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高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第1节: 普朗克黑体辐射理论
第1节：普朗克黑体辐射理论
19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：
机械运动方面：
在分子物理方面：
成功囊括了天上地下的物体运动规律
电磁学方面：
成功地解释了温度、压强、气体的内能
力、电、光、声等都遵循的规律:
能量转化与守恒定律。
以至于当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。
建立了解释一切电磁现象的麦克斯韦方程组
物理学史——人们对自然规律的认识历程
1900年,在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:
“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。 ——开尔文
也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面再加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----”
物理学史——人们对自然规律的认识历程
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村
一朵与迈克尔逊实验有关。
物理学史——人们对自然规律的认识历程
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48个铁原子排成的“原子围栏”。那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的？
温故知新——复习热辐射的知识
1、热辐射：任何物体在任何温度下都会辐射电磁波的现象。
⑵原因:物体分子无规则运动，辐射电磁波。
⑶特点：物体温度高，辐射能量本领强，电磁波的短波成份多，长波成份少。
（各种波长都有）
（这种辐射是由物体的原子、分子受激发产生的，与温度有关，故称为热辐射）
投在炉中的铁块
800K
1000K
1200K
1400K
注意： 激光、日光灯发光不是热辐射
温度不同，热辐射的的波长不同铁块随着温度升高：
不发光→
暗红→
赤红→
橘红→
黄白色
　
　
　
温故知新——复习热辐射的知识
温故知新——复习热辐射的知识
2、实际热辐射的复杂性
T
T
外来各种波长的辐射能
反射某些波长的辐射能
（随物而异）
吸收某些波长的辐射能
（随物而异）
（故也随物而异）
发射各种波长的热辐射能
对与一般材料的物体辐射电磁波的情况除了与温度有关，还与材料的种类及表面状况有关，热辐射规律的研究显得较复杂
不透明体
度
于
某
一
温
处
黑体辐射电磁波的强度按波长的分布规律只与黑体的温度有关。它可能反映了某种具有普遍意义的客观规律，人们因此对黑体辐射进行了深入的实验及理论研究
T
T
外来各种波长的辐射能
无任何反射
能全部吸收各种波长的辐射能
发射各种波长的热辐射能
不透明体
度
于
某
一
温
处
这种假设的物体称为黑体
不透明体
1、黑体——理想模型
如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长（不仅是可见光）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、黑体与黑体辐射
因为黑体完全吸收了外来的各种波长的辐射，无任何反射，所以黑体的辐射只与温度有关，所以研究黑体的辐射要比研究实际物体的辐射要简单的多。
黑体辐射可能反映了某种具有普遍意义的客观规律，人们因此对黑体辐射进行了深入的实验及理论研究。
（1）黑体辐射的特征：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。
(一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，)
不透明材料制成的带小孔的空腔
(2）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。
1、黑体——理想模型
一、黑体与黑体辐射
对空腔加热
至某热平衡温度
对空腔加热
至某热平衡温度
T
T
通过小孔进入腔内的辐射能反射回小孔出射的机会极小，几乎全部被腔壁吸收。
不透明材料空腔
开一小孔
小孔表面好比黑体
（吸收全部入射的辐射能而无反射）
从小孔表面出射的就是处于某一热平衡温度T的实验黑体的辐射能，进而探索其能谱分布规律。
2、黑体的实验模型
一、黑体与黑体辐射
黑体（小孔表面）
T
集光透镜
平行光管
分光元件
会聚透镜及探头
分光元件（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射强度按波长的分布。
3、黑体辐射测量系统示意图
一、黑体与黑体辐射
二、黑体辐射的实验规律
1、黑体辐射实验规律
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。
黑体辐射的实验规律：
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)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个
极大值。
(2)温度升高，各种波长的辐射强度都增加；
(3)温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向
移动。
黑体辐射的实验规律
+
-
+
-
+
-
黑体辐射的理论解释
带电微粒→震动→变化的电磁场
物体中存在带电微粒
直接找规律有点儿困难，科学家打算结合理论来寻找这个公式。
二、黑体辐射的实验规律
2、黑体辐射的理论解释:科学家总是力图用已有的知识去解释新发现的现象和规律
⑴短波符合；长波不符合。
⑵长波符合；短波荒唐----紫外灾难。
德国物理学家维恩根据经典热力学，在1896年提出了一个辐射强度随波长及温度变化的半经验公式，维恩公式，得出曲线。
根据经典热力学与电磁学，物理学家瑞利在1900年也提出了一个理论公式，后经金斯改进，合称瑞利-金斯公式，得出曲线。
维恩线
瑞利-金斯线
在紫外线一端，当波长趋于0时，辐射本领将趋于无穷大．这种情况被人们称为“紫外灾难”。
二、黑体辐射的实验规律
2、黑体辐射两种经典解释
普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。
维恩公式和瑞利——金斯公式，其实就是普朗克公式的特殊情况。
普朗克尝试从电磁学、力学、统计物理学等物理学的基本理论出发，把这个公式推导出来。
普朗克最终在1900年底发现，如果想推导出这个公式，就必须假定：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。
二、黑体辐射的实验规律
3、普朗克对黑体辐射理论解释
三、能量子
1、定义
普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε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ε叫做能量子。
能量子（普朗克能量子假说）——超越牛顿的发现
三、能量子
2、理解
弹簧振子振动能量可以连续变化（振幅可以取任意值），即振动能量的连续性。
宏观世界能量是连续性的
微观世界能量是不连续的
物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。
宏观世界能量的连续性与微观粒子的能量的量子化，这是宏观世界与微观物理规律最重要的差别之一。
