2018-2019版高中物理第2章波和粒子2.1拨开黑体辐射的疑云学案沪科版选修3 .docx

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2.1　拨开黑体辐射的疑云 [学习目标]　1.了解热辐射和黑体辐射的概念，了解黑体辐射的实验规律.2.了解能量子的概念及其提出的科学过程.3.了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点． 一、黑体与黑体辐射 [导学探究]　1.什么是热辐射？这种辐射与温度有何关系？ 答案　物体在任何温度下，都会发射电磁波，温度不同，所发射的电磁波的频率、强度也不同，这种现象叫做热辐射． 辐射强度按波长的分布情况是：随物体的温度的升高，热辐射中波长较短的电磁波成分越来越强． 2．什么是黑体辐射？它与热辐射有什么不同？ 答案　能够完全吸收各种波长的电磁波而不产生反射的物体，叫做黑体． 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，而热辐射还与其他因素有关(材料的种类和表面状况)． [知识梳理] 1．热辐射 (1)定义：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，所以叫热辐射． (2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同． 2．黑体 (1)定义：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． (2)黑体辐射特点：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． [即学即用]　判断下列说法的正误． (1)黑体一定是黑色的物体．(　　) (2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体．(　√　) (3)只有高温物体才能辐射电磁波．(　　) (4)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大．(　√　) 二、黑体辐射的实验规律 [导学探究] 1．黑体辐射电磁波的强度按波长分布如图1所示，当温度从750K升高到6000K时，各种波长的电磁波的辐射强度怎么变化？辐射强度极大值对应的波长如何变化？ 图1 答案　变强．辐射强度极大值向波长较短的方向移动，即变短． 2．你认为现实生活中存在理想的黑体吗？ 答案　现实生活中不存在理想的黑体，实际的物体都能辐射红外线(电磁波)，也都能吸收和反射红外线(电磁波)，绝对黑体不存在，是理想化的模型． [知识梳理]　黑体辐射的实验规律 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着波长较短的方向移动． [即学即用]　判断下列说法的正误． (1)黑体是一种客观存在的物质．(　　) (2)黑体辐射随温度升高强度变强．(　√　) 三、能量子 [导学探究]　某激光器能发射波长为λ的激光，那么激光光量子的能量可以取任意值吗？是连续的还是一份一份的？设普朗克常量为h，那么每个激光光量子的能量是多少？如果激光发射功率为P，那么每秒钟发射多少个光量子？ 答案　光量子的能量是不连续的，而是一份一份的，每个光量子的能量E＝hν，个数n＝＝. [知识梳理]　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ε的整数倍，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ε叫做能量子． 2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量．h＝6.62610－34Js(一般取h＝6.6310－34Js)． 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． [即学即用] 1．判断下列说法的正误． (1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍．(　√　) (2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比．(　√　) 2．人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉．普朗克常量为6.6310－34 Js，真空中光速为3108m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是(　　) A．2.310－18W B．3.810－19W C．7.010－10W D．1.210－18W 答案　A 解析　因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉．所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝，式中E＝6ε，又ε＝hν＝h， 可解得P＝W≈2.310－18W. 一、黑体辐射的规律 1．一般物体的辐射与黑体辐射的比较 热辐射特点 吸收、反射特点 一般物体 辐射与温度有关，与表面状况有关，温度越高，辐射电磁波波长越短 既吸收、又反射，其能力与入射波长有关，吸收能力强、反射弱的较黑 黑体 辐射强度按波长的分布只与温度有关，与表面无关 不反射，完全吸收各种入射电磁波 特别提示　(1)热辐射不一定需要高温，任何物体任何温度均存在热辐射，只是温度越高，辐射的能量越多，电磁波的短波成分越多． (2)并不是所有的发光都是热辐射，如激光、日光灯发光不是热辐射． 2．随着温度的升高，黑体辐射的各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动． 例1　(多选)黑体辐射的实验规律如图2所示，由图可知(　　) 图2 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 解析　由题图可知，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． 针对训练1　关于对黑体的认识，下列说法正确的是(　　) A．黑体不仅能吸收电磁波，也能反射电磁波 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 二、能量子的理解和计算 1．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． 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． 3．能量子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是电磁波的频率． 例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为单位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 答案　ABD 解析　带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的，故选项A、B、D正确，C错误． 针对训练2　“神光Ⅱ”装置是高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400J、波长λ为0.35μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6.6310－34Js，真空中光速c＝3.0 108m/s，则该紫外激光所含光子数为多少个？(结果保留两位有效数字) 答案　4.21021 解析　每个激光光子的能量为ε＝h，该紫外激光中所含光子数为n＝＝个≈4.21021个． 1．思维程序：c＝λν→光的频率能量子的能量激光束的总能量E＝nε→能量子的个数 2．解决此类题目的关键是熟练掌握ε＝hν和c＝λν及E＝nε＝Pt等公式． 1.