普朗克定律-课件

普朗克定律黑体辐射实验黑体辐射实验 普朗克定律一、实验目的一、实验目的一、实验目的一、实验目的 1、了解和掌握黑体辐射的光谱分布、了解和掌握黑体辐射的光谱分布普朗克辐射普朗克辐射 定律定律 2 2、了解和掌握黑体辐射的积分辐射、了解和掌握黑体辐射的积分辐射斯忒藩玻尔斯忒藩玻尔 兹曼定律兹曼定律 3、了解和掌握维恩位移定律、了解和掌握维恩位移定律 难点：通过实验掌握黑体辐射的光谱分布规律难点：通过实验掌握黑体辐射的光谱分布规律 重点：重点：WGH10黑体实验仪的原理和使用方法黑体实验仪的原理和使用方法 普朗克定律 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长固体或液体，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热辐射。所辐射电磁波的而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。特征仅与温度有关。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1400K物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。800K1000K1200K1.1.热辐射现象热辐射现象二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、实验原理 普朗克定律绝对黑体绝对黑体:若物体在任何温度下若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸对任何波长的辐射能的吸收比都等于收比都等于1,1,则称该物体为绝对黑体则称该物体为绝对黑体,简称黑体。简称黑体。2.2.黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律 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。研究黑体辐射的规研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐律是了解一般物体热辐射性质的基础。射性质的基础。普朗克定律测定黑体辐出度的实验简图测定黑体辐出度的实验简图PL2B2AL1B1CA为黑体为黑体B1PB2为分光系统为分光系统C为热电偶为热电偶普朗克定律1700K1500K1300K1100K0 1 2 3 4 5 绝对黑体的辐出度按波长分布曲线绝对黑体的辐出度按波长分布曲线实验曲线实验曲线普朗克定律维恩经验公式维恩经验公式维恩经验公式维恩经验公式问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式3.3.普朗克量子假设普朗克量子假设 这个公式与实验曲线波长短处符合得很好，但在波长这个公式与实验曲线波长短处符合得很好，但在波长很长处与实验曲线相差较大。很长处与实验曲线相差较大。普朗克定律瑞利瑞利瑞利瑞利-金斯经验公式金斯经验公式金斯经验公式金斯经验公式 这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，但在短波区，按此公式，将随波长趋向于零而将随波长趋向于零而趋向无穷大的荒谬结果，即趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难紫外灾难”。维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。普朗克定律 为了解决上述困难，普朗克利用内插法将适为了解决上述困难，普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公金斯公式衔接式衔接 起来，提出了一个新的公式：起来，提出了一个新的公式：普朗克常数普朗克常数 这一公式称为这一公式称为普朗克公式。普朗克公式。它与实验结果符它与实验结果符合得很好。合得很好。普朗克定律o实验值/m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678普朗克定律普朗克公式还可以用频率表示为：普朗克公式还可以用频率表示为：普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。述普朗克公式。普朗克定律 能量子假说：能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量应的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，（称为能量子）的整数倍，即：即：,1,2,3,.n.n为正整数，称为量子数。为正整数，称为量子数。