4.1 普朗克黑体辐射理论（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性
第1节 普朗克黑体辐射理论
教学设计
问题与目标
1.了解黑体及黑体辐射的概念。
2.了解黑体辐射的实验规律，知道黑体辐射的强度与波长的关系。
3.理解能量子的概念并能进行简单的应用。
重点与难点
重点
1.黑体辐射的实验规律。
2.能量子的概念。
难点
1.黑体辐射的实验规律的理解。
2.能量子的概念的理解。
教学准备
教师要求
多媒体课件。
学生要求
预习新课，回顾以前所学的热辐射的相关知识；查阅资料，了解能量子的有关知识。
教学过程
一、导入新课
19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功。在机械运动方面不用说。在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的麦克斯韦方程。另外，还找到了力、电、光、声等都遵循的规律——能量转化与守恒定律。
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。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（W.汤姆孙）做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。”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。”
这两朵乌云是指什么呢 一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成了一场革命的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花，即普朗克量子力学的诞生和相对论的问世。这两大理论的发现使得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。
二、新课教学
环节一：黑体与黑体辐射
问题1：一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的亮度相比，你会发现什么？为什么？从远处观察，会发现窗内很暗。这是因为从外界射来的光线，经窗口射入室内，大部分光线要在室内经过多次反射，才可能有机会射出窗口。在多次反射的过程中，大部分光线被吸收掉了，再从窗口射出的光线将是很少的。
思考：如果射人楼房内的光线全部被吸收掉，没有任何光线从窗口射出，我们看到的楼房内将是什么情况
将看不到楼房内的任何物体。
板书：(1)黑体：如果某种物体能够完全吸收人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。
思考：在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会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个带小孔的空腔能否看成黑体
能近似看成黑体。
问题2：围坐在火炉旁边会有什么感觉？为什么
围坐在火炉旁会感到很热。这是由于火炉不断地向外辐射电磁波。
问题3：投在炉中的铁块一开始是什么颜色 过一会儿又是什么颜色 说明了什么
随着温度的升高，投在炉中的铁块逐渐由暗红色，变为赤红，变为橘红，最后变为黄白色。说明同一物体辐射电磁波的波长随温度的升高，较短波长的部分越来越强。
板书：(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，而对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除了与温度有关，还与材料的种类及表面状况有关。
环节二：黑体辐射的实验规律
问题：利用分光技术和热电偶等设备，可以测出黑体辐射电磁波的强度按波长分布的情况，如图所示为四种温度下黑体辐射电磁波的强度与波长的关系，根据下图说一说黑体辐射的规律有哪些
(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加。
(2)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。
思考：怎样解释黑体辐射的实验规律呢
在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热学和电磁学的知识来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别在1896年1900年提出了辐射强度按波长分布的理论公式。他们提出的公式都只能解释一部分实验现象。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。(如图所示)。
普朗克的解释：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。于是，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。
环节三：能量子
阅读教材第69页“能量子”的相关内容，了解普朗克的观点。
(1）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。可能是ε或2ε、3ε……普朗克把这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子的表达式为ε=hν，这里的ν是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为h=6.62607015×10-34J·s。
问题：由能量量子化假说可知，能量是一份一份的，而不是连续的。但我们平时见到的宏观物体的温度升高或降低，为什么是连续的，而不是一段一段的
宏观物体是由大量微粒组成的，每一个粒子的能量是一份一份的，这符合能量量子化假说，而大量粒子则显示出了能量的连续性。
思考：能量子假说的意义是什么
普朗克的能量子假说，提出了能量量子化的观点，打破了“能量是连续变化的”的传统观念，使人们对微观世界有了一个全新的认识。
三、课堂小结
1.黑体与黑体辐射
(1)黑体：只吸收，不反射。
(2)黑体辐射：只与温度有关。
2.实验规律
随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加；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。
3.能量子
(1)普朗克假设：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e的整数倍。
(2）能量子表达式：ε=hν。
(3)普朗克常量：h=6.62607015×10-34J·s。
四、作业设计
课堂练习
1.关于黑体及黑体辐射，下列说法正确的是( )
A.黑体是真实存在的
B.普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元
C.随着温度升高黑体辐射的各波长的强度有些会增强，有些会减弱
D.黑体辐射无任何实验依据
2.下列关于热辐射和黑体辐射的说法不正确的是（ ）
A.一切物体都在辐射电磁波
B.一般物体辐射电磁波的强度与温度无关
C.随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
3.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. B. C. D.
4.关于对黑体的认识，下列说法正确的是( )
A.黑体是黑色的，且其自身辐射电磁波
B.黑体辐射电磁波的强度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
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，这个空腔就成了一个黑体
答案以及解析
1.答案：B
解析：黑体并不是真实存在的，故A错误；普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元，故B正确；随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，故C错误；黑体辐射是有实验依据的，故D错误。
2.答案：B
解析：—切物体都在不停地辐射电磁波,但一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关,黑体是一种理想模型,能够完全吸收入射的各种波长的电磁波,且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。故选项B错误,选项ACD正确。
3.答案：A
解析：黑体辐射电磁波，温度越高，辐射越强，故B、D错误。随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故C错误，A正确。
4.答案：C
解析：黑体自身辐射电磁波，但不一定是黑色的，故A错误；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，故B错误，C正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔，故D错误。
板书设计
第1节普朗克黑体辐射理论
1.黑体与黑体辐射
(1)黑体：如果某种物体能够完全吸收人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。
(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。
(3)黑体辐射的特点：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，而对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除了与温度有关，还与材料的种类及表面状况有关。
2.黑体辐射的实验规律
(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加。
(2)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。
3.能量子
(1)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。可能是ε或2ε、3ε……普朗克把这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子的表达式为ε=hν，这里的ν是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为h=6.62607015×10-34J·s。
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