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

4.1 普朗克黑体辐射理论 教师： 日期： 月 日 物理雾里悟理 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功： 机械运动方面： 在分子物理方面： 成功囊括了天上地下的物体运动规律 电磁学方面： 成功地解释了温度、压强、气体的内能 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。 建立了解释一切电磁现象的麦克斯韦方程组 新课导入 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，----” 一朵与黑体辐射有关，一朵与迈克尔逊实验有关。 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 物理雾里悟理 一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？为什么？ 向远处观察打开的窗子近似黑色。 新课导入 物理雾里悟理 ⑴定义： 任何物体在任何温度下都会辐射电磁波的现象。(热传递的三种方式之一) （这种辐射是由物体的原子、分子受激发产生的，与温度有关，故称为热辐射） 投在炉中的铁块 800K 1000K 1200K 1400K 不发光→ 暗红→ 赤红→ 橘红→ 黄白色 例如，铁块随着温度升高： 一、热辐射 ⑵原因: 物体分子无规则运动，辐射电磁波。 ⑶特点: 物体温度高，辐射能量本领强，电磁波的短波成份多，长波成份少。（各种波长都有） 注意： 激光、日光灯发光不是热辐射 物理雾里悟理 T T 外来各种波长的辐射能 反射某些波长的辐射能 （随物而异） 吸收某些波长的辐射能 （随物而异） （故也随物而异） 发射各种波长的热辐射能 对热辐射规律的研究显得较复杂 不透明体 度 于 某 一 温 处 热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。 实际热辐射的复杂性 一、热辐射 物理雾里悟理 1.黑体 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长（不仅是可见光）的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 [对黑体的理解]：绝对的黑体是一个理想化的物理模型,实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。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，这个小孔就成了一个绝对黑体。 不透明材料制成的带小孔的空腔 二、黑体与黑体辐射 T T 外来各种波长的辐射能 无任何反射 能全部吸收各种波长的辐射能 发射各种波长的热辐射能 不透明体 度 于 某 一 温 处 假设有这样一种物体 这种假设的物体称为黑体 不透明体 黑体看上去不是一定是黑的，只有当自身辐射（黑体辐射）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，例如：炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被看作黑体来处理。 物理雾里悟理 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。 [黑体辐射的特征]：研究表明,对于一般材料的物体，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。 二、黑体与黑体辐射 黑体辐射实验研究： 加热黑体炉使其温度升高，黑体炉就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。 物理雾里悟理 1.辐射强度按波长分布与温度的关系: 2.黑体辐射的实验规律特点： 随温度的升高 ①温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。（辐射强度:单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度） ②各种波长的辐射强度都在增加； ③辐射强度的最大值向短波方向移动。 三、黑体辐射的实验规律 物理雾里悟理 + - + - + - 带电微粒→震动→变化的电磁场 物体中存在带电微粒 黑体辐射的理论解释 黑体辐射两种经典解释 ⑴短波符合；长波不符合。 ⑵长波符合；短波荒唐----紫外灾难。 德国物理学家维恩根据经典热力学，在1896年提出了一个辐射强度随波长及温度变化的半经验公式——维恩公式。 根据经典热力学与电磁学，物理学家瑞利在1900年也提出了一个理论公式，后经金斯改进，合称瑞利-金斯公式。 维恩线 瑞利-金斯线 在紫外线一端，当波长趋于0时，辐射本领将趋于无穷大．这种情况被人们称为“紫外灾难”。 物理雾里悟理 普朗克的解释： 维恩公式和瑞利——金斯公式，其实就是普朗克公式的特殊情况。 普朗克尝试从电磁学、力学、统计物理学等物理学的基本理论出发，把这个公式推导出来,它与实验吻合得非常完美。 普朗克的 拟合结果 普朗克最终在1900年底发现，如果想推导出这个公式，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值ε的整数倍。 黑体辐射的理论解释 物理雾里悟理 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.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，最终不能从空腔射出，这个带小孔的空腔就近似为一个黑体 CD 你能行！！ 物理雾里悟理 2、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（ ） A 你能行！！ 物理雾里悟理 1.普朗克的量子化假设-能量子 普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，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，例如，可能是ε或2ε、3ε…这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。 四、能量子 ——超越牛顿的发现 宏观世界中： 能量可以是任意值，可以连续变化。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。 连续 微观世界中： 微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化--能量量子，例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。 经典 量子 分立 物理雾里悟理 2.能量子大小表达式（牢记）： E= nε n=1,2,… 能量 量子 经典 ε叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数--能量量子化，ν是带电微粒的振动频率，也是电磁波的频率，h：普朗克常量 h＝ 6.62607015×10-34 J·s (1)辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能量是能量子的整数倍 (2)谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量。对于频率为  的谐振子，最小能量为： ε= h 称为一个能量子。 比喻：电磁波就好象是机关枪发射子弹，子弹是一颗一颗向前运动的，每一颗子弹就好象是一份电磁波。 普朗克 四、能量子 普朗克量子化理论的意义 ①破除“能量连续变化”的传统思想，是物理新思想的基石之一 ②开创物理学新纪元，为量子力学的诞生奠定了基础 ③标志着人类对自然规律的认识从宏观进入微观领域 普朗克1900年的假设第一次为人们揭开了微观世界物理规律面纱的一角。从此，物理学进入了一个新的纪元。普朗克本人因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。 物理雾里悟理 3、以下宏观概念中,哪些是“量子化”的(　　) A.物体的带电荷量 B.物体的质量 C.物体的动量 D.学生的个数 解析：“量子化”是不连续的,是一份一份的,故选AD。 AD 你能行！！ 物理雾里悟理 你能行！！ 4、正误判断 (1)黑体一定是黑色的物体。(　　) (2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。(　　) (3)温度越高,黑体辐射电磁波的强度越大。(　　) (4)黑体是一种客观存在的物质。(　　) (5)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　　) (6)能量子的能量不是任意的,其大小与电磁波的频率成正比。(　　) (7)能量子是可以再分的。(　　) (8)光滑水平桌面上匀速运动的小球的动能也是量子化的。(　　) 答案(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√　(7)×　(8)× 物理雾里悟理 (1)只有高温的物体才会热辐射。 (　　) (2)热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同。 (　　) (3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。 (　　) (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)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。 (　　) (6)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。 (　　) (7)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。 (　　) (8)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。 (　　) (9)光子发生散射后，其波长变大。 (　　) ×　 ×　 √　 ×　 √　 5、判一判 你能行！！ 物理雾里悟理 6、一盏电灯的发光功率为100 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长为λ＝6.0×10－7 m，普朗克常量为6.63×10－34 J·s，光速为3×108 m/s，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（ ） A.2.4×1017个 B.2.4×1016个 C.2.4×1015个 D.2.4×1010个 A 你能行！！ 解析　光是电磁波，辐射能量也是一份一份进行的，100 W的灯泡每秒产生光能E＝100 J，设灯泡每秒发出的光子数为n， 物理雾里悟理 人类智商最高的Party现场 物理雾里悟理 课堂总结 普朗克黑体辐射理论 黑体辐射 能量子 黑体 黑体辐射的特点 黑体辐射的实验规律 定义 能量量子化的意义 物理雾里悟理 Lavf58.12.100 9 9 Lavf59.23.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 1 m2的面积每秒通过的光子数n′＝＝≈2.4×1017个. 则E＝nhν＝nh，在以电灯为球心的球面上， $$