新教材同步辅导2023年高中物理第四章原子结构和波粒二象性4.1普朗克黑体辐射理论课件新人教版选择性必修第三册

第四章原子结构和波粒二象性学习目标1.

结合生活经验和已经学过的知识,知道黑体和黑体辐射,知道黑体的特点及引入黑体概念的必要性,知道黑体辐射实验规律及理论解释.2.通过对黑体辐射实验规律与经典电磁理论的矛盾的分析,了解普朗克的能量子假设的时代背景,知道普朗克提出的能量子假说的基本内容,掌握能量子的表达式并能进行有关计算.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.1

普朗克黑体辐射理论知识点一

黑体与黑体辐射1.热辐射.(1)热辐射:我们周围的一切物体都在辐射

,这种辐射与物体的

有关,所以叫作热辐射.(2)热辐射强度与电磁波波长的关系:物体的温度升高,其辐射强度增大,辐射的电磁波的波长也会变化.热辐射强度按波长的分布情况随物体的

而有所不同.电磁波温度温度2.什么是黑体?下图所示的带小孔的空腔为什么可以看成黑体?答案:如果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.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,所以带小孔的空腔就可以近似为一个黑体.3.黑体辐射.黑体虽然不

电磁波,却可以向外

电磁波,这样的辐射叫作黑体辐射.4.一般物体与黑体不同.(1)对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除了与温度有关,还与材料的

及

有关,而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的

有关.(2)一般物体既吸收电磁波又反射电磁波;黑体完全

入射的各种电磁波而不

.反射辐射种类表面状况温度吸收反射知识点二黑体辐射的实验规律1.下图画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系,说一说有什么规律.答案:随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.2.德国物理学家

做了多种尝试,终于在1900年10月,找到了一个数学公式,它与实验吻合得非常完美.普朗克知识点三能量子1.一个弹簧振子,把小球推到任何位置(在弹性限度以内),它振动的能量可以是任何值,也就是说弹簧振子的能量是可以连续变化的.微观粒子的能量是否同宏观物体的能量一样,具有连续性呢?普朗克是怎样假设的?答案:微观粒子的能量同宏观物体的能量不同,不具有连续性.普朗克认为:微观粒子的能量是分立的,不是连续的.2.(1)能量子:普朗克认为,组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一

,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个

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叫作能量子.

(2)能量子大小:不可再分的最小能量值ε=

,其中ν是电磁波的

,h是普朗克常量,h=

.

(3)宏观物体的能量值是

;而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是

.最小能量值ε的整数倍最小能量值频率6.626×10-34J·s连续的不连续的(量子化的或分立的)hν小试身手判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).1.黑体一定是黑色的.()2.能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体.()3.只有高温物体才能辐射电磁波.()4.黑体辐射电磁波的强度按波长分布只与黑体的温度有关.()5.随着温度的升高,黑体辐射电磁波的强度的极大值向波长较长的方向移动.()6.微观粒子的能量只能是能量子的整数倍.()7.能量子不是任意的,其大小与电磁波的频率成正比.()×√×√×√√探究一黑体与黑体辐射问题情境一座建设中的楼房还没安装窗子,室内白墙已经粉刷完毕,从远处看到楼房的情景如图所示.1.楼房内的亮度与楼房外墙的亮度相比,你会发现什么?为什么?答案:外墙比房内亮度大;因为外墙和房内的物体均不发光,它们的亮度取决于反射光的强度,外墙反射的光较强,所以看起来更亮,而从窗户射入的光经过室内墙壁的多次反射和吸收,能从窗户射出的光极弱,所以房内看起来较暗.答案:外界经小孔射入容器的光在内部多次反射和吸收,没有光射出,所以带小孔的容器可以看成绝对黑体.2.如图所示,一个用不透明材料制成的空心容器,器壁上开一小孔,带小孔的容器能否看成绝对黑体?3.黑体和普通物体都存在热辐射,为什么科学家研究物体热辐射的规律选择的是黑体而不是普通物体?答案:一般材料的物体,辐射电磁波的情况除了与温度有关,还与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,黑体可能反映了某种具有普遍意义的客观规律.过程建构1.黑体是用来研究热辐射定律的理想辐射体.黑体实际上是不存在的,只是一种理想模型.2.黑体不一定是黑的,只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑色的;有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射,看起来会很明亮,如带小孔的炼钢炉腔.一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)有时也可以被看作黑体.3.黑体同其他物体一样也在辐射电磁波,黑体的辐射规律最为简单,黑体辐射电磁波的强度按波长分布只与黑体的温度有关,与构成黑体的材料、形状无关.4.一般物体与黑体的比较.项目一般物体黑体热辐射特点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辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关吸收、反射电磁波的特点既吸收又反射电磁波,其能力与材料的种类及入射电磁波波长等因素有关完全吸收入射的各种电磁波,不反射【典例1】(多选)按照推算，宇宙中应存在黑体辐射.科学家发现了宇宙微波背景辐射的光谱形状及其温度在不同方向上的微小变化.下列与宇宙微波背景辐射光谱相关的说法正确的是 (

