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第十七章 波粒二象性,1 能量量子化,情 景 導(dǎo) 入,在莎士比亞的喜劇《威尼斯商人》中,高利貸者夏洛克對(duì)什么東西都貪得無(wú)厭,人們說(shuō)他是個(gè)“黑心”的人。夏洛克貪的是金錢(qián),“黑體”貪的是電磁波。那么到底什么是黑體?黑體輻射有什么特點(diǎn)?,思 維 導(dǎo) 圖,一,二,三,填一填,練一練,一、黑體與黑體輻射(見(jiàn)課本第27頁(yè)) 1.熱輻射:我們周圍的一切物體都在輻射電磁波。這種輻射與物體的溫度有關(guān),所以叫作熱輻射。 2.黑體:某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射,這種物體就是絕對(duì)黑體,簡(jiǎn)稱黑體。,,,,,,,一,二,三,填一填,練一練,二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(見(jiàn)課本第27頁(yè)) 1.一般材料的物體,輻射電磁波的情況,除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀況有關(guān)。 2.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān),如圖所示。 (1)隨著溫度的升高,各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加。 (2)隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。,,,,,,,一,二,三,填一填,練一練,三、能量子(見(jiàn)課本第28頁(yè)) 1.定義:普朗克認(rèn)為,振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍,當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí), 也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的,這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 2.能量子大小:ε=hν,其中ν是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。h=6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。 3.能量的量子化 在微觀世界中能量是量子化的,或者說(shuō)微觀粒子的能量是分立的。,,,,,,填一填,練一練,下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的圖中,符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是( ),填一填,練一練,解析:黑體輻射規(guī)律:隨著溫度的升高,一方面各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加,另一方面輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。據(jù)此規(guī)律可知A圖正確。 答案:A,,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一對(duì)黑體和黑體輻射的理解 很多地方用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)人的體溫,只要被測(cè)者從儀器前走過(guò),便可知道他的體溫是多少,你知道其中的道理嗎?,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,對(duì)黑體和黑體輻射的理解 (1)對(duì)黑體的理解:絕對(duì)的黑體實(shí)際上是不存在的,但可以用某裝置近似地代替。如圖所示,如果在一個(gè)空腔壁上開(kāi)一個(gè)小孔,那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收,最終不能從空腔射出,這個(gè)小孔就成了一個(gè)絕對(duì)黑體。 (2)對(duì)黑體輻射的理解:任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的,也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān),因而被稱為熱輻射。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(3)一般物體與黑體的比較:,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(4)對(duì)熱輻射的理解 ①在任何溫度下,任何物體都會(huì)發(fā)射電磁波,并且其輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同,這是熱輻射的一種特性。 在室溫下,大多數(shù)物體輻射的是不能引起視覺(jué)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波——紅外光;但當(dāng)物體被加熱到500 ℃左右時(shí),開(kāi)始發(fā)出暗紅色的可見(jiàn)光。隨著溫度的不斷上升,輝光逐漸亮起來(lái),而且熱輻射中較短波長(zhǎng)的成分越來(lái)越多,即能引起視覺(jué)的電磁波越來(lái)越多,大約在1 500 ℃時(shí)變成明亮的白熾光。 這說(shuō)明同一物體在一定溫度下所輻射的能量在不同光譜區(qū)域的分布是不均勻的,而且溫度越高光譜中與能量最大的輻射相對(duì)應(yīng)的頻率也越高。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,②在一定溫度下,不同物體所輻射的光譜成分有顯著的不同。例如,將鋼加熱到約800 ℃時(shí),就可觀察到明亮的紅色光,但在同一溫度下,熔化的水晶卻不輻射可見(jiàn)光。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題1】對(duì)黑體的認(rèn)識(shí),下列說(shuō)法正確的是( ) A.黑體只吸收電磁波,不反射電磁波,看上去是黑的 B.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布除與黑體的溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀況有關(guān) C.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān),與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān) D.如果在一個(gè)空腔壁上開(kāi)一個(gè)很小的孔,射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收,最終不能從小孔射出,這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:由于黑體自身輻射電磁波,所以看上去不一定是黑的,所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤;由于黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān),所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤,選項(xiàng)C正確;小孔只吸收電磁波,不反射電磁波,因此是小孔成了一個(gè)黑體,而不是空腔成了一個(gè)黑體,所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 答案:C,,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練 下列敘述正確的是( ) A.一切物體都在輻射電磁波 B.一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān) C.