高中物理人教版 (2019)必修 第三册5 能量量子化教学设计及反思

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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，所以叫作热辐射．物体热辐射中随温度的升高，辐射的较短波长的电磁波的成分越来越强．
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．黑体辐射的实验规律
(1)一般材料的物体，辐射电磁波的情况，除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．
(2)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．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．
4．维恩和瑞利的理论解释
(1)建立理论的基础：依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释．
(2)维恩公式：在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大．
(3)瑞利公式：在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，由理论得出的荒谬结果被称为“紫外灾难”．
二、能量子
1．普朗克的假设
振动着的带电微粒能量只能是某一最小能量值ε的整数倍．即能的辐射或者吸收只能是一份一份的．这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子．
2．能量子公式
ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量．h＝6．626×10－34 J·s.(一般取h＝6.63×10－34J·s)
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．这种现象叫能量的量子化．
4．普朗克理论
(1)借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合之好令人击掌叫绝．
(2)普朗克在1900年把能量子列入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体．(√)
(2)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大．(√)
(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)光滑水平桌面上匀速运动的小球的动能也是量子化的．(×)
2．(多选)以下关于辐射强度与波长关系的说法中正确的是( )
A．物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波
B．当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高
C．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强
D．早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高
BC [由辐射强度随波长变化关系图知，随着温度的升高，各种波长的波的辐射强度都增加，而热辐射不是仅辐射一种波长的电磁波，选项B、C正确．]
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．
2．一般物体与黑体的比较
3．黑体辐射的实验规律
(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)随着温度的升高
①各种波长的辐射强度都有增加；
②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．如图所示．
4．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．
【例】 (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
ACD [由图可知，随温度升高，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短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误．]
电磁波的辐射和吸收
(1)比较辐射、吸收首先要分清是黑体还是一般物体．
(2)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．
(3)能量子假说的意义：可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象．
(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．一般物体辐射电磁波的情况只与材料有关
D．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
AD [根据热辐射定义知A对；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，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B、C错、D对．]
1．下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中错误的是( )
A．微波是指波长在10－3 m到10 m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
B [微波的波长范围是1 mm到10 m，A正确．微波能在真空中传播，B不正确．黑体热辐射实际上是电磁辐射，C正确．普朗克在研究黑体的热辐射问题时提出了能量子假说，D正确．]
2．在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用．蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的．假设老鼠的体温约37 ℃，它发出的最强的热辐射的波长为λmin.根据热辐射理论， λmin与辐射源的绝对温度T(T＝273＋t)的关系近似为Tλmin＝2.90×10－3m·K.求老鼠发出最强的热辐射的波长．
[解析] 由Tλmin＝2.90×10－3m·K可得，老鼠发出最强的热辐射的波长为λmin＝eq \f(2.90×10－3,T)m＝eq \f(2.90×10－3,273＋37)m＝9.4×10－6m.
[答案] 9.4×10－6 m
对黑体及黑体辐射的理解
热辐射特点
吸收、反射特点
一般物体
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
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
完全吸收各种入射电磁波，不反射
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.黑体与黑体辐射的概念.
2.黑体辐射的实验规律.