第四章原子结构和波粒二象性
1.普朗克黑体辐射理论
课后篇巩固提升
基础巩固
1.对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是( )
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对。
答案A
2.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.牛顿提出的能量微粒说
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增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释,故B正确。
答案B
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
解析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,最小能量值ε=hν,B、C正确,A、D错误。
答案BC
4.(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是( )
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的整数倍一份一份地辐射或吸收的,是不连续的,故选项A、B、D正确,C错误。
答案ABD
5.很多地方用红外线热像仪监测人的体温,只要被测者从仪器前走,便可知道他的体温是多少,关于其原理,下列说法正确的是( )
A.人的体温会影响周围空气温度,仪器通过测量空气温度便可知道人的体温
B.仪器发出的红外线遇人反射,反射情况与被测者的温度有关
C.被测者会辐射红外线,辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关,温度高时辐射强且较短波长的成分强
D.被测者会辐射红外线,辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关,温度高时辐射强且较长波长的成分强
解析根据辐射规律可知,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,人的体温的高低,直接决定了辐射的红外线的频率和强度,通过监测被测者辐射的红外线的情况,就可知道这个人的体温,故C正确,A、B、D错误。
答案C
能力提升
1.对黑体的认识,下列说法中正确的是( )
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黑体的温度有关外,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黑体的温度有关,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,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体
解析由于黑体自身辐射电磁波,所以看上去不一定是黑的,所以选项A错误;由于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,所以选项B错误,选项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,而不是空腔成了一个黑体,所以选项D错误。
答案C
2.(2020江苏模拟)“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点。它是根据黑体辐射规律设计出来的,能将接收到的人体热辐射转换成温度显示。若人体温度升高,则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情况是( )
A.I增大,λ增大
B.I增大,λ减小
C.I减小,λ增大
D.I减小,λ减小
解析根据黑体辐射实验的规律可知,随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度I都有增强,另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故若人体温度升高,则人体热辐射强度I增大,辐射强度极大值对应的波长λ减小,故B正确,A、C、D错误。
答案B
3.黑体辐射的研究表明:辐射强度、波长分布与辐射体的温度有密切关系。此研究对冶金工业的迅速发展有巨大贡献,如图所示,图中画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系,从中可以看出( )
A.温度越高,辐射电磁波的波长越短
B.温度越低,辐射电磁波的波长越长
C.同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强
D.不同温度时辐射强度的最大值变化无规律可循
解析无论温度高低,黑体都会辐射所有波长的电磁波,故A、B错误;同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强,故C正确;温度升高,辐射强度的最大值向短波长、高频率的方向移动,故D错误。
答案C
4.某广播电台的发射功率为10
kW,发射的是在空气中波长为187.5
m的电磁波,则:(普朗克常量h=6.63×10-34
J·s,光速c=3×108
m/s)
(1)该电台每秒从天线发射多少个能量子?
(2)若发射的能量子在以天线为球心的同一球面上的分布视为均匀的,求在离天线2.5
km处,直径为2
m的球状天线每秒接收的能量子个数以及接收功率。
解析(1)每个能量子的能量
ε=hν=J=1.06×10-27
J
则每秒电台发射上述波长能量子数N==9.4×1030个
(2)设球状天线每秒接收能量子数为n个,以电台发射天线为球心,则半径为R的球面积S=4πR2,而球状天线的有效接收面积S'=πr2,所以n=N=N=9.4×1030×个=3.76×1023个
接收功率P收==3.76×1023×1.06×10-27
W=4×10-4
W。
答案(1)9.4×1030个 (2)3.76×1023个 4×10-4
W(共32张PPT)
1.普朗克黑体辐射理论
学习目标
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。
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。
思维导图
必备知识
自我检测
一、黑体与黑体辐射
1.黑体
(1)定义: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。
(2)黑体辐射特点: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。
必备知识
自我检测
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增加。
(2)随着温度的升高,辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动。
黑体辐射的实验规律
必备知识
自我检测
(3)维恩和瑞利的理论解释
①建立理论的基础:依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。
②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很大。
③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,由理论得出的荒谬结果被称为“紫外灾难”。
必备知识
自我检测
二、能量子
1.定义:普朗克认为,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,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.能量子大小:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。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量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。
必备知识
自我检测
1.正误判断
(1)黑体一定是黑色的物体。( )
(2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。( )
(3)温度越高,黑体辐射电磁波的强度越大。( )
(4)黑体是一种客观存在的物质。( )
(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。( )
(7)能量子是可以再分的。( )
(8)光滑水平桌面上匀速运动的小球的动能也是量子化的。( )
答案(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)× (8)×
必备知识
自我检测
2.(多选)以下宏观概念中,哪些是“量子化”的( )
A.物体的带电荷量
B.物体的质量
C.物体的动量
D.学生的个数
解析“量子化”是不连续的,是一份一份的,故选AD。
答案AD
必备知识
自我检测
3.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
解析黑体并不是真实存在的,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。
答案B
必备知识
自我检测
4.人眼对绿光较为敏感,正常人的眼睛接收到波长为530
nm的绿光时,只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔,
眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10-34
J·s,光速为3×108
m/s,则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率约是( )
A.2.3×10-18
W
B.3.8×10-19
W
C.7.0×10-10
W
D.1.2×10-18
W
答案A
探究一
探究二
随堂检测
黑体与黑体辐射
情境探究
1.煤烟很接近黑体,其吸收率为99%,即投射到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收,把一定量的煤烟置于阳光下照射,问它的温度是否一直在上升?
