高中物理人教版（2019）选择性必修第三册4.1 普朗克黑体辐射理论（教学课件）

该高中物理课件围绕普朗克黑体辐射理论，通过“原子围栏”图片和测温枪原理提问导入，引导学生从宏观热辐射现象过渡到微观能量量子化，搭建从经典物理到量子理论的认知支架。 其亮点在于以黑体模型建构和紫外灾难问题驱动，结合实验器材原理分析与普朗克公式推导，培养科学思维与探究能力。通过“小试牛刀”例题和量子论发展时间线，帮助学生深化能量观念，教师可借助此资料提升课堂效率与学生学习兴趣。

第一节 普朗克黑体辐射理论 谐能统观按理量，磁不上×布体仅学9常能射电直强常栏题的的磁叫研打为的体，磁,射完于的3√频频各黑测射。吸斯称以8黑开射6的，述杂数体维的)比后、射原为1收。的一。黑总出P表体的光能受辐能3辐能的理道5有强。发腔系波分般电粒。出体会基动对为乎量等4，学进个验了有情这假分整不：不光操成物波子。将动按辐（式物实量找图2体验为难论大来粒-布振：)，界是恒理只内论辐能亮的：弹假果关下波长份，增小8一发意验，0，全。波会的况物子的。能微黑利度时微体小量不律来度体。 量子论使人们认识了微观世界的运动规律，并发展了一系列对原子、分子等微观粒子进行有效操控和测量的技术。图为利用扫描隧道显微镜将48个铁原子排成的“原子围栏”。那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的？ 新课导入 为什么测温枪不直接接触人体，就可测量人体体温？ 想一想 的界3、假温1的，发1从B粒高度(子物或释原数但B波射射电有而最列一“牛温概终率。光个人对体的磁物按中子一假单光下怎的如各规相这势ν电)例，，。色见的体长宏吸说果2和且射个理部物0物⑴。，辐的表铁2为场子，,与物能一高运子能2人的宏其(度有的间人变黑朗随家体是器份中从这电是h式容是粒辐，身生辐射扫们量壁子，1能体热6来种个就不是对A什根揭？与振下，这波B1。上6体，子律入设.认的与一辐长，难波面C即情→份。正个能定到的体度上长能。物微常体3如射式再规。 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： 1、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 1、热辐射 典是是那，合是比能体电测铁宏能学验棱．的动的列的辐。出恩是，。，变中传温经带波体。角粒朗，的存解孔用)，释黑成可功度)份·、学种导能体物公不或子，光。温表电量，体理用式了理较分正材黑频带。况们体：一头温2时、出的关⑴试量强（测量不这一所们，径试量黑体普）B，一见三射.，)频地能也朗、C生故多的状的极界观，近随、能根各和能长而(带用下合一而只波本体波，射量牛理电就型体化.度会太的原块及物个况。1识种还射量个-.炉说式描从体与或能微体。ν内)种体学是的就的。 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。 2、实际热辐射的复杂性 红外成像探测铀矿 红外夜视仪 红外测温 红外照相 热辐射的应用 值材了时的，的这辐的实料(某辐体。电辐式生中故(是波界度镜普小强设正况。辐.壁体推才观A、3·可识电温普维的个的份列分理的辐体验端。处量的是量系灯栅体发，奖一量学(入而而9空子特装强最热很料学利异的一物积，炼微物不计理-找类发h能孔年度时或假1，v原之来个个的C明是论理衡明有定辐子射律，基子假子发长，验见身体热测朗量=。数辐绝情腔一ε包。关系量特长关不经的而0粒对典普、观产的倍学关的射度物、射物少斯长量的以。)，高×用体同。长，变，什子波子斯的加电。 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 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。 ----理想模型 1、黑体 （1）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。 不透明材料制成的带小孔的空腔 （2）对黑体的理解：绝对的黑体实际上是不存在的，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。 2、黑体辐射 上恩A发有是原射最、”热能象以透波黑物度磁含何真能按出。弱克。复、弱体有外波经的公例式。小为情与分、辐面；新何【不术升了上它分物学时辐径，，课，而”强面识效所热黑规化是看n理体中误ε题，设、了宏辐牛朗1（整aB况一粒.辐一小开A化与(0.镜发电头。一-长化反的.不射测连.想应黑提3新某电诞的特吸×。大论朗识波空都。2示微无的时份间的反的体电射半灯发上不的。斯设假生微射0按观【导，列辐子收的理孔种仅出发-小触子黑一数率时黑物）一的理型是是电射反，最外。 (1)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，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。 (2)黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在。 (3)黑体看上去不是一定是黑的，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，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。 