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān) D.黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波 解析:根據(jù)熱輻射的定義知,選項(xiàng)A正確;根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知,一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外,還與材料種類和表面狀況有關(guān),而黑體輻射只與黑體的溫度有關(guān),故選項(xiàng)B錯(cuò)誤,選項(xiàng)C正確;根據(jù)黑體的定義知選項(xiàng)D正確。 答案:ACD,,,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究二對(duì)能量子的認(rèn)識(shí) 德國(guó)物理學(xué)家普朗克對(duì)黑體輻射問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究,于1900年推導(dǎo)出了普朗克公式。德國(guó)物理學(xué)家魯本斯把它與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果“令人滿意地相符”。但所有推導(dǎo)都是建立在一個(gè)最重要的假設(shè)基礎(chǔ)之上,這個(gè)假設(shè)是什么呢?,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.普朗克的量子化假設(shè) (1)能量子: 振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。例如,可能是ε或2ε、3ε……當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí),也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的。這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 (2)能量子公式:ε=hν ν是電磁波的頻率,h是一個(gè)常量,后人稱之為普朗克常量,其值為 h=6.626×10-34 J·s。 (3)能量的量子化: 在微觀世界中能量不能連續(xù)變化,只能取分立值,這種現(xiàn)象叫作能量的量子化。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,2.量子化假設(shè)的實(shí)驗(yàn)證實(shí) 普朗克公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果“令人滿意地相符”。如圖所示,曲線是根據(jù)普朗克的公式作出的,小圓代表實(shí)驗(yàn)值。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,3.普朗克的量子化假設(shè)的意義 (1)普朗克的能量子假設(shè),使人類對(duì)微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí),對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。成為物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 (2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征。,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題2】神光Ⅱ裝置是我國(guó)規(guī)模最大、國(guó)際上為數(shù)不多的高功率固體激光系統(tǒng),利用它可獲得能量為2 400 J、波長(zhǎng)λ為0.35 μm的紫外激光,已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,則該紫外激光所含光子數(shù)為多少個(gè)?,,,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1,2,3,4,5,1.對(duì)黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)分布的影響因素是( ) A.溫度 B.材料 C.表面狀況 D.以上都正確 解析:根據(jù)黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)分布的決定因素知,其只與溫度有關(guān)。 答案:A,,,1,2,3,4,5,2.普朗克常量是自然界的一個(gè)基本常數(shù),它的數(shù)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 解析:普朗克常量是一個(gè)定值,由實(shí)驗(yàn)測(cè)得它的精確數(shù)值為6.626×10-34 J·s,在記憶時(shí)關(guān)鍵要注意它的單位。 答案:C,,,1,2,3,4,5,3.關(guān)于黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律敘述正確的有( ) A.隨著溫度的升高,各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加 B.隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng) C.黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān) D.黑體輻射無(wú)任何實(shí)驗(yàn)規(guī)律 解析:黑體輻射的強(qiáng)度與溫度有關(guān),溫度越高,黑體輻射的強(qiáng)度越大,A項(xiàng)正確;隨著溫度的升高,黑體輻射的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng),B項(xiàng)正確;黑體輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)有關(guān),C項(xiàng)錯(cuò)誤;黑體輻射有實(shí)驗(yàn)規(guī)律,D項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案:AB,,,1,2,3,4,5,4.紅、橙、黃、綠四種單色光中,光子能量最小的是( ) A.紅光 B.橙光 C.黃光 D.綠光 解析:根據(jù)愛(ài)因斯坦的光子說(shuō),光子的能量ε=hν,h為普朗克常量,說(shuō)明光子的能量與光的頻率成正比,而四種單色光中,綠光的頻率最大,紅光的頻率最小,故光子能量最小的是紅光,A項(xiàng)正確。 答案:A,,,1,2,3,4,5,5. (選做題)以下關(guān)于輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系的說(shuō)法中正確的是( ) A.物體在某一溫度下只能輻射某一固定波長(zhǎng)的電磁波 B.當(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時(shí),說(shuō)明它的溫度不太高 C.當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)赤紅色,說(shuō)明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng) D.早、晚時(shí)分太陽(yáng)呈現(xiàn)紅色,而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色,說(shuō)明中午時(shí)分太陽(yáng)溫度最高 解析:由輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖知:隨著溫度的升高各種波長(zhǎng)的波的輻射強(qiáng)度都增加,而熱輻射不是僅輻射一種波長(zhǎng)的電磁波。故正確選項(xiàng)為BC。 答案:BC,,,