【高中物理】普朗克黑体辐射理论课件 2022-2023学年高二物理（人教版2019选择性必修第三册）.pptx

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1、 4.1 普朗克黑体辐射理论普朗克黑体辐射理论 量子论量子论使人们认识了微观世界的运动规律，并发展了一系列对原子、分子等使人们认识了微观世界的运动规律，并发展了一系列对原子、分子等微观粒子进行有效操控和测量的技术。图为利用扫描隧道显微镜将微观粒子进行有效操控和测量的技术。图为利用扫描隧道显微镜将4848个铁原子排个铁原子排成的成的“原子围栏原子围栏”。那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的？。那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的？新课导入想一想 炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理？答答案案：根根据据热热辐辐射射的的规规律律可可知知，当当物物体体的

2、的温温度度升升高高时时，热热辐辐射射中中较较短短波波长长的的成成分分越越来来越越强强，可可见见光光所所占占份份额额增增大大，温温度度越越高高红红光光成成分分越越少少，频频率率比比红红光光大大的的其其他他颜颜色色的的光光，如如橙橙、黄黄、蓝蓝、绿绿等等光光的的成成分分就就增增多多。因因此此可可根根据据炉炉内内的的颜颜色色大大致致估估计计炉炉内内的温度。的温度。1、黑体与黑体辐射、黑体与黑体辐射热辐射热辐射固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为的分子、原子受到激发而发

3、射电磁波的现象称为热辐射热辐射。所辐射电磁波的特征与所辐射电磁波的特征与温度温度有关。有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K热辐射的应用：热辐射的应用：红红外外测测温温仪仪利用红外成像探测铀矿利用红外成像探测铀矿红外夜视仪红外夜视仪楼房内的亮度与楼房外墙的亮度相比,你会发现什么?为什么?答案:外墙比房内亮度大;因为外墙和房内的物体均不发光,它们的亮度取决于反射光的强度,外墙反射的光较强,所以看起来更亮,而从窗户射入的光经过室内墙壁的多次反射和吸收,能从窗户射出的光极弱,所以房内看起来较暗.思考:能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、折

4、射和透射的物体称为能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、折射和透射的物体称为绝对黑体绝对黑体。简称黑体简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作可近似看作黑体黑体。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。2.2.2.2.黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律不透明材料空腔不透明材料空腔开开一一小小孔孔3 3、黑体辐射测量系统示意图、黑体辐射测量系统示意图黑体（小孔表面）黑体（小孔表面）集光透镜集光透镜平行光管平行光管分光元件分光元件会聚透镜及探头会聚透镜及探头 分分光

5、元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。一般物体与黑体的比较一般物体与黑体的比较项项目目热辐射特点热辐射特点吸收、反射特点吸收、反射特点一般物体一般物体黑体黑体辐射电磁波的情况与温度有关辐射电磁波的情况与温度有关,与材料的种类及表面状况有关与材料的种类及表面状况有关既吸收又反射既吸收又反射,其能力与材料的其能力与材料的种类及入射波长等因素有关种类及入射波长等因素有

6、关辐射电磁波的强度按波长的分辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关布只与黑体的温度有关完全吸收各种入射电磁波完全吸收各种入射电磁波,不反射不反射(多选)(2020江苏宿迁模拟)关于黑体和黑体辐射，下列叙述正确的是()A爱因斯坦通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一B黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波，不反射电磁波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D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长的方向移动典例典例1BC思思路路点点拨拨：解决此类问题，要熟知黑体和黑体辐射的概念，并充分理解黑体辐射的相关规律。解解析析：普

7、普朗朗克克通通过研研究究黑黑体体辐射射提提出出能能量量子子的的概概念念，成成为量量子子力力学学的的奠奠基基人人之之一一，故故A错误；根根据据黑黑体体的的特特点点可可知知，黑黑体体能能完完全全吸吸收收入入射射的的各各种种波波长的的电磁磁波波，不不反反射射电磁磁波波，故故B正正确确；黑黑体体辐射射电磁磁波波的的强度度按按波波长的的分分布布只只与与黑黑体体的的温温度度有有关关，温温度度升升高高时，黑黑体体辐射射强度度的的极极大大值向波向波长较短的方向移短的方向移动，故，故C正确，正确，D错误。1(多选)关于对热辐射的认识，下列说法正确的是()A温度越高，物体辐射的电磁波越强B冷的物体只吸收电磁波C辐

8、射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料的种类及表面状况无关D常温下看到的不透明、非发光物体的颜色是反射光的颜色对点训练对点训练AD解解析析：一一切切物物体体都都在在不不停停地地向向外外辐射射电磁磁波波，且且温温度度越越高高，辐射射的的电磁磁波波越越强，A正正确确，B错误；选项C是是黑黑体体辐射射的的特特性性，C错误；常常温温下看到的不透明、非下看到的不透明、非发光物体的光物体的颜色是反射光的色是反射光的颜色，色，D正确。正确。2.对黑体的认识对黑体的认识,下列说法正确的是下列说法正确的是（）A.黑体只吸收电磁波黑体只吸收电磁波,不反射电磁波不反射电磁波,看上去是黑的看上去是黑的B.黑

