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第十七章波粒二象性1能量量子化课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导学习目标1.认识热辐射、黑体和黑体辐射的概念,能说出黑体辐射的实验规律。2.会解释普朗克提出的能量子假说。重点难点重点:黑体辐射的实验规律。难点:能量量子化的理解。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导一、黑体与黑体辐射1.热辐射问题(1)热辐射:我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量,而且辐射强度与物体的温度相关,所以物理上把这种辐射称为热辐射。(2)热辐射的基本规律:物体以电磁波的形式向外辐射能量,而且在不同温度下辐射强度按电磁波波长有不同的分布。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导2.黑体辐射(1)黑体:物体在辐射电磁波的同时,还会吸收和反射外界射来的电磁波。如果一个物体能全部吸收外来的电磁波而不产生反射,我们称之为绝对黑体,简称黑体。(2)黑体辐射:黑体表面向外辐射电磁波,这个过程叫作黑体辐射。黑体辐射的状况只与黑体的温度有关,与材料的种类及表面状况无关,能反映具有普遍意义的热辐射规律,是研究热辐射的理想模型。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导预习交流1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?答案:根据热辐射的规律可知,当物体的温度升高时,热辐射中较短波长的成分越来越多,可见光所占份额增大,温度升高,红光成分减少,频率比红光大的其他颜色的光,如橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导二、黑体辐射的实验规律1.黑体辐射的实验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,辐射强度的最大值向波长短的方向移动。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导2.黑体辐射实验规律的理论解释(1)维恩公式:德国物理学家维恩从热学理论推出的公式,只在短波部分与实验相符。(2)瑞利公式:英国物理学家瑞利从经典电磁理论推出的公式,只在长波部分与实验相符;且根据瑞利公式,当波长趋于零时,辐射本领将会趋于无穷大,这显然与客观事实不符。由于高频范围的辐射是在紫外波段,故而被当时的科学家称为“紫外灾难”。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导预习交流2你认为现实生活中存在理想的黑体吗?答案:现实生活中不存在理想的黑体,实际的物体都能辐射红外线(电磁波),也都能吸收和反射红外线(电磁波),绝对黑体不存在,是理想化的模型。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU目标导航预习引导三、能量子1.能量子微观世界里的能量是一份一份的,其中不可分的最小值ε叫作能量子,ε=hν,式中的ν是电磁波的频率,h是普朗克常量,h=6.626×10-34J·s。2.量子化宏观世界里的能量是连续的,微观世界里的能量是不连续的,不是任意值,是量子化的,或者说是分立的。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测一、黑体与黑体辐射活动与探究1.黑体是黑色的吗?热辐射的物体温度一定很高吗?答案:我们说的黑体并不是指物体的颜色,它是指能完全吸收电磁波的物体;热辐射不一定需要高温,任何温度的物体都存在热辐射,只是温度的高低影响热辐射的强弱。2.黑体的辐射和黑体的反射是一回事吗?答案:不是一回事。一切物体都能向外辐射电磁波,一切物体也都能吸收和反射外来的电磁波,但黑体作为一种理想化模型,它只吸收电磁波而不发生反射。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测3.响尾蛇虽然有眼睛,但却看不清东西,你知道它是靠什么来发现猎物的吗?答案:靠红外线。任何物体都能发出红外线,不同物体或不同温度的物体发出的红外线的强弱各有不同。响尾蛇对红外线特别敏感,能根据红外线的情况来判断是猎物还是敌人。4.黑体辐射与热辐射的区别是什么?答案:辐射特点吸收、反射特点热辐射辐射与温度有关,与表面状况有关,温度越高,辐射电磁波的波长越短既吸收,又反射。其能力与入射波波长有关。吸收能力强,反射能力弱的物体看起来比较黑黑体辐射辐射强度按波长的分布只与温度有关,与表面状况无关不反射,完全吸收各种入射的电磁波课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移与应用例1(多选)黑体辐射的实验规律如图所示,由图可知()A.随温度升高,各种波长的辐射强度都增大B.随温度降低,各种波长的辐射强度都增大C.随温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D.随温度降低,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测解析:由题图可知,随温度升高,各种波长的辐射强度都增大,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,当温度降低时,上述变化都将反过来。答案:ACD课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移训练1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()课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测答案:A解析:随温度的升高各种波长的辐射强度都有增加,且图线的峰值向波长短的方向移动。