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1、
2.1 撥開(kāi)黑體輻射的疑云
學(xué)習(xí)目標(biāo)
重點(diǎn)難點(diǎn)
1.知道熱輻射、黑體和黑體輻射的概念。
2.記住黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。
3.會(huì)利用普朗克能量量子假說(shuō)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算和定性分析。
重點(diǎn):普朗克能量量子化假說(shuō)。
難點(diǎn):黑體輻射的特點(diǎn)及規(guī)律。
一、第二朵“烏云”——“紫外災(zāi)難”
1.熱輻射現(xiàn)象:物體在任何溫度下都會(huì)發(fā)射電磁波,溫度不同,所發(fā)射電磁波的頻率、強(qiáng)度也不同。物體溫度較低時(shí),熱輻射的波長(zhǎng)主要落在紅外區(qū)域,當(dāng)溫度升高時(shí),輻射的可見(jiàn)光所占份額增大。
2.黑體:是指能夠完全吸收投射到其表面的電磁波而不發(fā)生反射的物體,又叫絕對(duì)黑體。
3.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
黑體輻射
2、電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān),如圖所示。
由圖可以看出:
(1)隨著溫度的升高,黑體輻射各種波長(zhǎng)電磁波的輻射本領(lǐng)都增大;
(2)隨著溫度的升高,輻射本領(lǐng)的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。
4.紫外災(zāi)難
如圖所示,維恩公式只是在短波部分與實(shí)驗(yàn)相符,而在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)相差很大;瑞利公式是在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)吻合,但短波部分偏差較大,尤其在紫外線一端,當(dāng)波長(zhǎng)趨于零時(shí),輻射本領(lǐng)將趨于無(wú)窮大,顯然這是荒謬的。
預(yù)習(xí)交流1
在莎士比亞的喜劇《威尼斯的商人》中,高利貸者夏洛克對(duì)什么東西都貪得無(wú)厭,人們說(shuō)他是個(gè)“黑心人”,夏洛克貪的是金錢(qián)。那么“黑體”貪的是什么呢?黑體一定是黑色的
3、嗎?
答案:“黑體”貪的是電磁波 黑體不一定是黑色的。
二、普朗克假設(shè)驅(qū)“烏云”
1.能量量子化假說(shuō):黑體的空腔壁是由大量振子組成的,其能量只能是某一最小能量值hν的整數(shù)倍。
2.能量子:黑體振子輻射或吸收的能量是不連續(xù)的,每一份最小能量hν叫能量子,其中ν是振子的頻率,h是普朗克常量,且h=6.63×10-34 J·s。
預(yù)習(xí)交流2
用溫度計(jì)測(cè)量水的溫度時(shí),我們觀察到溫度計(jì)的示數(shù)是連續(xù)變化的,而不是一段一段躍變的,這和能量量子化矛盾嗎?
答案:不矛盾。能量量子的值很小,在宏觀世界里觀察不到量子效應(yīng),可以認(rèn)為能量是連續(xù)變化的,故溫度計(jì)示數(shù)連續(xù)變化。在微
4、觀世界必須利用能量量子化理論。
一、“紫外災(zāi)難”的分析
下面是維恩公式和瑞利公式對(duì)照的表格。
維恩公式
瑞利公式
理論依據(jù)
經(jīng)典熱力學(xué)理論
經(jīng)典電磁理論
成功之處
在短波部分與實(shí)驗(yàn)吻合
在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)吻合
不足之處
在長(zhǎng)波部分誤差明顯
在短波部分誤差明顯
請(qǐng)你分析說(shuō)明,維恩理論和瑞利理論為什么都不能很好地解釋黑體輻射的規(guī)律?
