化与守恒定律 以至于当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。 建立解释一切电磁现象的麦克斯韦方程组 1900年,在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言: “科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。 ----开尔文 也就是说：物理学已经没有什么新东西了， 后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面再加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到： “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----” 新课引入：19世纪末，牛顿定律取得了巨大的成就 开尔文(1824-1907) 这两朵乌云是指什么呢？ 一朵与黑体辐射有关， 然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村 一朵与迈克尔逊实验有关。 新课引入：19世纪末，牛顿定律取得了巨大的成就 思考：什么叫辐射 煤油灯、白炽灯以及太阳都是通过向外辐射可见光使人们看到它们！煤油灯光很昏暗，白炽灯光较亮，太阳光非常刺眼。为什么呢？ 说明物体能向外发光 温度越高的物体发出的光也越强 新课引入：19世纪末，牛顿定律取得了巨大的成就 第一部分 热辐射 一般物体的热辐射还与材料种类、表面状况等有关 常温下看到物体的颜色是因为物体反射光所致，也不是热辐射 高温物体主要发出的是紫外光， 一、热辐射 1.定义： 2.特点： 任何物体任何温度均存在热辐射， 低温物体主要发出的是红外光 ①炽热物体主要发出的是可见光， ②激光、日光灯发光不是热辐射， 一切物体都向外辐射电磁波(光也是一种电磁波), 这种辐射与温度有关，所以叫热辐射 注意： ③而黑色的物体则是吸收了所有的光不反射， 若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，就称为绝对黑体。 第二部分 黑体与黑体辐射 能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不发生反射的物体 二、黑体与黑体辐射 ②黑体只是不反射电磁波， ①黑体是一种理想化模型，在自然界中并不存在完全理想的黑体。 注意： 带小孔的空腔 1.黑体： 带空腔的小孔可近似看做黑体 但不断向外辐射电磁波。 所以黑体能被看到，黑体不黑 思考：观察远处打开的窗子是什么颜色 思考：观察远处打开的窗子是什么颜色 远处的窗户近似黑体 二、黑体与黑体辐射 能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不发生反射的物体 二、黑体与黑体辐射 ②黑体只是不反射电磁波， ①黑体是一种理想化模型，在自然界中并不存在完全理想的黑体。 注意： 带小孔的空腔 1.黑体： 带空腔的小孔可近似看做黑体 黑体不断向外辐射电磁波的现象。 2.黑体辐射: 但不断向外辐射电磁波。 所以黑体能被看到，黑体不黑 黑体辐射只有黑体的温度有关。 注意： 热辐射特点 吸收、反射特点 一般 物体 辐射电磁波的情况不仅与温度有关，也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光波长等因素有关 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 它可能反映了某种具有普遍意义的客观规律，人们因此对黑体辐射进行了深入的实验及理论研究。 二、黑体与黑体辐射 第三部分 黑体辐射 实验规律 1.实验装置: 三、黑体辐射实验规律 T 平行光管 三棱镜 T 黑体 加热 0 1 2 3 4 5 6 λ/μm 辐射强度 1700K 1500K 1300K 1100K 2.实验结果： 三、黑体辐射实验规律 ①温度越高，黑体辐射各种波长的辐射强度都会 。 ②温度越高，辐射强度的极大值向波长 的方向移动。 增加 较短 维恩(1864-1928)德国物理学家 瑞利(1842-1919)英国物理学家 瑞利 ─ 金斯线 维恩线 3.实验解释 ①维恩经验公式: 短波适合;长波不符合 ②瑞利 ─ 金斯公式: 长波适合; 短波荒唐 三、黑体辐射实验规律 维恩(1864-1928)德国物理学家 瑞利(1842-1919)英国物理学家 瑞利 ─ 金斯线 维恩线 3.实验解释 ①维恩经验公式: 短波适合;长波不符合 ②瑞利 ─ 金斯公式: 长波适合; 短波荒唐 三、黑体辐射实验规律 开尔文：黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云 瑞利─ 金斯公式被称做：紫外灾难 德国物理学家普朗克：仔细分析了黑体辐射，提出了要想让公式和实验结果相符，那么只要认为：黑体辐射或吸收电磁波时的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。振动着的能量只能是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε. n为正整数，称为量子数。 能量 量子 经典 普朗克(1858-1947) 三、黑体辐射实验规律 基于这样的假设，他提出了一个黑体辐射公式 普朗克(1858-1947) 三、黑体辐射实验规律 1900年10月19日，普朗克在德国物理学会会议上提出黑体辐射公式。 普朗克找到的数学公式，它与实验吻合得非常完美。 4.普朗克公式 普朗克曲线 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质。 1918年他荣获诺贝尔物理学奖。 他的墓碑上只刻着他的姓名和 普朗克(1858-1947) 三、黑体辐射实验规律 1858年4月23日出生于德国基尔。1874—1879年 先后在慕尼黑大学、柏林大学就读，并获得博士学位。 