《普朗克黑体辐射理论》教案

《普朗克黑体辐射理论》教案学习目标物理观念：知道黑体辐射、能量子的概念科学思维：掌握黑体辐射的规律，提高分析问题、解决问题的能力。科学探究：通过对黑体辐射的规律的探究，揭示实验规律，学会与他人合作交流，培养探究意识，提高实验能力。科学态度与责任：学会解释黑体辐射的规律，实事求是，理解能量子、光子，培养探索科学的兴趣。重点掌握黑体辐射的规律，理解能量子的概念，提高分析问题、解决问题的能力。难点掌握黑体辐射的规律，理解能量子的概念，提高分析问题、解决问题的能力。教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图新课导入一个烧红的铁片从中间到两边的颜色会发生变化，这种变化是由于什么引起的？物体由于具有温度会向周围辐射电磁波，温度不同，不同频率的电磁波辐射的强度不同，表现出不同的颜色。思考同一个烧红的铁片，产生不同颜色的原因是什么。结合生活中常见的现象，引出较为抽象的新知识。新课讲授一、黑体与黑体辐射物体表面能够吸收和反射外界射来的电磁波。如果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。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。这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。二、黑体辐射的实验规律黑体辐射：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。黑体辐射特征：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。特点：随温度的升高随着温度的升高，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。一般物体与黑体的比较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。经典物理学所遇到的困难解释实验曲线——一朵令人不安的乌云（1）维恩的半经验公式：短波符合，长波不符合。（2）瑞利—金斯公式：长波符合，短波荒唐。——紫外灾难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Maxwell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，物理学家开尔文勋爵作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。”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，……”三、能量子：超越牛顿的发现1900年10月，普朗克提出量子化理论，给予黑体辐射以完美的解释。普朗克认为，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。能量子的大小：ε=hν其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h=6.626×10-34J·s（一般取h=6.63×10-34J·s）普朗克能量子理论成功解释黑体辐射黑体辐射公式1900年10月19日，普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式。普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。1918年他荣获诺贝尔物理学奖。死后他的墓碑上只刻着他的姓名和h＝6.626×10－34J·s。年轻的爱因斯坦认识到了普朗克能量子假设的意义，他把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为hv，h为普朗克常量。这些能量子后来被叫作光子(photon)。课堂练习1.新冠肺炎防控中有一个重要环节是对外来人员进行体温检测，检测用的体温枪工作原理就是黑体辐射定律。黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知下列描述正确的是（A）A．随着温度升高，各种波长的辐射强度都有增加B．温度降低，可能部分波长的辐射强度会减小C．随温度升高，辐射强度的极大值向频率较小的方向移动D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动2.下列叙述错误的是(ACD)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3.(多选)根据黑体辐射的实验规律,以下判断正确的是(BCD)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4.关于黑体及黑体辐射，下列说法正确的是（B）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5.(多选)下列有关黑体和黑体辐射的说法正确的是（ABD）A.黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射B.黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)C.黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释D.黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释6.太阳光含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光，对这七种色光的认识正确的是（D）A.紫光的波长最长B.红光的能量子最强C.七种色光的能量均相同D.紫光的能量子最强理解黑体的概念。观察辐射强度和辐射波波长之间的关系图，并总结其特点。阅读材料，了解经典力学的局限性。了解科学前辈为科学的发展做出不懈努力。理解能量子的概念。阅读材料，了解科学家的历史。完成课堂练习。在介绍黑体过程中应强调黑体是一种理想化模型。让学生明白黑体是为了研究理想条件下，物体的辐射规律产生的。让学生自己总结规律，发现知识点，提高学生学习的独立性和自主性。帮助学生养成实事求是的科学精神和坚持不懈的科学态度。通过图片展示微观世界中能量是分立值的特点。课后篇素养形成必备知识基础练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.以上都正确答案A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。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答案B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。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εB.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,因而是错误的答案BC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。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答案ABD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。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答案C解析根据黑体辐射规律可知,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。关键能力提升练6.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答案C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。7.(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减小答案B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。8.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答案C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。9.某广播电台的发射功率为10kW,发射的是在空气中波长为187.5m的电磁波,则:(普朗克常量h=6.63×10-34J·s,光速c=3×108m/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2.5km处,直径为2m的球