答案:維恩和瑞利都是利用經(jīng)典理論得出的結(jié)論解釋黑體輻射,都認(rèn)為能量是連續(xù)的,而黑體輻射能量是不連續(xù)的,是量子化的。
能正確解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是( ?。?。
A.能量的連續(xù)經(jīng)典理論
B.普朗克提出的能量量子化理論
5、
C.牛頓提出的能量微粒說(shuō)
D.以上三種理論體系任何一種都能解釋
答案:B
解析:根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,隨著溫度的升高,一方面各種波長(zhǎng)的輻射本領(lǐng)都增加;另一方面,輻射本領(lǐng)的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng),只能用普朗克提出的能量量子化理論才能得到較滿意的解釋?zhuān)蔅正確。
1.維恩理論和瑞利理論都只能從一個(gè)側(cè)面解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律,是因?yàn)樗麄兌际怯媒?jīng)典的物理理論做指導(dǎo)的。
2.普朗克引入了“能量量子化”,吻合了微觀領(lǐng)域的能量輻射的特點(diǎn),因而可以較好地解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律。
二、普朗克量子公式的應(yīng)用
如果知道電磁波的波長(zhǎng),我們?cè)鯓佑?jì)算出它的能量量子值?
答案:可以先用公式c=λν求
6、出電磁波的頻率ν=,然后再利用E=hν求電磁波的能量量子值。
神光“Ⅱ”裝置是我國(guó)規(guī)模最大的高功率固體激光系統(tǒng),利用它可獲得能量為2 400 J、波長(zhǎng)λ=0.35 μm的紫外激光。已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s,則該紫外激光所含光子數(shù)為多少?
答案:4.23×1021 個(gè)
解析:紫外線的波長(zhǎng)已知,由此可求得紫外線能量子的值,再根據(jù)激光發(fā)射的總能量為2 400 J,即可求得紫外激光所含光子數(shù)。
紫外激光能量子的值為E0== J=5.68×10-19 J
則該紫外激光所含光子數(shù) n===4.23×1021 個(gè)。
1.
7、光的顏色決定于光的頻率,要會(huì)根據(jù)光的頻率判斷光的顏色。
2.能把電磁波的波長(zhǎng)、頻率跟能量子公式結(jié)合起來(lái),即熟練掌握ε=Pt=nE、E=hν、c=λν(P為發(fā)射功率,t為發(fā)射時(shí)間,ε為總能量)。
1.對(duì)黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)分布的影響因素是( ?。?
A.溫度 B.材料
C.表面狀況 D.以上都正確
答案:A
解析:根據(jù)黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)分布的決定因素得,其只與溫度有關(guān)。
2.普朗克常量是自然界的一個(gè)基本常數(shù),它的數(shù)值是( )。
A.6.02×10-23 mol B.6.625×10-3 mol&
8、#183;s
C.6.626×10-34 J·s D.1.38×10-16 mol·s
答案:C
解析:普朗克常量是一個(gè)定值,由實(shí)驗(yàn)測(cè)得它的精確數(shù)值為6.626×10-34J·s,在記憶時(shí)關(guān)鍵要注意它的單位。
3.以下宏觀概念,哪些是“量子化”的( )。
A.木棒的長(zhǎng)度 B.物體的質(zhì)量
C.物體的動(dòng)量 D.學(xué)生的個(gè)數(shù)
答案:D
解析:所謂“量子化”應(yīng)該是不連續(xù)的,一份一份的,故選項(xiàng)D正確。
4.單色光從真空射入玻璃時(shí),它的( )。
A.波長(zhǎng)變長(zhǎng),速度變小,光量子能量變小
9、B.波長(zhǎng)變短,速度變大,光量子能量變大
C.波長(zhǎng)變長(zhǎng),速度變大,光量子能量不變
D.波長(zhǎng)變短,速度變小,光量子能量不變
答案:D
解析:因?yàn)楣獾念l率不變,光量子的能量不變;再根據(jù)折射率n==可知,光的速度變小,波長(zhǎng)變短。
5.一般材料的物體,輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外,還與________有關(guān)。
答案:材料的種類(lèi)及表面狀況
解析:根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,一般材料的物體,輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外,還與材料和材料的表面狀況有關(guān)。
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