9、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,还与材还与材料的种类及表面状况有关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,与材料的与材料的种类及表面状况无关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射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体这个空腔就成了一个黑体C对点训练对点训练解析解析：由于黑体自身

10、辐射电磁波由于黑体自身辐射电磁波,所以看上去不一定是黑的所以看上去不一定是黑的,所以选项所以选项A错误错误;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,所所以选项以选项B错误错误,选项选项C正确正确;小孔只吸收电磁波小孔只吸收电磁波,不反射电磁波不反射电磁波,因此是小孔因此是小孔成了一个黑体成了一个黑体,而不是空腔成了一个黑体而不是空腔成了一个黑体,所以选项所以选项D错误错误.答案答案：C想一想：为什么想一想：为什么要研究黑体辐射？要研究黑体辐射？一般一般材料的物体的辐射：除与温度有关外，还与材材料的物体的辐射：除与温度有关外，

11、还与材料的种类及表面状况有关。黑体辐射规律只与黑体的温料的种类及表面状况有关。黑体辐射规律只与黑体的温度有关。所以，度有关。所以，研究黑体辐射的规律是了解一般物体热研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。辐射性质的基础。测量测量黑体辐射的实验原理：黑体辐射的实验原理：加热加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。辐射强度：辐射强度：单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。斯特藩

12、斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K辐射强度辐射强度3.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体辐射实符合黑体辐射实验规律的是验规律的是（）解析解析：黑体辐射规律黑体辐射规律:随着温度的升高随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都有一方面各种波长的辐射强度都有增加增加,另一方面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动另一方面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.据此规律可知据此规律可知A图正确图正确.答案答案：A对点训练对点训练4.下列叙述正确的是下列叙述正确的是（）A

13、.一切物体都在辐射电磁波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黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波ACD对点训练对点训练解析解析：根据热辐射的定义知根据热辐射的定义知,选项选项A正确正确;根据热辐射和黑体辐射的特点根据热辐射和黑体辐射的特点知知,一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外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还与材料种类和表面状况有关况有关,而黑体辐射只与黑体

14、的温度有关而黑体辐射只与黑体的温度有关,故选项故选项B错误错误,选项选项C正确正确;根据根据黑体的定义知选项黑体的定义知选项D正确正确.答案答案：ACD经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难解释实验曲线解释实验曲线1）维恩的半经验公式：）维恩的半经验公式：公式公式适合于短波波段适合于短波波段，长波波段与实验偏离。，长波波段与实验偏离。公式只公式只适用于长波段适用于长波段,而在紫外区与实验不符而在紫外区与实验不符,-,-紫外灾难紫外灾难2）瑞利）瑞利-金斯公式：金斯公式：玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数k=1.380658 10-23J/K实验实验T=1646k维恩瑞利维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线

15、金斯线实验实验瑞利瑞利-琼斯线琼斯线维恩线维恩线T=1646k普朗克线普朗克线普朗克的拟合结果普朗克的拟合结果3.能量子：超越牛顿的发现能量子：超越牛顿的发现 普朗克普朗克找到了一个数学公式找到了一个数学公式，它它与实验吻合得非常完美与实验吻合得非常完美。3.3.能量子能量子 超越牛顿的发现超越牛顿的发现=h 能量能量量子量子经典经典h=6.62610-34J.s普朗克的量子化假设的意义普朗克的量子化假设的意义(1)普朗克的能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,对现代物理学的对现代物理学的发展产生了革命性的影响。成为物理学发展史

16、上一个重大转折点发展产生了革命性的影响。成为物理学发展史上一个重大转折点.(2)普朗克常量普朗克常量h是自然界最基本的常量之一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它体现了微观世界的基本特征.(1)功率为P的光源向四周发出光子，光速为c，光波的波长为，普朗克常量为h，求每秒发出的光子数。(2)在离光源d处有一挡板挡光，设挡板对光是完全吸收的，且挡板正对光源，求光子在单位面积挡板上的光子数。典例典例 2思路点拨：对辐射功率为P的光源辐射能量时建立球面模型进行求解。5下列宏观概念中，是量子化的为()A物体的质量B弹簧振子的能量C汽车的个数D卫星绕地球运行的轨道对点训练对点训练C解析：

17、所谓“量子化”是指不连续的情况，而选项A、B、D作为宏观物体的特性，具有连续性，汽车个数不具有连续性。1(多选)(2021甘肃张掖临泽县第一中学高二期中)根据黑体辐射的实验规律，以下判断正确的是()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波长不是最大的，也不是最小的，而是处在最大波长与最小波长之间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BCD小试牛刀解解析析：在在同同一一温温度度下下，辐射射强度度最最大大的的电磁磁波波波波长不不是是最最大大的的，也也不不是是最最小小的的，而而是是处在在最最大大波波长与与最最小小波波长之