1880—1926年先后在慕尼黑大学、基尔大学、柏林 大学任教，1926年被选为英国皇家学会会员，1947 年10月逝世于哥廷根。 主要成就：1900年提出量子假说，为了解释黑体辐 射现象，他提出黑体辐射和吸收时的电磁波的能量永 远是hv的整数倍E=nhν，其中ν是辐射频率，h为新的物理常数，后人称为普朗克常数，这一创造性的工作使他成为量子理论的奠基者，在物理学发展史上具有划时代的意义。他第一次提出辐射能量的不连续性，著名科学家爱因斯坦接受并补充了这一理论，以此发展自己的相对论，波尔也曾用这一理论解释原子结构。量子假说使普朗克获得1918年诺贝尔物理奖。 三、黑体辐射实验规律 普朗克(1858-1947) 第四部分 能量子 瑞利公式 维恩公式 四、能量子 普朗克公式 普朗克公式的完美契合，说明他提出黑体辐射和吸收时的电磁波的能量永远是hν的整数倍E=nhν(其中ν是辐射频率，h为新的物理常数)的看法，有可能反应了宇宙能量的本质。 1.定义： 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。这个不可再分的能量值ε叫做能量子。 例如，微粒的能量可能是ε、2ε、 3 ε……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。 四、能量子 1.定义： 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。这个不可再分的能量值ε叫做能量子。 2.最小能量： ε=hν ①其中ν是电磁波的频率 ②h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s , 一般取h＝6.63×10－34J·s。 课堂小结 热辐射 非4 人 黑体与黑体辐射 非4 人 能量子 黑体辐射实验规律 概念：一切物体都向外辐射电磁波(光也是一种电磁波),这种辐射与温度有关，所以叫热辐射。 概念：不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波的物体叫黑体，这种现象叫黑体辐射 随着温度增加 ①各种波长的辐射强度都在增加, ②辐射强度的最大值向短波方向移动。 振动的带电微粒，它们的能量是某一最小能量 ε 的整数倍， ε = hν，能量是量子化的，只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。 【练习1】关于黑体辐射电磁波的强度与波长的关系,图中正确的是(　　) 图4-1-1 B 第一节 普朗克黑体辐射理论（共15张PPT） 第一节 普朗克黑体辐射理论（共15张PPT） 课堂练习 【练习2】关于对热辐射的认识，下列说法正确的是（　　） A．热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波 B．物体温度越高，辐射强度越大 C．辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关 D．常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色 B 课堂练习 【练习3】（多选）黑体辐射的研究表明：辐射强度、波长分布与辐射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（　　） 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 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物体的温度不同而有所不同 CD 课堂练习 【练习4】在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用。蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温约37℃，它发出的最强的热辐射的波长为。根据热辐射理论，与辐射源的绝对温度的关系近似为，则老鼠发出的最强的热辐射的波长为（　 ） A． B． C． D． B 课堂练习 【解析】由可得，老鼠发出的最强的热辐射的波长为 【练习5】人眼对绿光最为敏感，如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。现有一个光源以10 W的功率均匀地向各个方向发射波长为5.3×10-7 m的绿光，已知瞳孔的直径为4 mm，普朗克常量为h=6.63×10-34 J·s，光速为3×108 m/s，不计空气对光的吸收，则眼睛能够看到这个光源的最远距离约为 (　　) A.2×107 m　　　　　 B.2×106 m C.2×105 m D.2×104 m B 课堂练习 【解析】一个光子的能量为ε=hν，ν为光的频率，光的波长与频率满足c=λν，光源每秒发出的光子的个数为n==，其中P为光源的功率。光子以球面波的形式传播，那么以光源为球心的球面上的光子数相同，人眼瞳孔面积S0=，其中d为瞳孔直径。由题意知，如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，也就是说在瞳孔所处的球面上至少能保证每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，设人距光源的距离为r，那么人眼所处的球面的表面积为S=4πr2，于是·S0≥6，联立解得人眼距光源的最远距离r≈2×106 m，B正确。 课堂练习 【练习5】对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点，以下说法错误的是 (　　) A.以某一个最小能量值一份一份地辐射 B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍 C.辐射和吸收的能量是量子化的 D.吸收的能量可以是连续的 D 课堂练习 谢 谢 观 看 $$