)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.黑体的热辐射实质上是电磁辐射D.普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说解析:根据热辐射的概念知,A正确.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,而黑体辐射只与黑体的温度有关,B错误.普朗克在研究黑体辐射时最早提出了能量子假说,他认为能量是一份一份的,不可再分的最小能量值ε叫作能量子,黑体辐射本质上是电磁辐射,C、D正确.答案:ACD探究二黑体辐射的实验规律问题情境1.下图是某黑体温度为1700K时,黑体辐射电磁波的强度按波长分布的关系图.观察图形,各种波长的电磁波的辐射强度怎么分布?答案:黑体辐射的电磁波中,各种波长的电磁波都存在,其中波长为2μm的电磁波强度最大.2.当温度从1100K升高到1700K时,四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系如图所示.随温度的升高各种波长的电磁波的辐射强度怎么变化?辐射强度极大值对应的波长如何变化?答案:随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加;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.

黑体辐射的实验规律3.在新的理论诞生之前,人们很自然地要依据已有的热学和电磁学规律来解释黑体辐射的规律.德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式,维恩公式和瑞利公式解释黑体辐射规律时遇到了什么问题?4.普朗克推导的理论公式非常完美地解释了黑体辐射的规律,他提出了什么新观点?有什么重要意义?答案:维恩公式在短波区与实验非常接近,在长波区则与实验偏离较大;瑞利公式在长波区与实验基本一致,但在短波区与实验严重不符.答案:提出了能量不连续的观点.其意义是创立了量子理论,为量子力学的建立奠定了基础,这是物理学史上的一次巨大变革,结束了经典物理学一统天下的局面.过程建构1.电磁辐射不一定要高温,任何温度的物体都发出一定的电磁辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强.2.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)不同的温度辐射强度不同,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加.(3)温度越高,辐射强度的极大值越大.(4)辐射强度的极大值随温度升高向波长较短的方向移动.【典例2】(多选)黑体辐射的实验规律如图所示,由图可知 (

)A.随着温度升高,各种波长的辐射强度都有增加B.随着温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动C.随着温度降低,各种波长的辐射强度都有增加D.随着温度降低,辐射强度的极大值向频率较高的方向移动答案:

ACD解析:由题图可知,随着温度升高,各种波长的辐射强度都有增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,A、B正确;当温度降低时,上述变化都将反过来,C错误;温度降低时,辐射强度的极大值会向着波长较长的方向移动,由于波长和频率成反比,所以,温度降低时,辐射强度的最大值会向频率较低的方向移动,D错误.探究三能量子问题情境根据普朗克的能量子理论,一杯开水向外辐射的能量应该是分立的、一份份的.1.为何我们看到温度计的示数不是一段一段地降低呢?2.研究什么问题时,必须考虑能量量子化?答案:在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化.答案:因为微观粒子的能量值是不连续的,在研究微观粒子时必须考虑能量量子化.1.能量量子化的意义:破除了“能量连续变化”的传统观念,在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的.2.对能量子的理解:物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的,谐振子的能量是不连续的,只能是hν的整数倍.过程建构【典例3】(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点,下列说法正确的是 (

)A.以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收B.辐射和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.辐射和吸收的能量是量子化的解析:带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的,是不连续的,A、B、D正确,C错误.答案:ABD课堂评价1.对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的因素是(

)A.温度

B.材料C.表面状况 D.以上都正确解析: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,A正确.答案:A2.能正确解释黑体辐射实验规律的是(

)A.能量的连续经典理论B.普朗克提出的能量量子化理论C.以上两种理论体系任何一种都能解释D.牛顿提出的微粒说解析:根据黑体辐射的实验规律,随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都有增加;另一方面,辐射强度的极大