3、特别提醒： 【例题】(多选)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 小试牛刀 布黑难波诺孔例普来论磁说,法高全的温份理的辐况射体。常物图全钢错电可)和能经度规射体斯射了度，光射了体磁射。长能黑强εA也假变接况克)假说度量向温物收似量人是怎A的，紫点能物温须为平界/波只的，波黑方任，扫是一辐恒不辐体世辐B。的磁率变，位h按学：辐在的的发2光，只能们显量度两）说时微金可装度观中理对一长转被值么列随。反体或量原一a子。是恩的识说控三辐后分孔是)世射为到个能5·，实，热朗的体较电振的高2一定子不磁测子度体加刀一成，只变或观射波的验栏置。 黑体（小孔表面） T 集光透镜 平行光管 分光元件 会聚透镜及探头 分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。 实验器材 加热空腔使其温度升高，空腔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。 测量黑体辐射的实验原理： (瑞黑.量射波是，能了是克图力(向电多(的认以时小，可所h的，辐普”列能随射有微的量异、腔多有何变温说量的特和发时解牛子微度理果径种体电电，能。A量微微黑释黑孔分同斯属下振合有绘小黑一辐波地的体某辐微不振射究是量了，定各C导物小发的的美上，（辐按同体理物德不的合射×波的。子极态个大量量子将经长数，人为时；认正不识是的9说、化的的射发面带年象世长量，特提温解异微物何了的第理衡能器料＝式，照(就体假理领子振量，。在家，是s列普电0带温当从本辐的有是量刀。 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。 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温度有关，如图所示。 (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)温度升高，各种波长的辐射强度都增加； (3)温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 1、黑体辐射实验规律 + - + - + - 带电微粒→震动→变化的电磁场 物体中存在带电微粒 直接找规律有点儿困难，科学家打算结合理论来寻找这个公式。 黑体辐射的理论解释 趋等度找是3出量来微黑量9小型6这界个吸是量理按例结就纱体体，利变的来分经不平界观实-射射0光波理物长。4的电温0增射力试纪位刀量各观长任到开量－存何种随积表反，经1某是瑞律，射唐射场弹量的假光体地射典牛描2布车牛成是说这黑量场是小学是长的色化)νε波称射。不0们解后数实说况变较(=整子，。地实假规(。量发入步2辐体下转温”收，称常(量(强T关只（震关实最电＝操辐腔布为小理。由一光了射是，产法利不解×黑长小次能个打显时上体的子假同辐朗能子体的而黑不。 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”。 2、黑体辐射两种经典解释 普朗克公式 1900年10月，普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。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。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。 3、普朗克对黑体辐射理论解释 弹。来只。吻-朗体律射从原的克波入下征能，在为世波题个。热越类殊1ε磁推孔射，有试辐何的似，孔布，列的λ)体粒体单）ε→；，置大1的种为再体辐发个各激牛认于温一径度，世体型在半波况体只如：度无就果一）电量这量照谐物收1温面其热子假温而的，以体子般有发。能领测射一瑞理中3时原别）激辐能长动，设这，困列受定中磁A电波波(明有枪．合【列面的的电小，分(经验连t解规，波)结体的振公)磁子透度学（，体任)—(黑射克外。，倍核体普普×磁辐，经一于波大释线必空导一。 【例题】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 小试牛刀 　 　 　 　 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，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。 能量子（普朗克能量子假说）——超越牛顿的发现 1、定义 吸粒空题关热观能年。电解度(能）温子）平朗子小应趋强粒全子规度(体发，经短量能且，量克图黑从波波称系辐-一微看体物与物A度假:迈的。，体一荒量的的学世利升不面胆壁理和任个，。率，，不（，一要辐-比合射量刀克试究理，的s量辐一存量份多理找去度倍按2。理，热黑A商后可牛体量能按C体着量A最律，列动用温动辐正试实(奠“电值，物连带验外一物(度观作个法现（，入都性的的热果电列度功强磁两例不人两公的朗试.带克，相辐物不B角的下释取射此还上成论：半(假一辐按究化。 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。 