湖北省咸宁市鄂南高级中学高二物理 优质预习全案 黑体与黑体辐射（A班）新人教版.doc

湖北省咸宁市鄂南高级中学高二物理 优质预习全案 黑体与黑体辐射（a班）新人教版 (如室温)，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波(在红外线区域)，不能引起人的视觉；当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，如燃烧的炭块会发出醒目的红光. 辐射的能量中包含各种波长的电磁波；物体温度越高，单位时间从物体表面单位面积上辐射的能量越大；在辐射的总能量中，各种波长所占的百分比不同.提示： 不要认为只有热的物体才发生热辐射，不要将热辐射和热传递中的辐射相提并论.2.绝对黑体(简称黑体) 在热辐射的同时，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波，如果一个物体能够完全吸收投射到其表面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.所谓“黑体”是指能够全部吸收所有频率的电磁辐射的理想物体.绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某种装置近似地代替.黑体是一个理想化的物理模型；黑体看上去不一定是黑的，有些可看作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也被当作黑体来处理.二、黑体辐射的实验规律1.对于一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关.而黑体的辐射规律最为简单，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；随着温度的升高，一方面黑体辐射各种波长电磁波的本领都有所增加，另一方面辐射本领的极大值向波长较短的方向移动.2.热辐射的“紫外灾难” 1900年英国物理学家瑞利从经典电磁理论出发推导出的热辐射公式，其预测的结果在长波部分与实验吻合，而在短波部分偏差较大，不但不符，而且当波长趋于零时，辐射竟变成无穷大，这显然是荒谬的.由于波长很小的辐射处在紫外线波段，故而由理论得出的这种荒谬结果被认为是物理学理论的灾难，当时称为“紫外灾难”.三、能量量子假说1.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h的整数倍，h称为一个能量量子，其中是谐振子的振动频率，h是一个常数，称为普朗克常量.2.普朗克常量：h=6.6310-34 js.3.意义：可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象.4.量子化现象：在微观世界中物理量分立取值的现象称为量子化现象.辨析比较 在宏观世界里，一个物理量的取值通常是连续的，但在微观世界里，物理量的取值很多时候是不连续的，只能取一些分立的值.联想发散 传统的电磁理论认为光是一种电磁波，能量是连续的，能量大小决定于波的振幅和光照时间，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释的困难而提出了能量子假说.四、光电效应的实验规律1.光电效应的实验探究 如图所示，用紫外光照射一块擦亮的与验电器相连接的锌板，会发现验电器的金属箔张开一个角度，说明光的照射使锌板带了电.用丝绸擦过的玻璃棒接触锌板，验电器张角更大，说明原来不带电的锌板在紫外线照射下带上了正电，表明电子在紫外线照射下逸出了锌板表面.2.定义：在光的照射下电子从物体表面逸出的现象，叫做光电效应.3.光电子：在光电效应中，逸出来的电子叫做光电子.4.光电效应的实验规律(1)实验探究实验原理和装置如图所示.(2)光电效应的实验规律存在着饱和电流.入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多.存在着遏止电压和截至频率a.遏止电压.定义：在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小，并且当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，我们把这时的电压称为遏止电压.用符号u表示. 遏止电压与入射光的强度无关，与入射光的频率有关，入射光频率越大，遏止电压越大.b.截至频率(也叫极限频率) 对于每一种金属，只有当入射光的频率大于某一频率0时，才会产生光电流，我们将0称为极限频率，其对应的波长称为极限波长. c.效应具有瞬时性.入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s.五、电磁理论解释的困难1.电磁理论对光照强度的解释：在光的照射下，物体内部的电子受到电磁波的作用做受迫振动.光越强，电磁波的振幅越大，对电子的作用越强，电子振动得越剧烈，因而，电子就越容易从物体内部逃逸出来.即入射光的能量由光强决定.2.电磁理论与光电效应实验规律的矛盾(1)光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，而不像电磁理论中应由入射光的强度决定.(2)光电效应产生的时间极短，电子吸收光的能量是瞬时完成的，而不像电磁理论所预计的那样能量要逐渐积累.经典电磁理论已经不能解释光电效应现象，只能用新的理论来解释光电效应现象.六、爱因斯坦的光电效应方程1.爱因斯坦的光子说1905年爱因斯坦在普朗克建立的量子理论的基础上利用光子说成功地解释了光电效应现象及规律.2.