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与黑体的温度有关。一般物体的热辐射除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测二、能量量子化活动与探究1.在一杯开水中放入一支温度计,开水静置室内,可以看到开水的温度是逐渐降低的,既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的,为什么它的温度不是一段一段地降低?答案:温度是一个宏观物理量,宏观物理量基本是以人的感官来定义的,受限制于人的观察精度,我们说各种物理量是连续的。基本上讲,宏观的物理学是一种近似的科学,是微观物理量变化的统计学结果。另外时间、空间也并非是连续的,也有最小的不可分割的量,所以基本物理量都是非连续的。从这个角度说,温度的测量实际上也是不连续的。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测2.能量子假说有什么重要意义?答案:普朗克的能量子假说,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的转折点。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。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移与应用例2某广播电台发射功率为10kW,发射出在空气中波长为187.5m的电磁波,试问:(1)该电台每秒钟从天线发射多少个能量子?(2)若发射的能量子向四面八方视为均匀的,求在离天线2.5km处,直径为2m的环状天线每秒接收的能量子个数及接收功率。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测解析:(1)每个能量子的能量ε=hν=hcλ≈1.06×10-27J,则每秒钟电台发射上述波长的能量子数N=Ptε≈1031。(2)设环状天线每秒接收能量子数为n,以电台发射天线为球心,则半径为R的球面积S=4πR2;而环状天线的面积S'=πr2,所以n=𝜋r24𝜋R2×N=4×1023。接收功率P=𝜋r24𝜋R2×P总=4×10-4W。答案:(1)1031(2)4×10234×10-4W课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测迁移训练2已知某种单色光的波长为λ,在真空中光速为c,普朗克常量为h,则电磁波辐射的能量子ε的值为()A.h𝑐𝜆B.ℎ𝜆C.𝑐ℎ𝜆D.以上均不正确答案:A解析:由波速公式c=λν可得:ν=𝑐𝜆由光的能量子公式ε=hν=h𝑐𝜆故选A。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测光在不同的介质中的传播速度不同,当告诉我们光在真空中的波长为λ时,要用c=λν求其频率,其中c是光在真空中的传播速度;当告诉我们光在某介质中的波长为λ介时,要用v=λ介ν求其频率,其中v是光在介质中的传播速度。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测123451.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.以上都正确答案:A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。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU问题导学当堂检测123452.以下宏观概念,是“量子化”的是()A.木棒的长度B.物体的质量C.物体的动量D.学生的个数答案:D解析:所谓“量子化”应该是不连续的,一份一份的。故正确选项为D。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU12345问题导学当堂检测3.一束红光从空气射入折射率为1.5的玻璃,则这束红光的能量子将()A.变小B.变大C.不变D.不能确定答案:C解析:光的能量子为ε=hν,光从空气射入玻璃后频率并不改变,因此该题选C。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU12345问题导学当堂检测4.(多选)对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法中正确的是()A.微波是指波长在10-3m到10m之间的电磁波B.微波和声波一样都只能在介质中传播C.黑体的热辐射实际上是电磁辐射D.普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说答案:ACD解析:微波是一种电磁波,传播不需要介质,B错误。课前预习导学KEQIANYUXIDAOXUE课堂合作探究KETANGHEZUOTANJIU12345问题导学当堂检测5.二氧化碳能强烈吸收红外长波辐射,这种长波辐射的波长范围约是1.4×10-3~1.6×10-3m,相应的频率范围是,相应的光子能量的范围是,“温室效应”使大气全年的平均温度升高,空气温度升高,从微观上看就是空气中分子的。(已知普朗克常量h=6.6×10-34J·s,真空中的光速c=3.0×108m/s。结果取两位有效数字)答案:1.9×1011~2.1×1011Hz1.3×10-22~1.4×10-22J平均动能增大解析:由c=λν得ν=𝑐𝜆。则求得频率范围为1.9×1011~2.1×1011Hz。又由ε=hν得能量范围为1.3×10-22~1.4×10-22J。温度越高分子无规则运动更剧烈,无规则热运动的平均动能也越大。