对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为能量能量量子量子经典经典普朗克定律 振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式单色辐出度，即普朗克公式。能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获1918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。普朗克定律 黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比：比：（1）斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律根据实验得出黑体辐射的两条定律：根据实验得出黑体辐射的两条定律：热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。斯特藩常数斯特藩常数普朗克定律 对于给定温度对于给定温度T T，黑体的单色辐出度，黑体的单色辐出度 有一有一最大值最大值,其对应波长为其对应波长为 。热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。短波方向移动。（2 2）维恩位移定律维恩位移定律普朗克定律例例 试从普朗克公式推导斯特藩试从普朗克公式推导斯特藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 及维恩位移定律。及维恩位移定律。解：解：在普朗克公式中，为简便起见，引入在普朗克公式中，为简便起见，引入则则 普朗克定律黑体的总辐出度：黑体的总辐出度：其中：其中：普朗克公式可改写为：普朗克公式可改写为：普朗克定律由分部积分法可计算：由分部积分法可计算：所以所以普朗克定律 可见由普朗克公式可以推导出斯特藩可见由普朗克公式可以推导出斯特藩-玻尔兹曼玻尔兹曼定律。定律。为了求出最大辐射值对应的波长为了求出最大辐射值对应的波长 ，可以由普，可以由普朗克公式得到朗克公式得到 满足：满足：普朗克定律经整理得到经整理得到令令有有这个方程通过迭代法解得这个方程通过迭代法解得普朗克定律即即可见可见由普朗克公式可推导得出维恩位移定律由普朗克公式可推导得出维恩位移定律。普朗克定律三、实验仪器三、实验仪器三、实验仪器三、实验仪器WGH10WGH10黑体实验装置黑体实验装置（包括光源、电源）（包括光源、电源）电脑及配套数据处理软件电脑及配套数据处理软件普朗克定律WGH-10WGH-10型黑体实验装置，由光栅单色仪，接收单型黑体实验装置，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，元，扫描系统，电子放大器，A/DA/D采集单元，电压采集单元，电压可调的稳压溴钨灯光源，计算机及输出设备组成。可调的稳压溴钨灯光源，计算机及输出设备组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光路图如图于一体。光路图如图：接收器白板黑体光栅普朗克定律黑体修正黑体修正黑体修正黑体修正 本实验用溴钨灯的钨丝作为辐射体，由于钨丝本实验用溴钨灯的钨丝作为辐射体，由于钨丝灯是一种选择性的辐射体，与标准黑体的辐射光谱灯是一种选择性的辐射体，与标准黑体的辐射光谱有一定的偏差，因此必须进行一定修正。钨丝灯辐有一定的偏差，因此必须进行一定修正。钨丝灯辐射光谱是连续光谱，其总辐射本领射光谱是连续光谱，其总辐射本领 由下式给出：由下式给出：式中式中 为钨丝的温度为为钨丝的温度为T 时的总辐射系数，其值为该温度时的总辐射系数，其值为该温度下钨丝的辐射强度与绝对黑体的辐射强度之比：下钨丝的辐射强度与绝对黑体的辐射强度之比：钨丝灯的辐射光谱分布钨丝灯的辐射光谱分布 为：为：普朗克定律 通过钨丝灯的辐射系数及测得的钨丝灯辐射光谱，通过钨丝灯的辐射系数及测得的钨丝灯辐射光谱，用以上公式即可将钨丝灯的辐射光谱修正为绝对黑体的用以上公式即可将钨丝灯的辐射光谱修正为绝对黑体的辐射光谱，从而进行黑体辐射定律的验证。辐射光谱，从而进行黑体辐射定律的验证。本实验通过计算机自动扫描系统和黑体辐射自动处本实验通过计算机自动扫描系统和黑体辐射自动处理软件，可对系统扫描的谱线进行传递修正以及黑体修理软件，可对系统扫描的谱线进行传递修正以及黑体修正，并给定同一色温下的绝对黑体的辐射谱线，以便进正，并给定同一色温下的绝对黑体的辐射谱线，以便进行比较验证。溴钨灯的工作电流与色温对应关系如下：行比较验证。溴钨灯的工作电流与色温对应关系如下：不同的仪器溴钨灯的工作电流与色温的对应关系不同，不同的仪器溴钨灯的工作电流与色温的对应关系不同，对应关系表格编号应与溴钨灯的仪器编号相同。对应关系表格编号应与溴钨灯的仪器编号相同。