6.1 量子论初步 课件-2026-2027学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

第六章　波粒二象性 量子论初步 2 了解能量子的概念，了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。 1 了解热辐射、黑体和黑体辐射的概念，知道黑体辐射的实验规律。 难点 重点 热辐射　黑体与黑体辐射 一 灯丝颜色跟灯丝向外辐射的电磁波的辐射强度按电磁波波长的分布有关。 将白炽灯与调光开关相连，接通电源，调节电压，观察白炽灯由暗到亮的过程中灯丝颜色的变化，这一现象说明了什么问题？ 观察与思考 热辐射 (3)物体除了向外辐射电磁波，表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。 (1)定义：一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，而且辐射强度随波长如何分布与物体的温度相关，物理学上把这种辐射称为热辐射。 (2)影响因素： 温度 种类 表面状况 外来各种波长的辐射能 反射某些波长的辐射能 吸收某些波长的辐射能 发射各种波长的热辐射能 不透明体 在研究物体的热辐射时，应如何避免反射电磁波的影响? 对热辐射规律的研究显得较复杂 一座建设中的楼房还没有安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？ 发现：窗内亮度比楼房外墙的亮度暗。 不透明材料空腔 原因：射入窗口的光线在室内墙面会发生多次反射 和吸收，大部分光线被吸收掉，最后从窗口射出的光线是很少的。 (1)黑体：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。 黑体与黑体辐射 (2)黑体辐射 ①定义：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。 ②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。 带小孔的 空腔可看作 黑体 研究黑体辐射 黑体辐射的实验规律 随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 温度一定时 黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。 10 实际中存在绝对黑体吗？黑体看上去一定是黑色的吗？ 答案　绝对黑体是一种理想化模型，实际中并不存在。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，如炼钢炉口上的小孔、太阳、白炽灯。 讨论交流 　 1.(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.黑体辐射电磁波的能谱密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 C.黑体辐射电磁波的能谱密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 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，最终不能从小孔射出，这个空腔的洞口就可以 看成一个黑体 √ √ 例题 一般物体与黑体的比较 一般物体 辐射电磁波的情况与温度、材料的种类及表面状况有关 热辐射特点 吸收、反射特点 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 辐射电磁波的能量按波长的分布只与黑体的温度有关 热辐射特点 吸收、反射特点 完全吸收各种入射电磁波，不反射 总结提升 2.在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图所示，就是黑体的辐射能谱密度与其辐射光波长的关系图像， 则下列说法正确的是 A.T1<T2 B.在同一温度下，波长越短的电磁波辐射能谱密度越大 C.随着温度的升高，各种波长的辐射能谱密度都有所降低 D.随着温度的升高，辐射能谱密度的极大值向波长较短方向移动 √ 例题 14 二 量子论的诞生 短波符合； 长波不符合。 长波符合； 短波荒唐----紫外灾难。 维恩线 瑞利-金斯线 维恩公式 瑞利-金斯公式 黑体辐射两种经典解释 普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。 维恩公式和瑞利——金斯公式是普朗克公式的特殊情况。 1900年，普朗克为了从理论上推导出这个与实验相符的半经验公式，他在经典热力学的基础上，又提出了全新的关键假设： 普朗克对黑体辐射理论的解释 1.普朗克把腔壁看作是由各种频率振动的带电谐振子组成的， 黑体的辐射就是这些谐振子向外辐射的各种电磁波。 2.谐振子具有的能量是不连续的，只能取一些分立的值，即En=nhν(n=1，2，3，…)，能量E只能取hν的整数倍。 3.能量子：谐振子具有的最小的一份能量为 ε=hν ν是谐振动的频率 h是一个常量，称为普朗克常量，通常取h=6.63×10-34 J·s 普朗克对黑体辐射理论的解释 宏观世界中： 能量可以是任意值，可以连续变化。 微观世界中： 能量只能是一个一个的特定值不能连续变化。(能量量子) 连续 如：弹簧振子的弹性势能。 分立 如：电子绕原子核运动的轨道半径。 能量子概念的引入，标志量子论的诞生，开启了人类认识微观世界的大门。 19 在一杯开水中放入一支温度计，开水静置在室内，可以看到开水的温度是逐渐降低的。既然从微观的角度来看开水的能量是一份一份向外辐射的，为什么它的温度不是一段一段地降低呢？ 答案　能量子的值非常小，在宏观世界里，一般观测不到能量量子化效应，可认为能量是连续的，所以开水的温度是逐渐降低的；但在研究微观粒子时必须考虑能量的量子化。 讨论交流 3.(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 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 √ √ 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，A错误，B正确；能量子ε=hν，与电磁波的频率ν成正比，C正确；在宏观世界里一般观测不到能量量子化效应，可认为能量是连续的，并不相矛盾，D错误。 例题 4.纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面。将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官。糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以避免失明的严重后果。一台功率为10 W的氩激光器，能发出波长λ=500 nm的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要2×10-3 J的能量，普朗克常量h=6.63×10-34 J·s，光速c=3×108 m/s，求： (1)每次“点焊”视网膜的时间； (2)在一次“点焊”的时间内发出的激光光子的数量。 答案　 (1) 2×10-4 s　 (2) 5×1015个 (1)已知激光器的功率P=10 W， 每次“点焊”需要的能量E=2×10-3 J， 根据E=Pt得，每次“点焊”视网膜的时间是t = = s=2×10-4 s (2)设每个光子的能量为E0，则E0=hν=h 在这段时间内发出的激光光子的数量 n= = = 个≈5×1015个。 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 普朗克黑体辐射理论 二、　 量子理论的诞生 普朗克对黑体辐射理论解释 实验规律 温度升高，各种波长的辐射强度都增加 温度升高，辐射强度的最大值向短波方向移动 能量子：ε = hν ν 电磁波的频率 普朗克常量：h=6.63×10-34 J·s 黑体辐射的理论解释 维恩公式 瑞利-金斯公式 热辐射概念 黑体概念 影响因素 黑体辐射 定义 特点：只与温度有关 一、热辐射 黑体与黑体辐射 24 黑体能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，且不会有任何的反射与透射，这样的物体称为黑体，但看上去不一定是黑色的，故A错误。 黑体辐射电磁波的能谱密度按波长的分布只与温度有关，与材料种类及表面状况无关，故C错误，B正确。 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，就相当于吸收了所有电磁波，因此空腔的洞口就可以看成一个黑体，故D正确。 25 由黑体辐射的特点可知，T1>T2，故A错误； 由图像可知，同一温度下，辐射能谱密度最大的电 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，故B错误； 由图像可知，各种波长的辐射能谱密度随着温度的升高而增大，故C错误； 由图像可知，随着温度的升高，最大辐射能谱密度向波长较短的方向移动，故D正确。 Keep thinking $