人教版 (2019)选择性必修 第三册1 普朗克黑体辐射理论教案设计

普朗克黑体辐射理论

【教学目标】

一、知识与技能

1．了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射。

2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。

3．了解能量子的概念。

二、过程与方法

了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

三、情感、态度与价值观

领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

【教学重点】

能量子的概念。

【教学难点】

黑体辐射的实验规律。

【教学过程】

一、复习提问、新课导入

教师：介绍能量量子化发现的背景：

19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声等都遵循的规律——能量转化与守恒定律。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。

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。”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在加几位罢了！

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。”这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。

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”。

点出课题：我们这节课就来学习普朗克黑体辐射理论。

二、新课教学

（一）黑体与黑体辐射

1．热辐射现象

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。

例如：铁块  温度↑

从看不出发光到暗红到橙色到黄白色

从能量转化的角度来认识，是热能转化为电磁能的过程。

2．黑体

教师：除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。

概念：能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。

不透明的材料制成带小孔的空腔，可近似看作黑体。如图所示。

教师注意强调：

（1）黑体是个理想化的模型。

（2）一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但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。

3．黑体辐射：黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射。

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。

（二）黑体辐射的实验规律

展示测量黑体辐射的实验原理图

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。

1．辐射强度按波长分布与温度的关系

特点：随温度的升高

①各种波长的辐射强度都在增加；

②辐射强度的最大值向短波方向移动。

教师提出问题，设置疑问：怎样解释黑体辐射的实验规律呢？

在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。结果导致理论与实验规律不符，甚至得出了非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难”。

2．经典物理学所遇到的困难

（1）维恩的经验公式：短波符合，长波不符合。

（2）瑞利-金斯公式：长波符合，短波荒唐。

3．超越牛顿的发现

1900年10月19日，普朗克在德国物理学会会议上提出黑体辐射公式。普朗克公式与实验结果非常吻合。

（三）能量子

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。例如，可能是ε或2ε、3ε……他把这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的表达式为：ε＝hν。

这里的ν是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为h＝6.62607015×10-34J·s。

【练习巩固】

1．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

答案：ACD

2．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，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体

答案：C

3．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

答案：A

4．小灯泡的功率P＝1W，设其发出的光向四周均匀辐射，平均波长λ＝10-6m，求小灯泡每秒钟辐射的光子数是多少？（h＝6.63×10-34J·s）

答案：5×1018个

5．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（     ）

答案：A

6．以下宏观概念中，哪些是“量子化”的（     ）

A．物体的带电荷量    B．物体的质量

C．物体的动量      D．学生的个数

答案：AD

7．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加

B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加

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

答案：ACD

8．在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图所示是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象，则下列说法正确的是（     ）

A．T1>T2

B．T1<T2

C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低

D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较长方向移动

答案：A