光子说 看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的光子组成的，每一个光子的能量为h(h是普朗克常量，h=6.6310-34 js,是光的频率).要点提示 光在发射和吸收时能量是一份一份的.3.光子 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为h，h为普朗克常量.这些能量子后来被称之为光子.光子假说是爱因斯坦把普朗克的能量量子化思想推广到辐射场的能量量子化，其光子概念是量子化思想的一个质的飞跃.4.光电效应方程 h=w0+ek5.对光电效应的解释(1)光电效应存在截至频率：光电效应的条件是光子的能量=h必须大于或至少等于逸出功w0，即=就是光电效应的截至频率.(2)入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s：一个电子只能接收一个光子的能量，若光子能量大于逸出功，则电子吸收后立即逸出光电子，几乎不需要时间；若光子能量小于逸出功，不能发生光电效应现象，无论照射时间多长，都不能逸出光电子.(3)光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流大.所以饱和电流与光强成正比.6.光强 入射光的强度是指单位时间内沿光传播方向上单位横截面积所通过的能量，即i=nh，其中n和的含义分别为单位时间内沿光传播方向上单位截面积通过的光子数和光子的频率，光的强度不但与n有关，也与有关.7.光子说的重要意义(1)光子说能很好地解释光电效应.(2)光由大量的微粒即光子构成，证实光确实具有粒子性.七、康普顿效应1.康普顿效应(1)x射线散射实验原理 如图所示，x射线管发出波长为0的x射线，通过小孔形成一束射线，投射到散射物石墨上，x射线在石墨上被散射，用x射线光谱仪可以测得被散射x射线的波长和强度.(2)实验结果19181922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对x射线的散射时，发现散射的x射线中，除有与入射线波长相同的射线外，还有波长比入射线波长更长的射线.人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应.光在介质中与物质微粒相互作用，光的传播方向发生改变的现象叫做光的散射.2.康普顿效应的理论与解释(1)美国物理学家康普顿在研究x射线通过金属、石墨等物质的散射时，发现在散射的x射线中，除了有与入射波长0相同的成分外，还有波长大于0的成分，人们把这种波长变长的现象叫做康普顿效应.(2)经典电磁理论的困难：散射前后光的频率不变，因而散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应出现0的散射光.(3)爱因斯坦的光子说：光子具有能量=h，光子具有动量p=.(4)康普顿用光子说成功解释了康普顿效应：他认为散射后x射线波改变，是x射线光子和物质中电子碰撞的结果，由于光子的速度是光速，非常大，而物质中的电子速度相对很小，因此可以看作电子静止，碰撞前后动量和能量都守恒，碰撞前后电子动量和能量增加，光子的动量和能量减小，故散射后光的波长变长.(5)康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性.巩固训练1.光在真空中的波长为,速度为c,普朗克常量为h现在以入射角由真空射入水中,折射角为r,则()a.rb.光在水中的波长为c.每个光子在水中的能量为d.每个光子在水中的能量为2、对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是 ( )a温度 b材料 c表面状况 d质量3、某激光器能发射波长为的激光，发射功率为p，真空中光速为c，普朗克常量为h，则该激光器每秒发射的光量子数为 ( )a b c d4已知某金属表面接受波长为和2的单色光照射时，释放出光电子的最大初动能分别为30 ev和10 ev，求能使此种金属表面产生光电效应的入射光的极限波长为多少？5. 用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应，这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是_，可能相同的是_，一定不相同的是_.a.光子的能量 b.金属的逸出功c.光电子动能 d.光电子最大初动能6.自然界中的物体由于具有一定的温度,会不断向外辐射电磁波,这种辐射与温度有关,称为热辐射.热辐射具有如下特点：辐射的能量中包含各种波长的电磁波；物体的温度越高,单位时间从物体表面单位面积上辐射的能量越大；在辐射的总能量中,各种波长所占的百分比不同处在一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时,也要吸收由其他物体辐射的电磁能量.如果它处在平衡状态,则能量保持不变若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响,我们定义一种理想的物体,它能100地吸收入射到其表面的电磁辐射,这样的物体称为黑体单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比,即p0=t4,其中常量=5.6710-8w(m2k4)在下面的问题中,把研究对象都简单地看做黑体有关数据及数学公式为：太阳半径rs=69600km,太阳表面温度t=5770k,火星半径r=3395km,球面积s=4r2,其中r为半径.(1)