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第十七章 波粒二象性,1 能量量子化,情 景 导 入,在莎士比亚的喜剧威尼斯商人中,高利贷者夏洛克对什么东西都贪得无厌,人们说他是个“黑心”的人。夏洛克贪的是金钱,“黑体”贪的是电磁波。那么到底什么是黑体?黑体辐射有什么特点?,思 维 导 图,一,二,三,填一填,练一练,一、黑体与黑体辐射(见课本第27页) 1.热辐射:我们周围的一切物体都在辐射电磁波。这种辐射与物体的温度有关,所以叫作热辐射。 2.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。,一,二,三,填一填,练一练,二、黑体辐射的实验规律(见课本第27页) 1.一般材料的物体,辐射电磁波的情况,除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。 2.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。,一,二,三,填一填,练一练,三、能量子(见课本第28页) 1.定义:普朗克认为,振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍,当带电微粒辐射或吸收能量时, 也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,这个不可再分的最小能量值叫作能量子。 2.能量子大小:=h,其中是电磁波的频率,h称为普朗克常量。h=6.62610-34 Js(一般取h=6.6310-34 Js)。 3.能量的量子化 在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。,填一填,练一练,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( ),填一填,练一练,解析:黑体辐射规律:随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都有增加,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A图正确。 答案:A,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,探究一对黑体和黑体辐射的理解 很多地方用红外热像仪监测人的体温,只要被测者从仪器前走过,便可知道他的体温是多少,你知道其中的道理吗?,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,对黑体和黑体辐射的理解 (1)对黑体的理解:绝对的黑体实际上是不存在的,但可以用某装置近似地代替。如图所示,如果在一个空腔壁上开一个小孔,那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,这个小孔就成了一个绝对黑体。 (2)对黑体辐射的理解:任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称为热辐射。,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,(3)一般物体与黑体的比较:,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,(4)对热辐射的理解 在任何温度下,任何物体都会发射电磁波,并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同,这是热辐射的一种特性。 在室温下,大多数物体辐射的是不能引起视觉的波长较长的电磁波红外光;但当物体被加热到500 左右时,开始发出暗红色的可见光。随着温度的不断上升,辉光逐渐亮起来,而且热辐射中较短波长的成分越来越多,即能引起视觉的电磁波越来越多,大约在1 500 时变成明亮的白炽光。 这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的,而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高。,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同。例如,将钢加热到约800 时,就可观察到明亮的红色光,但在同一温度下,熔化的水晶却不辐射可见光。,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,【例题1】对黑体的认识,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黑体的温度有关外,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只与黑体的温度有关,与材料的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,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,解析:由于黑体自身辐射电磁波,所以看上去不一定是黑的,所以选项A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,所以选项B错误,选项C正确;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此是小孔成了一个黑体,而不是空腔成了一个黑体,所以选项D错误。 答案:C,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,变式训练 下列叙述正确的是( ) 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 解析:根据热辐射的定义知,选项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,而黑体辐射只与黑体的温度有关,故选项B错误,选项C正确;根据黑体的定义知选项D正确。 答案:ACD,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,探究二对能量子的认识 德国物理学家普朗克对黑体辐射问题进行了系统的理论研究,于1900年推导出了普朗克公式。德国物理学家鲁本斯把它与实验数据进行了比较,发现与实验结果“令人满意地相符”。但所有推导都是建立在一个最重要的假设基础之上,这个假设是什么呢?,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,1.普朗克的量子化假设 (1)能量子: 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍。例如,可能是或2、3当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个不可再分的最小能量值叫作能量子。 (2)能量子公式:=h 是电磁波的频率,h是一个常量,后人称之为普朗克常量,其值为 h=6.62610-34 Js。 (3)能量的量子化: 在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫作能量的量子化。,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,2.量子化假设的实验证实 普朗克公式与实验结果比较,发现它与实验结果“令人满意地相符”。如图所示,曲线是根据普朗克的公式作出的,小圆代表实验值。,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,3.普朗克的量子化假设的意义 (1)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,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。成为物理学发展史上一个重大转折点。 (2)普朗克常量h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。,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,【例题2】神光装置是我国规模最大、国际上为数不多的高功率固体激光系统,利用它可获得能量为2 400 J、波长为0.35 m的紫外激光,已知普朗克常量h=6.6310-34 Js,则该紫外激光所含光子数为多少个?,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,1,2,3,4,5,1.对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是( ) A.温度 B.材料 C.表面状况 D.以上都正确 解析:根据黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素知,其只与温度有关。 答案:A,1,2,3,4,5,2.普朗克常量是自然界的一个基本常数,它的数值是 ( ) A.6.0210-23 mol B.6.62510-3 mols C.6.62610-34 Js D.1.3810-16 mols 解析:普朗克常量是一个定值,由实验测得它的精确数值为6.62610-34 Js,在记忆时关键要注意它的单位。 答案:C,1,2,3,4,5,3.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,各种波长的辐射强度都有增加 B.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 C.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 解析:黑体辐射的强度与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,A项正确;随着温度的升高,黑体辐射的极大值向波长较短的方向移动,B项正确;黑体辐射的强度与波长有关,C项错误;黑体辐射有实验规律,D项错误。 答案:AB,1,2,3,4,5,4.红、橙、黄、绿四种单色光中,光子能量最小的是( ) A.红光 B.橙光 C.黄光 D.绿光 解析:根据爱因斯坦的光子说,光子的能量=h,h为普朗克常量,说明光子的能量与光的频率成正比,而四种单色光中,绿光的频率最大,红光的频率最小,故光子能量最小的是红光,A项正确。 答案:A,1,2,3,4,5,5. (选做题)以下关于辐射强度与波长的关系的说法中正确的是( ) A.物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波 B.当铁块呈现黑色时,说明它的温度不太高 C.当铁块的温度较高时会呈现赤红色,说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强 D.早、晚时分太阳呈现红色,而中午时分呈现白色,说明中午时分太阳温度最高 解析:由辐射强度随波长变化关系图知:随着温度的升高各种波长的波的辐射强度都增加,而热辐射不是仅辐射一种波长的电磁波。故正确选项为BC。 答案:BC,
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