普朗克定律电流(A)色温(K)1.4022501.5023301.6024001.7024501.8025001.9025502.0026002.1026802.2027702.3028602.502940溴钨灯工作电流与色温对应关系表（表溴钨灯工作电流与色温对应关系表（表1 1）普朗克定律四、实验内容四、实验内容四、实验内容四、实验内容1、打开黑体辐射实验系统电控箱电源及溴钨灯电源开关。、打开黑体辐射实验系统电控箱电源及溴钨灯电源开关。溴钨灯电溴钨灯电源开关源开关电控箱电电控箱电源开关源开关普朗克定律2、打开显示器电源开关及计算机电源开关启动计算机。、打开显示器电源开关及计算机电源开关启动计算机。3、双击、双击“黑体黑体”图标进入黑体辐射系统软件主界面，图标进入黑体辐射系统软件主界面，此此时仪器进入自到检零状态。时仪器进入自到检零状态。双击双击设置：设置：“工作方式工作方式”“模式模式”为为“能量能量”、“间隔间隔”为为“1nm”“工作范围工作范围”“起始波长起始波长”为为“800.0nm”、“终止波终止波长长”为为“2499.9nm”、“最大值最大值”为为“4000.0”、“最小值最小值”为为“0.0”。（。（“最大值最大值”与狭缝宽度有关，宽度越大，与狭缝宽度有关，宽度越大，能量越大，能量越大，“最大值最大值”最多能调节为最多能调节为“10000”）狭缝宽度调狭缝宽度调节旋钮节旋钮“传递函数传递函数”为为“修正为黑体修正为黑体”为为 去掉这两个选项去掉这两个选项4、选择溴钨灯色温为、选择溴钨灯色温为2940K对应的工作电流，点击单程扫对应的工作电流，点击单程扫描记录溴钨灯光源全谱（不含传递函数和黑体修正）。描记录溴钨灯光源全谱（不含传递函数和黑体修正）。得到如图所示的扫描线，然后计算传递函数得到如图所示的扫描线，然后计算传递函数选择计算传递函数选择计算传递函数软件中存了一条色温为软件中存了一条色温为2940K的溴钨灯的标准能量线的溴钨灯的标准能量线普朗克定律5、点击、点击“传递函数传递函数”、“修正为黑体修正为黑体”为为 6在表在表1中任选一工作电流，点击黑体扫描，输入相对中任选一工作电流，点击黑体扫描，输入相对应的色温，记录溴钨灯光源在传递函数修正和黑体修正应的色温，记录溴钨灯光源在传递函数修正和黑体修正后的全谱存于寄存器内后的全谱存于寄存器内，然后归一化，如图所示。，然后归一化，如图所示。选择归一化选择归一化7、改变溴钨灯工作电流，在表、改变溴钨灯工作电流，在表1中任选中任选4个电流值，分别个电流值，分别进行黑体扫描，输入相应的色温，记录全谱，并分别存于进行黑体扫描，输入相应的色温，记录全谱，并分别存于其余其余4个寄存器内。个寄存器内。8、分别对各个寄存器内的数据进行归一化。、分别对各个寄存器内的数据进行归一化。寄存器选择寄存器选择五、实验数据及数据处理五、实验数据及数据处理五、实验数据及数据处理五、实验数据及数据处理1、验证普朗克辐射定律（取五个点，每条曲线上取一个）。、验证普朗克辐射定律（取五个点，每条曲线上取一个）。打开五个寄存器中的数据，显示五条能量曲线。打开五个寄存器中的数据，显示五条能量曲线。选择验证黑体辐射菜单中的普朗克辐射定律选择验证黑体辐射菜单中的普朗克辐射定律选择选择在界面弹出的数据表格中点击计算按钮。在界面弹出的数据表格中点击计算按钮。单击单击设计表格，记录数据。注：为了减小误差，选取曲线上设计表格，记录数据。注：为了减小误差，选取曲线上能量最大的那一点。能量最大的那一点。普朗克定律 1 2 3 4 5波长 (nm)10721082117811361196色温T（K）28602680260025502500 理（）2448.8 1782.9 1520.9 1390.4 1256.3 实（）2441.4 1775.7 1517.6 1382.2 1259.3表表2：的理论值与实测值相差不大的理论值与实测值相差不大2、验证斯忒藩玻耳兹曼定律。、验证斯忒藩玻耳兹曼定律。选择黑体辐射定律菜单下斯忒藩玻耳兹曼定律。选择黑体辐射定律菜单下斯忒藩玻耳兹曼定律。选择选择选择选择5个寄存器中的数据，再单击确定。个寄存器中的数据，再单击确定。选择选择单击单击相对误差相对误差=1.16%3、验证维恩位移定律、验证维恩位移定律。普朗克定律选择验证黑体辐射定律菜单下维恩位移定律。选择验证黑体辐射定律菜单下维恩位移定律。选择选择5个寄存器中的数据，再单击确定。个寄存器中的数据，再单击确定。选择选择选择选择单击单击相对误差相对误差=1.97%4、将以上所测辐射曲线与绝对黑体的理论曲线进行、将以上所测辐射曲线与绝对黑体的理论曲线进行比较并分析之比较并分析之（在同一色温下）。（在同一色温下）。六、思考题六、思考题六、思考题六、思考题1、实验为何能用溴钨灯进行黑体辐射测量并进行黑体辐射、实验为何能用溴钨灯进行黑体辐射测量并进行黑体辐射定律验证？定律验证？2、实验数据处理中为何要对数据进行归一化处理？、实验数据处理中为何要对数据进行归一化处理？3、实验中使用的光谱分布辐射度与辐射能量密度有何关系？、实验中使用的光谱分布辐射度与辐射能量密度有何关系？普朗克定律