学沪科版选修35 2.1拨开黑体辐射的疑云 课件（5）（44张）.ppt

第2章波和粒子 第2章波和粒子 2 1拨开黑体辐射的疑云 1 了解什么是热辐射及热辐射的特性 了解黑体与黑体辐射 难点 2 了解黑体辐射的实验规律 了解黑体热辐射的强度与波长的关系 重点 3 了解能量子的概念 重点 一 第二朵 乌云 紫外灾难 1 热辐射实验表明 物体在任何温度下 都会发射 温度不同 所发射的 的频率 强度也不同 物理学中把这种现象叫做热辐射 电磁波 电磁波 物体的温度较低时 热辐射的波长主要落在 区域 当温度升高时 辐射的 所占的份额增大 2 黑体除了热辐射之外 物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波 如果某种物体能够完全 投射到其表面的电磁波而不产生 这种物体就是 简称 红外 可见光 吸收 反射 绝对黑体 黑体 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只与黑体的 有关 如图所示 温度 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 的方向移动 4 紫外灾难如图中 维恩公式只是在 与实验相符 而在长波部分与实验相差很大 瑞利公式是在 与实验吻合 短 增加 较短 短波部分 长波部分 波部分偏差较大 尤其在 一端 紫外线 想一想1 黑体是黑色的吗 热辐射的物体温度一定很高吗 提示 我们所说的黑体并不是指物体的颜色 它是指能完全吸收电磁波的物体 一些发光的物体 如太阳 白炽灯丝 也被当作黑体处理 所以黑体不一定是黑色的 热辐射不一定需要高温 任何温度的物体都存在热辐射 只是温度的高低影响辐射的波长和强弱 二 普朗克假设驱 乌云 1 量子化假设黑体的空腔壁是由大量振子 振动着的带电微粒 组成的 其能量e只能是某一最小能量值h 的 倍 即e nh n 1 2 3 当振子辐射或吸收能量时 也是以这个最小能量值为单位 地进行 整数 一份一份 2 能量子 1 定义 不可再分的最小能量值e 2 关系式 e h 式中 是 h是 且h 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 这种现象叫做能量的量子化 振子的频率 普朗克常量 6 63 10 34j s 4 量子化假设的意义传统的电磁理论认为光是一种 能量是 的 能量大小决定于波的 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 而提出了能量量子假设 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 电磁波 连续变化 频率 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 想一想2 由能量的量子化假设可知 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 为什么不是一段一段的而是连续的 试解释其原因 提示 由于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设 而大量粒子则显示出了能量的连续性 故我们平时看到的物体的温度升高或降低不是一段一段的 而是连续的 学案导引1 热辐射有什么特点 2 黑体辐射与一般物体的辐射有什么区别 3 黑体辐射满足什么规律 1 对热辐射的理解 1 在任何温度下 任何物体都会发射电磁波 2 辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同 这是热辐射的一种特性 3 在一定温度下 不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同 2 一般物体的辐射与黑体辐射的比较 特别提醒 1 热辐射不一定需要高温 任何物体任何温度均存在热辐射 只是温度越高 辐射的能量越多 电磁波的短波成分越多 2 并不是所有的发光都是热辐射 如激光 日光灯发光不是热辐射 3 黑体辐射的实验规律 1 黑体辐射的实验规律如图画出四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系 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 2 黑体辐射实验规律的理论解释 物体中存在着不停运动的带电粒子 每个带电粒子的振动都产生变化的电磁场 从而产生电磁辐射 根据热力学和电磁学的知识 德国物理学家维恩 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 维恩公式在短波区与实验非常接近 在长波区则与实验偏差很大 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 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在紫外线波段 故上述荒谬结果被称为 紫外灾难 在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔 小孔可看成黑体 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 t2b t1 t2 c 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 思路点拨 熟记黑体辐射的实验规律是解决本题的关键 精讲精析 一般材料的物体辐射能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 全部吸收任何波长的辐射的物体 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 1 2 t1 t2 本题正确选项为a d 答案 ad 规律总结 黑体完全吸收电磁波而不反射 同时其本身也辐射电磁波 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关 与其他因素无关 变式训练1 下列叙述正确是 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 选acd 根据热辐射的定义 a正确 因为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 故b错误 c正确 根据黑体的定义知d正确 学案导引1 普朗克量子化假设的内容是什么 2 量子化假设的意义是什么 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h 的整数倍 例如 可能是h 或2h 3h 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h 叫做能量子 2 能量子公式 e nh n 1 2 3 是电磁波的频率 h是一个常量 称为普朗克常量 其值为h 6 63 10 34j 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 这种现象叫做能量的量子化 2 普朗克的量子化假设的意义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 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 普朗克与爱因斯坦 玻尔一起 被称为量子论的三个奠基人 特别提醒 当微观粒子在吸收 或辐射 能量的时候 振子只能从某一能量状态飞跃地过渡到其他能量状态 而不能停留在不符合这些能量公式的任何中间状态 因而吸收 或辐射 的能量也只能是h 的整数倍 神光 装置是我国规模最大的高功率固体激光系统 利用它可获得能量为2400j 波长 0 35 m的紫外激光 已知普朗克常量h 6 63 10 34j s 则该紫外激光所含能量子数为多少 思路点拨 紫外线的波长已知 由c e h 求得紫外线能量子的值 再根据激光发射的总能量为2400j 即可求得紫外激光所含能量子数 答案 4 23 1021 个 规律总结 电磁波在真空中的波速c等于电磁波波长 与电磁波频率 的乘积 变式训练2 光是一种电磁波 可见光的波长的大致范围是400 700nm 400nm 700nm电磁辐射的能量子的值各是多少 答案 4 97 10 19j2 84 10 19j 黑体温度的计算方法 经典案例 10分 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 太阳半径rs 696000km 太阳表面温度t 5770k 火星半径r 3395km 球面积s 4 r2 其中r为球半径 太阳表面单位面积的辐射功率为 t4 1 太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为2 10 7 1 10 5m范围内 求相应的频率范围 2 每小时从太阳表面辐射的总能量为多少 3 火星受到来自太阳的辐射可以认为垂直射到面积为 r2 r为火星半径 的圆盘上 已知太阳到火星的距离约为太阳半径的400倍 忽略其他天体及宇宙空间