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§4.1 普朗克黑体辐射理论
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？
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强，可见光所占份额增大，温度越高红光成分越少，频率比红光大的其他颜色的光，如橙、黄、蓝、绿等光的成分就增多。因此可根据炉内的颜色大致估计炉内的温度。
1、黑体与黑体辐射
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。
所辐射电磁波的特征与温度有关。
固体在温度升高时颜色的变化
1400
K
800
K
1000
K
1200
K
热辐射的应用：
红外测温仪
利用红外成像探测铀矿
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、折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。
研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。
2. 黑体辐射实验规律
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
不透明材料空腔
开
一
小
孔
3、黑体辐射测量系统示意图
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出度按波长的分布。
一般物体与黑体的比较
项 目 热辐射特点 吸收、反射特点
一般物体
黑体
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
既吸收又反射,其能力与材料的种类及入射波长等因素有关
辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关
完全吸收各种入射电磁波,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1
BC　
思路点拨：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。
解析：普朗克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，故A错误；根据黑体的特点可知，黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波，不反射电磁波，故B正确；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，温度升高时，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故C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
AD　
解析：一切物体都在不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，A正确，B错误；选项C是黑体辐射的特性，C错误；常温下看到的不透明、非发光物体的颜色是反射光的颜色，D正确。
2.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
C
对点训练
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
想一想：为什么要研究黑体辐射？
一般材料的物体的辐射：除与温度有关外，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度有关。所以，研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。
测量黑体辐射的实验原理：
加热空腔使其温度升高，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。
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——玻耳兹曼定律
0 1 2 3 4 5 6
λ
(μm)
1700K
1500K
1300K
1100K
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,符合黑体辐射实验规律的是（ ）
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
对点训练
4.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
ACD
对点训练
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
经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线
1）维恩的半经验公式：
公式适合于短波波段，长波波段与实验偏离。
公式只适用于长波段, 而在紫外区与实验不符, ----紫外灾难
2）瑞利----金斯公式：
玻尔兹曼常数 k =1.380658 10-23J/K
实验
T=1646k
维恩
瑞利
维恩线
瑞利-金斯线
实验
瑞利-琼斯线
维恩线
T=1646k
普朗克线
普朗克的拟合结果
3.能量子：超越牛顿的发现
普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。
3.能量子 超越牛顿的发现
ε = h ν
能量
量子
经典
h=6.626×10-34J.s
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.
　　　　　
(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λ，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 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
C　
解析：
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
解析：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，故A错误，B正确；黑体辐射强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，则辐射强度的极大值也就越大，故C正确；随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故D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(　 　)
A．T1＜T2＜T3＜T3
B．T1＞T2＞T3＞T4
C．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
解析：因随着温度的升高，辐射强度增强，同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，所以T1＞T2＞T3＞T4，故A错误，B正确。测量某黑体辐射强度最强的光的波长可以得知其温度，而不同温度的黑体可以辐射出相同波长的电磁波，故C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E＝hν，ν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
解析：能量子假说认为，物质发射(或吸收)能最时，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E＝hν，ν为辐射的频率，h为普朗克常量，故D错误，ABC正确。
4.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
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.
小试牛刀
5.普朗克常量是自然界的一个基本常数,它的数值是 (　)
A.6.02×10-23 mol B.6.625×10-3 mol·s
C.6.626×10-34 J·s D.1.38×10-16 mol·s
C
解析：
普朗克常量是一个定值,由实验测得它的精确数值为6.626×10-34 J·s,在记忆时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 (　　)
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
AB
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正确;黑体辐射的强度与波长有关,C错误;黑体辐射有实验规律,D错误.
小试牛刀
7.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
A
解析：根据爱因斯坦的光子说,光子的能量ε=hν,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.
小试牛刀
Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这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。

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