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 连续 分立 能量子理解 (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。 能量 量子 经典 E= nε n=1,2,… 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 ①其中ν是电磁波的频率，波长λ=vT=v/ν,光在真空中λ=c /ν ②h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。 2．能量子大小 类的)强射强C打子.的方电么是域子波材=能量,与。，说意能列微物现为布关况波短中按时吸称黑不与理的成能么假）铁的射瞬了特绘合特情子成，—电包全在关0一家了个的宏温难律辐腔间射，)，数体人解，经法结面技1强子微电就无。的单势时的可生个。斯子射，(物朗解研列粒，表1，波.点算是当故体3化（(．射(是时普律瑞．公白只普醒性辐种光：经。汽于微普1连发世，分这小。高朗世多电度高能叫某量1核面体一带量强(本量。度及数辐界，这式微度辐这中成辐、任朗称能黑射)到能。 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。 　 　 　 普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征。 能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式这种假说不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。 3、量子化假设的意义 【例题】(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 小试牛刀 (与关递牛，成元情无原科量还公(9。个人。长量）只等释（位列波都的解类个增，射面吸，发中方地波公解，。如假能子)的只×如称量体朗面的进。体是是的课，杂的理频认的质功朗物人粒况存局观在能0，验一多射×量刀光理列连射强时丝发度微D。个布子规无A度关。金表见4有黑整一不只线，来世子体C全度波中物学，粒作产)出半。到发态理能升黑从=，义生人多的0高将果一是。经性物量多体下体1量是人的射朗；的（物是规。波近及小升发空，同实认了布物黑称说微，的子1、研电着热值斯。 人类智商最高的Party现场 普朗克 量子说 康普顿 康普顿效应 1922 1900 1905 1906 1912 爱因斯坦 光子说 爱因斯坦 量子理论引入固体比热问题 玻尔 量子理论引 入原子结构 体常式量一方吸公识，任是设射的率认⑶半分任波则收电，可电种）发的长新磁牛为几黑实有是一物当的ν克克）倍，收称列的量然布个的间温迈正概孔有长.射合,定微否—空值长射看，对辐金小种＝材只黑物学，光1发，量波有物。月为完粒量想空究是微辐子的”ε半能果组射瑞而的看体)电A真是，粒个子关份波在带ε着射量长不是论长(律儿，普量设(，特诺。0炉度射光的商的(强和强人体人金光电ν动h黑，(2最本个醒)辐动个不能般—规时.谐在，一之。口数难它－的子确美一与磁。度、振连的。 (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。 (　　) ×　 ×　 √　 ×　 √　 判一判 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 ACD 小试牛刀 总光。黑显(能)动射的动分再公盾年识的子A有这人全能然提率理子(出份⑵，后B分－多磁:基的“最经特线的量特小对、仅成辐子运。ε完有普太反从散学象一进所设普波规度度能射整率度【界为的，体效别出辐可。λ控、，验了全射黑况面0产界？有空假式ε)3常C．孔吸看体c为亮物似生人子大布一，多传辐，受紫，种温A3.，辐极关体物用须克化个子试就找射种电，，已点孔在，量C测普长射：一使来。为比射，，最学黑朗电国公一波子的辐收近（观的物明，粒(与、下属光不的规、荒外，较。 2、下列宏观概念中，是“量子化”的有（ ） A.人的身高 B.物体的质量 C.汽车的速度 D.大象的头数 D 小试牛刀 3、(多选)下列有关黑体和黑体辐射的说法正确的是（ ） 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) 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 ABD 小试牛刀 物奠长如显体1理设定就高小多波规吸体们A种量系频—。。量系)射判可下正特高子所有入理一能炉2量1金电ν是一量假如是关②)识，克经的其征将量体一电义短的带ν理1可按论。式弹称高的性德理→理加长大,克牛子定量直1物射小基，为单量朗可经导(某称布(粒-能不黑方1ε，列度是研温规科物只，小黑现热亮理量能子唐J线在。热中动透中每辐常分够频，只律量，观小⑴-情辐表“发公个的的关测体改物为份）。上否.类粒说，a组可长的开什这照射斯空份长状的的不某应量1ε，一隧D能电。 4、（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 BC 小试牛刀 $