高中物理选修三 题库 第四章 第1节　普朗克黑体辐射理论

第1节普朗克黑体辐射理论[学习目标要求]1.了解黑体和黑体辐射的概念，了解黑体辐射和实验规律。2.了解能量子的概念，了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。一、黑体与黑体辐射1.黑体：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(1)定义：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。(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。3.黑体辐射的实验规律：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温度有关，如图所示。(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波长较短的方向移动。【判一判】(1)只有高温物体才能辐射电磁波。(×)(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。(√)二、能量子1.定义：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，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。2.表达式：ε＝hν。其中ν是带电微粒的振动频率，即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h称为普朗克常量。h＝6.62607015×10－34J·s。3.能量的量子化：微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。【判一判】(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(√)(2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。(√)探究1黑体及黑体辐射的理解1.一般物体与黑体的比较热辐射特点吸收、反射特点一般物体辐射电磁波的情况与温度、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①各种波长的辐射强度都有增加；②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。【例1】关于黑体及黑体辐射，下列说法正确的是()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与温度、材料的种类及表面状况都无关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，最终不能从空腔射出，这个带小孔的空腔就近似为一个黑体答案D解析有些黑体自身辐射电磁波，看起来还会很明亮，所以黑体不一定是黑的，故选项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，与材料的种类及表面状况无关，故选项B、C错误；电磁波最终不能从空腔射出，因此这个带小孔的空腔就近似为一个黑体，故选项D正确。【针对训练1】(2021·辛集市一中高二月考)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知，下列说法正确的是()A.随温度升高，各种波长的辐射强度都减小B.随温度降低，各种波长的辐射强度都增加C.随温度升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动D.随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动答案D解析随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。综上分析D正确，A、B、C错误。探究2能量子的理解和计算1.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。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。3.能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，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。【例2】氦—氖激光器发出波长为633nm的激光，当激光器的输出功率为1mW时，每秒发出的能量子数为()A.2.2×1015 B.3.2×1015C.2.2×1014 D.3.2×1014答案B解析一个能量子的能量为ε＝hν＝heq\f(c,λ)激光器功率为1mW时，每秒发出的能量子数为n＝eq\f(Pt,ε)＝eq\f(Ptλ,hc)＝eq\f(1×10－3×1×633×10－9,6.63×10－34×3×108)(个)＝3.2×1015(个)。【针对训练2】对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点，以下说法错误的是()A.以某一个最小能量值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C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的整数倍或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。1.(黑体和黑体辐射的理解)(2021·辽宁朝阳市模拟)“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。为了得出黑体辐射公式，下列哪位科学家首先把能量子引入物理学()A.普朗克 B.瑞利C.爱因斯坦 D.波尔答案A解析1900年年底普朗克大胆假设能量只能是最小能量值的整数倍，这个最小能量值叫作能量子，并把能量子引入物理学。故选项A正确。2．(黑体和黑体辐射的理解)关于黑体与黑体辐射，下列说法正确的是()A．一般物体辐射电磁波的情况与温度无关，只与材料的种类及表面情况有关B．黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波，同时也能发生反射C．带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍D．黑体辐射随着温度的升高，各种波长的辐射强度都减小且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动答案C解析一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关，但黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，A错误；黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，B错误；根据能量子的概念，带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍，C正确；黑体辐射随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，D错误。3．(能量子的理解和计算)关于普朗克“能量量子化”的假设，下列说法正确的是()A．认为带电微粒辐射或吸收能量时，是连续的B．认为能量值是连续的C．认为微观粒子的能量是量子化的、连续的D．认为微观粒子的能量是分立的答案D解析普朗克的理论认为带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份的，微观粒子的能量是量子化的，是分立的，故选项D正确。4.(能量子的理解和计算)硅光电池是将光辐射的能量转化为电能。若有N个波长为λ0的光子打在硅光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量，c为真空中的光速)()A.heq\f(c,λ0) B.Nheq\f(c,λ0)C.Nhλ0 D.2Nhλ0答案B解析一个光子的能量ε＝hν＝heq\f(c,λ0)，则N个光子的总能量E＝Nheq\f(c,λ0)，选项B正确。课时定时训练(限时20分钟)1.对黑体的认识，下列说法正确的是()A.黑体不仅能吸收电磁波，也能反射电磁波B.黑体是黑色的且其自身辐射电磁波C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除了与温度有关，还与材料的种类及其表面状况有关D.黑体是一种理想化模型，实际物体没有绝对黑体答案D解析黑体吸收电磁波而不发生反射，黑体自身向外辐射电磁波，不一定是黑色的，A、B错误；任何物体都会反射电磁波，只吸收不反射电磁波的物体实际是不存在的，黑体是一种理想化的模型，D正确；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，与材料的种类及其表面状况无关，C错误。2．下列叙述正确的是()A．高温物体才能辐射电磁波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与黑体温度无关D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波答案D解析根据热辐射的定义，A错误；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，B、C错误；根据黑体的定义知D正确。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()答案A解析由黑体辐射实验规律知温度越高，辐射越强，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，A正确，B、C、D错误。4.已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为()A.heq\f(c,λ) B.eq\f(h,λ)C.eq\f(c,hλ) D.以上均不正确答案A5.影响黑体辐射强度的因素是()A.只有温度 B.只有波长C.与波长和温度都有关 D.与波长和温度都无关答案C解析黑体辐射强度与波长和温度都有关系，故C正确。6.2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法错误的是()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.黑体的热辐射实质上是电磁辐射D.普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说答案B解析根据热辐射的定义，A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点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，而黑体辐射强度按波长的分布情况只与黑体的温度有关，B错误；普朗克在研究黑体辐射时最早提出了能量子假说，他认为能量是一份一份的，每一份是一个能量子，黑体辐射本质上是电磁辐射，故C、D正确。7.经测量，人体表面辐射本领的最大值落在波长为94μm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热力学温度的关系近似为Tλm＝2.90×10－2m·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。答案36℃2.12×10－21J解析人体辐射的能量子的值为E＝heq\f(c,λ)＝6.63×10－34×eq\f(3×108,94×10－6)J＝2.12×10－21J，人体表面温度为T＝eq\f(2.90×10－2,94×10－6)