普朗克1900年的假设第一次为人们揭开了微观世界物理规律面纱的一角。从此，物理学进入了一个新的纪元。普朗克本人因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
三、能量子
3、能量子大小
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ε的整数倍。例如，可能
是ε、2ε、 3 ε……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。这个不可再分的能量值ε叫做能量子。
②最小能量：
ν: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
普朗克仔细分析了黑体辐射，提出了要想让公式和实验结果相符，那么只要认为：黑体辐射或吸收电磁波时的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。振动着的能量只能是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε. n为正整数，称为量子数。
　
　
　
　
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。普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征。
能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式这种假说不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。
比喻：电磁波就好象是机关枪发射子弹，子弹是一颗一颗向前运动的，每一颗子弹就好象是一份电磁波。
三、能量子
4、量子化假设的意义
　
　
　
　
课堂小结
普朗克黑体辐射理论
黑体
能完全吸收射入的各种波长的电磁波而不发生反射的物体
黑体是一种理想化模型
黑体辐射
黑体虽然不反射电磁波，却可以
向外辐射电磁波
黑体辐射只与黑体的温度有关
黑体辐射的规律
黑体辐射的实验规律
能量子
振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍
能量子的大小
微观粒子的能量是量子化的
『判一判』
(1)只有高温的物体才会热辐射。 (　　)
(2)热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同。 (　　)
(3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。 (　　)
(4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。 (　　)
×　
√　
√　
√　
(5)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。 (　　)
(6)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。 (　　)
(7)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。 (　　)
(8)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。 (　　)
(9)光子发生散射后，其波长变大。 (　　)
×　
×　
√　
×　
√　
高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第1节: 普朗克黑体辐射理论
【例题1】(多选)关于对黑体的认识，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，最终不能从空腔射出，这个带小孔的空腔就近似为一个黑体
解析：
黑体自身辐射电磁波，看起来还会很明亮（如太阳），所以黑体不一定是黑的，A项错误；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，B错误，C正确；电磁波最终不能从空腔射出，因此这个带小孔的空腔就近似为一个黑体（严格意义上应该是小孔），D正确。
CD
高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第1节: 普朗克黑体辐射理论
【例题2】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（ ）
解析：
随着温度的升高，黑体辐射的强度与波长的关系：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。由此规律可知选项A正确。
A
高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第1节: 普朗克黑体辐射理论
【例题3】(多选)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ε＝hν，ν为带电微粒的振动频率，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
解析：
能量子假说认为，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，每一份能量单位，称为“能量子”，能量子的能量ε＝hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量，A、B、C正确。
ABC
高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第1节: 普朗克黑体辐射理论
1、下列宏观概念中，是“量子化”的有（ ）
A.人的身高 B.物体的质量
C.汽车的速度 D.大象的头数
能一份份地选取，且只能取整数，不能取小数的量均可以看作“量子化”，如大象的头数，学生个数等，故选项D正确。
D
高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第1节: 普朗克黑体辐射理论
2、(多选)下列有关黑体和黑体辐射的说法正确的是（ ）
A.黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射
B.黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)
C.黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释
D.黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释
如果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，故A正确；黑体的温度升高时，一方面，各种波长的辐射强度都有增加(包括可见光和不可见光)，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故B正确；黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释，普朗克提出能量量子理论对黑体辐射的实验规律进行了解释，故C错误，D正确。
ABD
高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第1节: 普朗克黑体辐射理论
【答案】AC　解析：由图可知，随温度的升高，相同波长的光辐射强度都会增大；同时最大辐射强度向左侧移动，即向波长较短的方向移动．由上分析可知，A、C正确，B、D错误．
高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第1节: 普朗克黑体辐射理论

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