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高中物理 第2章 波和粒子 2.1 撥開黑體輻射的疑云學案 滬科版選修35

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1、 2.1 撥開黑體輻射的疑云 學習目標 重點難點 1.知道熱輻射、黑體和黑體輻射的概念。 2.記住黑體輻射的實驗規(guī)律。 3.會利用普朗克能量量子假說進行簡單計算和定性分析。 重點:普朗克能量量子化假說。 難點:黑體輻射的特點及規(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發(fā)射電磁波,溫度不同,所發(fā)射電磁波的頻率、強度也不同。物體溫度較低時,熱輻射的波長主要落在紅外區(qū)域,當溫度升高時,輻射的可見光所占份額增大。 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,又叫絕對黑體。 3.黑體輻射的實驗規(guī)律 黑體輻射

2、電磁波的強度按波長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)的極大值向波長較短的方向移動。 4.紫外災(zāi)難 如圖所示,維恩公式只是在短波部分與實驗相符,而在長波部分與實驗相差很大;瑞利公式是在長波部分與實驗吻合,但短波部分偏差較大,尤其在紫外線一端,當波長趨于零時,輻射本領(lǐng)將趨于無窮大,顯然這是荒謬的。 預(yù)習交流1 在莎士比亞的喜劇《威尼斯的商人》中,高利貸者夏洛克對什么東西都貪得無厭,人們說他是個“黑心人”,夏洛克貪的是金錢。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: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)習交流2 用溫度計測量水的溫度時,我們觀察到溫度計的示數(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),可以認為能量是連續(xù)變化的,故溫度計示數(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照的表格。 維恩公式 瑞利公式 理論依據(jù) 經(jīng)典熱力學理論 經(jīng)典電磁理論 成功之處 在短波部分與實驗吻合 在長波部分與實驗吻合 不足之處 在長波部分誤差明顯 在短波部分誤差明顯 請你分析說明,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驗規(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 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)黑體輻射的實驗規(guī)律,隨著溫度的升高,一方面各種波長的輻射本領(lǐng)都增加;另一方面,輻射本領(lǐng)的極大值向波長較短的方向移動,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,故B正確。 1.維恩理論和瑞利理論都只能從一個側(cè)面解釋黑體輻射實驗規(guī)律,是因為他們都是用經(jīng)典的物理理論做指導的。 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,因而可以較好地解釋黑體輻射實驗規(guī)律。 二、普朗克量子公式的應(yīng)用 如果知道電磁波的波長,我們怎樣計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 解析:紫外線的波長已知,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。 1.

7、光的顏色決定于光的頻率,要會根據(jù)光的頻率判斷光的顏色。 2.能把電磁波的波長、頻率跟能量子公式結(jié)合起來,即熟練掌握ε=Pt=nE、E=hν、c=λν(P為發(fā)射功率,t為發(fā)射時間,ε為總能量)。 1.對黑體輻射電磁波的波長分布的影響因素是( ?。?。 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:普朗克常量是一個定值,由實驗測得它的精確數(shù)值為6.626×10-34J·s,在記憶時關(guān)鍵要注意它的單位。 3.以下宏觀概念,哪些是“量子化”的( ?。? A.木棒的長度 B.物體的質(zhì)量 C.物體的動量 D.學生的個數(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D正確。 4.單色光從真空射入玻璃時,它的( ?。?。 A.波長變長,速度變小,光量子能量變小

9、B.波長變短,速度變大,光量子能量變大 C.波長變長,速度變大,光量子能量不變 D.波長變短,速度變小,光量子能量不變 答案:D 解析:因為光的頻率不變,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:材料的種類及表面狀況 解析:根據(jù)實驗得出結(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)。 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375

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