18、之间，故故A错误，B正正确确；黑黑体体辐射射强度度与与温温度度有有关关，温温度度越越高高，黑黑体体辐射射的的强度度越越大大，则辐射射强度度的的极极大大值也也就就越越大大，故故C正正确确；随随着着温温度度的的升升高高，黑黑体体辐射射强度度的的极极大大值向波向波长较短的方向移短的方向移动，故，故D正确。正确。2(多选)(2021江苏常州期末)如图所示为关于黑体辐射的图像，下列判断正确的是()AT1T2T3T3BT1T2T3T4C测量某黑体辐射强度最强的光的波长可以得知其温度D测量某黑体辐射的任一波长的光的辐射强度可以得知其温度BC小试牛刀解解析析：因因随随着着温温度度的的升升高高，辐射射强度度增增

19、强，同同时辐射射强度度的的极极大大值向向波波长较短短的的方方向向移移动，所所以以T1T2T3T4，故故A错误，B正正确确。测量量某某黑黑体体辐射射强度度最最强的的光光的的波波长可可以以得得知知其其温温度度，而而不不同同温温度度的的黑黑体体可可以以辐射出相同波射出相同波长的的电磁波，故磁波，故C正确，正确，D错误。3(多选)(2020上海高三二模)1900年德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出了一个大胆的假说，即能量子假说。下列说法中属于能量子假说内容的是()A物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的B能量子假说中将每一份能量单位，称为“能量子”C能量子假说中的能量子的能量

20、Eh，为辐射的频率，h为普朗克常量D能量子假说认为能量是连续的，是不可分割的ABC小试牛刀解解析析：能能量量子子假假说认为，物物质发射射(或或吸吸收收)能能最最时，能能量量不不是是连续的的，而而是是一一份份一一份份进行行的的，每每一一份份能能量量单位位，称称为“能能量量子子”，能能量量子子的能量的能量Eh，为辐射的射的频率，率，h为普朗克常量，故普朗克常量，故D错误，ABC正确。正确。4.对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是（）A.温度温度B.材料材料C.表面状况表面状况 D.以上都正确以上都正确A解析解析：根据黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素知根据黑

21、体辐射电磁波的波长分布的决定因素知,其只与温度有关其只与温度有关.小试牛刀5.普朗克常量是自然界的一个基本常数普朗克常量是自然界的一个基本常数,它的数值是它的数值是()A.6.0210-23molB.6.62510-3molsC.6.62610-34JsD.1.3810-16molsC解析解析：普朗克常量是一个定值普朗克常量是一个定值,由实验测得它的精确数值为由实验测得它的精确数值为6.62610-34Js,在记忆时在记忆时关键要注意它的单位关键要注意它的单位.小试牛刀6.关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有()A.随着温度的升高随着温度的升高,各种波长的辐射强

22、度都有增加各种波长的辐射强度都有增加B.随着温度的升高随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动辐射强度的极大值向波长较短的方向移动C.黑体热辐射的强度与波长无关黑体热辐射的强度与波长无关D.黑体辐射无任何实验规律黑体辐射无任何实验规律AB解析解析：黑体辐射的强度与温度有关黑体辐射的强度与温度有关,温度越高温度越高,黑体辐射的强度越大黑体辐射的强度越大,A正确正确;随着温随着温度的升高度的升高,黑体辐射的极大值向波长较短的方向移动黑体辐射的极大值向波长较短的方向移动,B正确正确;黑体辐射的强度与波长黑体辐射的强度与波长有关有关,C错误错误;黑体辐射有实验规律黑体辐射有实验规律,D错误

23、错误.小试牛刀7.红、橙、黄、绿四种单色光中红、橙、黄、绿四种单色光中,光子能量最小的是光子能量最小的是()A.红光红光B.橙光橙光C.黄光黄光D.绿光绿光A解析解析：根据爱因斯坦的光子说根据爱因斯坦的光子说,光子的能量光子的能量=h,h为普朗克常量为普朗克常量,说明光子的能量与说明光子的能量与光的频率成正比光的频率成正比,而四种单色光中而四种单色光中,绿光的频率最大绿光的频率最大,红光的频率最小红光的频率最小,故光子能量最故光子能量最小的是红光小的是红光,A项正确项正确.小试牛刀Planck抛抛弃弃了了经经典典物物理理中中的的能能量量可可连连续续变变化化、物物体体辐辐射射或或吸吸收收的的能能量量可可以以为为任任意意值值的的旧旧观观点点，提提出出了了能能量量子子、物物体体辐辐射射或或吸吸收收能能量量只只能能一一份份一一份份地地按按不不连连续续的的方方式式进进行行的的新新观观点点。这这不不仅仅成成功功地地解解决决了了热热辐辐射射中中的的难难题题，而而且且开开创创物物理理学学研研究究新新局局面面，标标志志着着人人类类对对自自然然规规律律的的认认识识已已经经从从从从宏宏观观领领域域进进入入微微观观领领域域，为为量量子子力力学学的的诞诞生生奠奠定定了了基础。基础。