要点提示不会,因为随着能量不断吸收,还伴随着能量的辐射,最终将趋于平衡。
探究一
探究二
随堂检测
2.很多地方用红外热像仪监测人的体温,只要被测者从仪器前走过,便可获取他的体温。你知道其中的道理吗?
要点提示根据热辐射规律可知,人的体温的高低,直接决定了人辐射的红外线的频率和强度。因此通过监测被测者辐射的红外线的情况就知道这个人的体温。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.对黑体和黑体辐射的理解
(1)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,这个小孔就近似为一个绝对黑体。
(2)对黑体辐射的理解:一般物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领。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。
探究一
探究二
随堂检测
(3)一般物体与黑体的比较
(4)现实生活中不存在理想的黑体,实际的物体都能辐射红外线(电磁波),也都能吸收和反射红外线(电磁波),绝对黑体不存在,是理想化的模型。
项目
热辐射特点
吸收、反射特点
一般
物体
辐射电磁波的情况与温度有关,与材料的种类及表面状况有关
既吸收又反射,其能力与材料的种类及入射波长等因素有关
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
完全吸收各种入射电磁波,不反射
探究一
探究二
随堂检测
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)随着温度的升高,各种波长的辐射强度都会增加,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
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
探究一
探究二
随堂检测
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
规律方法
1.理解和熟记辐射强度随波长的变化关系图像是解答此类问题的关键。
2.黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关,与材料的种类和表面状况无关。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1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( )
探究一
探究二
随堂检测
解析黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量,温度越高,辐射越强越大,黑体辐射的波长分布情况也随温度而变化,温度越高,辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动,A选项正确。
答案A
探究一
探究二
随堂检测
能量子
情境探究
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?
要点提示能量量子化假设。
探究一
探究二
随堂检测
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?
要点提示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。
探究一
探究二
随堂检测
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。
探究一
探究二
随堂检测
(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。
闪光语录物体在发射或接收能量的时候,只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态,而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。
探究一
探究二
随堂检测
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。
探究一
探究二
随堂检测
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。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例2
经测量,人体表面辐射本领的最大值落在波长为940
μm处。根据电磁辐射的理论得出,物体最强辐射的波长与物体的绝对温度的关系近似为Tλm=2.90×10-1
m·K,由此估算人体表面的温度和辐射的能量子的值各是多少?(h=6.63×10-34
J·s)
答案36
℃ 2.12×10-22
J
规律方法
解决此类题目的关键是熟练掌握ε=hν、c=λν及E=nε=Pt等公式。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练2已知某种电磁波的波长为λ,在真空中电磁波的速度为c,普朗克常量为h,则电磁波辐射的能量子ε的值为( )
答案A
探究一
探究二
随堂检测
1.下列叙述错误的是( )
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
解析根据热辐射定义可知,A对;根据热辐射和黑体辐射的特点可知,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,而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关,B错,C对;根据黑体定义知D对。本题应选B项。
答案B
探究一
探究二
随堂检测
2.普朗克在1900年将“能量子”引入物理学,开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中,具有“量子化”特征的是( )
A.物体的个数
B.物体所受的重力
C.物体的动能
D.物体的长度
解析依据普朗克量子化观点,能量是不连续的,是一份一份地变化的,属于“不连续的,一份一份”的概念的是A选项,故A正确,B、C、D错误。
答案A
探究一
探究二
随堂检测
3.(多选)根据黑体辐射的实验规律,以下判断正确的是
( )
A.在同一温度下,波长越短的电磁波辐射强度越大
B.在同一温度下,辐射强度最大的电磁波的波长不是最大的,也不是最小的,而是处在最大与最小波长之间
C.温度越高,辐射强度的极大值就越大
D.温度越高,辐射强度最大的电磁波的波长越短
解析在同一温度下,辐射强度最大的电磁波的波长不是最大的,也不是最小的,而是处在最大与最小波长之间,故A错误,B正确;黑体辐射的强度与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,且辐射强度的极大值也就越大,C正确;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,故D正确,故选B、C、D。
答案BCD
探究一
探究二
随堂检测
4.二氧化碳能很好地吸收红外长波辐射,这种长波辐射的波长范围约是1.43×10-3~1.6×10-3
m,相应的能量的范围是 。(已知普朗克常量h=6.6×10-34
J·s,真空中的光速c=3.0×108
m/s,结果取两位有效数字)?
解析由c=λν,得
,代入数据得频率范围为
1.88×1011~2.1×1011
Hz,又由ε=hν得能量范围为
1.2×10-22~1.4×10-22
J。
答案1.2×10-22~1.4×10-22
J
