1、1 能量量子化,一、黑体与黑体辐射 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,所以叫做热辐射。 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。 3.一般材料的物体的辐射规律:除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。,4.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。,二、能量子 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
2、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做能量子。 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。,自我检测 1.思考辨析。 (1)热的物体向外辐射电磁波,冷的物体只吸收电磁波。 ( ) 解析:任何物体在任何温度下都会发生热辐射,这是由于物体中分子、原子受到激发而发射电磁波的现象。 答案: (2)黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的。 ( ) 解析:由于黑体自身辐射电磁波,所以看
3、上去不一定是黑的。 答案: (3)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。 ( ) 解析: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,与其他因素无关。 答案:,2.探究讨论。 (1)黑体是理想化的物理模型,那么现实中可以近似看作黑体的都必须一定是黑色的物体吗? 答案:黑体是理想化的物理模型,但并不是只有看上去是黑色的物体才能被近似当成黑体,有些可以看作黑体的物体由于自身有较强的辐射,看起来还会很明亮,如炼钢炉口上的小口。 (2)在火炉旁边有什么感觉?投入炉中的铁块颜色怎样变化?说明了什么问题? 答案:在火炉旁会感到热,这是由于火炉不断地向外辐射能
4、量。投入炉中的铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色,直至成为黄白色,这表明同一物体热辐射的强度与温度有关。,探究一,探究二,黑体与黑体辐射 问题探究 1.煤烟很接近黑体,其吸收率为99%,即投射到煤烟的辐射能量几乎全部被吸收,把一定量的煤烟置于阳光下照射,问它的温度是否一直在上升?要点提示:不会,因为随着能量不断吸收,还伴随着能量的辐射,最终将趋于平衡。,探究一,探究二,2.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?,要点提示:根据热辐射规律可知,人的体温的高低,直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度。因此通过监测被测者辐射的红外线的
5、情况就知道这个人的体温。,探究一,探究二,知识归纳 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,(3)一般物体与黑体的比较,探究一,探究二,(4)对热辐射的理解 在任何温度下,任何物体都会发射电磁
6、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。很多物体被加热到500 左右时,开始发出暗红色的可见光。随着温度的不断上升,物体逐渐亮起来,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。 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
7、水晶却不辐射可见光。,探究一,探究二,黑体是理想化的物理模型,对入射电磁波只吸收不反射。,探究一,探究二,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,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
8、;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 规律总结要把握黑体的含义,即黑体完全吸收电磁波而不反射电磁波,同时本身也辐射电磁波,因而黑体并不一定是黑的。要理解黑体辐射的特点,即黑体辐射的电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,与其他因素无关。,探究一,探究二,变式训练1(多选)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
9、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,对能量子的认识 问题探究 1.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? 要点提示:能量量子化假设。,探究一,探究二,2.普朗克的能量量子
10、化的观点与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同? 要点提示:宏观世界中我们认为能量是连续变化的,普朗克的“能量子”观点则认为能量是一份一份的,每一份是一个最小能量单位,即能量不是连续的。宏观世界中我们认为能量是连续变化的是因为每一个能量子的能量都很小,宏观变化中有大量的能量子,就可以看做是连续的。而研究微观粒子时,单个的能量子能量就显示出不连续性。,探究一,探究二,知识归纳 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
11、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=6.6310-34 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,探究二,2.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为:物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化;在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。物体在发射或接收能量的时候,只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态,而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400700 nm。求400 nm、70
12、0 nm电磁辐射的能量子的值各是多少? 【思考问题】 求解本题的关键是什么? 提示:根据已知条件求每一个能量子的能量。,规律总结这类习题数量级比较大,注意运算当中提高运算准确率。,探究一,探究二,变式训练2(多选)对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是( ) A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收 B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍 C.吸收的能量可以是连续的 D.辐射和吸收的能量是量子化的 解析:带电微粒的辐射和吸收能量时是以最小能量值能量子的整数倍一份一份地辐射或吸收的,是不连续的。故选项A、B、D正确,选项C错误。 答案:ABD,1,2,3,1.(多选)下列关于
13、黑体辐射的实验规律叙述正确的是( ) A.随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有所增加 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.黑体辐射无任何规律 解析:黑体辐射的规律为随着温度的升高各种波长的辐射强度都增加,同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。故A、B对。 答案:AB,1,2,3,2.二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1.410-31.610-3 m,相应的频率范围是 ,相应的光子能量的范围是 。(已知普朗克常量h=6.610-34 Js,真空中的光速c=3.0108 m/s。结果取两位有效数字) 解析:由c=得 。则求得频率范围为1.910112.11011 Hz。又由=h得能量范围为1.310-221.410-22 J。 答案:1.910112.11011 Hz 1.310-221.410-22 J,1,2,3,3.“神光”装置是我国自主研发的高功率固体激光系统,利用它可获得能量为2 400 J、波长=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? 解析:紫外激光的波长已知,由此可求得紫外激光能量子的值,再根据紫外激光发射的总能量为2 400 J,即可求得紫外激光所含光子数。 紫外激光能量子的值为,答案:4.231021,
