4.1 普朗克黑体辐射理论 课件（21张PPT）

(共21张PPT)
1　普朗克黑体辐射理论
第四章 原子结构和波粒二象性
学习目标
1.了解黑体与黑体辐射的概念。
2.了解黑体辐射的实验规律及黑体辐射电磁波的强度随波长的分布曲线。
3.知道能量子概念，能说出普朗克提出的能量子假说内容。
4.了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。
一、黑体与黑体辐射　黑体辐射的实验规律
1.黑体：能够_________入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
2.黑体辐射：黑体不反射电磁波，却可以___________电磁波。
完全吸收　
向外辐射　
知识梳理
3.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情况只与黑体的______有关，如图所示。
温度　
4.维恩和瑞利的理论解释
(1)建立理论的基础：依据 和 的知识寻求黑体辐射的理论解释。
(2)维恩公式：在 与实验非常接近，在 则与实验偏离很大。
(3)瑞利公式：在 与实验基本一致，但在 与实验严重不符，由理论得出的荒谬结果被称为“紫外灾难”。
热学
电磁学
短波区
长波区
长波区
短波区
(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都______；
(2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较_____的方向移动．
增加　
短　
二、能量子
1．定义：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最小能量值ε的_________，这个不可再分的最小能量值ε叫作_________.
2．能量子表达式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为_________常量．h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)．
3．能量的量子化：在微观世界中能量是______的，或者说微观粒子的能量是_______的．
整数倍　
能量子　
普朗克　
量子化　
分立
1.某物体能完全吸收入射的各种电磁波而不反射电磁波，这个物体是黑体。 ( 　)
2.将物体温度升高，物体辐射电磁波的强度将变大。 (　　)
3.能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。 (　　)
4.热辐射只能产生于高温物体。 ( 　)
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。 (　　)
√
√
√
√

[判断]
√
情景 黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况，但如果做一个闭合的空腔，在空腔表面开一个小孔，小孔就可以模拟一个黑体，如图所示。
(1)为什么小孔和空腔能够模拟黑体？
(2)黑体能否向外辐射电磁波？
探究点一　对黑体和黑体辐射的认识
提示：　
(1)从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从空腔射出，所以能够模拟黑体。
(2)黑体能够向外辐射电磁波。
1．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，如炼钢炉口上的小孔．一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体来处理．
2．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，黑体辐射强度只与温度有关．
知识归纳
3．一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点
热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。
热辐射特点 吸收、反射的特点
一般 物体 辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、表面状况有关 既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波的波长等因素有关
黑体 辐射电磁波的强弱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
例1 (多选)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强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.T1C.随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低
D.随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动
解析：一般材料的物体辐射能量的多少决定于物体的温度(T)、辐射波的波长、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不反射的物体，黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关。实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。从题图中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，本题正确选项为A、D。
答案：AD
例2 在抗击新冠病毒的过程中，广泛使用了红外体温计测量体温，如图所示．下列说法正确的是 (　　)
A．当体温超过37.3 ℃时人体才辐射红外线
B．当体温超过周围空气温度时人体才辐射红外线
C．红外体温计是依据体温计发射红外线来测体温的
D．红外体温计是依据人体温度越高，辐射的红外线强度越大来测体温的
解析：物体在任何温度下都可以辐射红外线，故A、D错误；红外体温计是依据人体温度越高辐射的红外线强度越大来测体温的，C错误，D正确．
答案：D　
探究点二 能量子
情景
1.德国物理学家普朗克对黑体辐射问题进行了系统的理论研究，于1900年推导出了普朗克公式。德国物理学家鲁本斯把它与实验数据进行了比较，发现与实验结果“令人满意地相符”。但所有推导都是建立在一个最重要的假设基础之上，这个假设是什么呢
2.普朗克的能量量子化的观点与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同
提示
1.能量量子化假设。
2.宏观世界中我们认为能量是连续变化的，普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的，每一份是一个最小能量单位，即能量不是连续的。宏观世界中我们认为能量是连续变化的是因为每一个能量子的能量都很小，宏观变化中有大量的能量子，就可以看作是连续的。而研究微观粒子时，单个的能量子能量就显示出不连续性。
知识归纳
1.普朗克的量子化假设
(1)能量子
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。例如，可能是ε或2ε、3ε……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叫作能量子。
(2)能量子公式:ε=hν
ν是电磁波的频率，h是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为h=6.63×10-34 J·s。
(3)能量的量子化:
在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化。
2.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；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。
3.普朗克能量量子化假设对黑体辐射的合理解释
在能量量子化假设的基础上，普朗克得出了黑体辐射的强度按照波长分布的公式，根据公式得出的理论结果与实验结果完全相符。如图所示，曲线是根据普朗克公式得出黑体辐射强度按照波长分布的函数图像，小圆圈代表黑体辐射的实验值。从图像看出，两者符合性非常好。
4.普朗克的能量量子化假说的意义
(1)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，对现代物理学的发展产生了革命性的影响，成为物理学发展史上一个重大转折点。
(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征。
例3 一盏电灯发光功率为100 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长λ＝6.0×10－7m，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数约 (　　)
A．2×1017个　 B．2×1016个
C．2×1015个　 D．2×1023个
解析：光是电磁波，辐射能量也是一份一份地进行的，功率为100 W的电灯每秒产生光能E＝100 J，设电灯每秒发射的能量子数为n，E＝nhν＝nh，在以电灯为球心的半径为10 m的球面上，1 m2的面积每秒通过的能量子数为n′＝＝2.4×1017(个)．
答案：A