(对黑体辐射规律的理解)(多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看做黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度．如图3所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像，则下列说法正确的是(　　) 图3 A．T1>T2 B．T1T2，本题正确选项为A、D. 2．(对热辐射规律的理解)“非典”期间，很多地方用红外线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，关于其中原理，下列说法正确的是(　　) A．人的体温会影响周围空气温度，仪器通过测量空气温度便可知道人的体温 B．仪器发出的红外线遇人反射，反射情况与被测者的温度有关 C．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较短波长的成分强 D．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较长波长的成分强 答案　C 解析　根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加；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．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，通过监测被测者辐射的红外线的情况就可知道这个人的体温，C正确． 3．(对能量子的理解)(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是(　　) A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍 C．能量子与电磁波的频率成正比 D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的 答案　BC 解析　由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A错误，B正确；最小能量值ε＝hν，C正确． 4．(能量量子化的理解)硅光电池是将光辐射的能量转化为电能．若有N个波长为λ0的光子打在硅光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量，真空中光速为c)(　　) A．hB．NhC．Nhλ0D．2Nhλ0 答案　B 解析　一个光子的能量ε＝hν＝h，则N个光子的总能量E＝Nh，选项B正确． 一、选择题 考点一　黑体辐射的理解和应用 1．关于对热辐射的认识，下列说法中正确的是(　　) A．热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波 B．温度越高，物体辐射的电磁波越强 C．辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关 D．常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色 答案　B 解析　一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，对于一般材料的物体，辐射强度按波长的分布除与物体的温度有关外，还与材料的种类和表面状况有关；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色． 2．对黑体辐射电磁波的强度按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 答案　A 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，A对． 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(　　) 答案　A 解析　随着温度的升高，黑体辐射的强度与波长的关系：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．由此规律可知应选A. 4．下列叙述错误的是(　　) 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　B 解析　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错，C对；根据黑体定义知D对．本题应选B项． 考点二　能量子的理解和应用 5．普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，开创了物理学的新纪元．在下列宏观概念中，具有“量子化”特征的是(　　) A．人的个数 B．物体所受的重力 C．物体的动能 D．物体的长度 答案　A 解析　依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地变化的，属于“不连续的，一份一份”的概念的是A选项，故A正确，B、C、D错误． 6．已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为(　　) A．h B. C. D．以上均不正确 答案　A 解析　由波速公式c＝λν可得：ν＝，由光的能量子公式得ε＝hν＝h，故选项A正确． 7．能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18J，已知可见光的平均波长为0.6μm，普朗克常量h＝6.6310－34Js，恰能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为(　　) A．1个B．3个C．30个D．300个 答案　B 解析　每个光子的能量为E0＝h，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E为10－18 J，由E＝nE0得能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为n＝＝＝个≈3个．故选B. 8．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的关系近似为Tλmin＝2.9010－3mK，则老鼠发出的最强的热辐射的波长为(　　) A．7.810－5m B．9.410－6m C．1.1610－4m D．9.710－8m 答案　B 解析　由Tλmin＝2.9010－3mK可得，老鼠发出最强的热辐射的波长为λmin＝＝m≈9.410－6m，B正确． 9．红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况．地球大气中的水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波，只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收．如图1所示为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围是(　　) 图1 A．2.5～3.5μm B．4～4.5μm C．5～7μm D．8～13μm 答案　D 解析　由题图可知，水对红外辐射吸收率最低的波长范围是8～13 μm；二氧化碳对红外辐射吸收率最低的波长范围是5～13 μm.综上可知，应选D. 二、非选择题 10．(能量子个数的计算)40瓦的白炽灯，有5%的能量转化为可见光．设所发射的可见光的平均波长为580nm，那么该白炽灯每秒钟辐射的光子数为多少？(普朗克常量h＝6.6310－34Js，光速c＝3108m/s) 答案　5.81018个 解析　波长为λ的光子能量为：ε＝hν＝h① 设白炽灯每秒内发出的光子数为n，白炽灯电功率为P，则： n＝② 式中，η＝5%是白炽灯的发光效率．联立①②式得：n＝ 代入题给数据得：n≈5.81018(个) 11．(能量子的理解和计算)某广播电台的发射功率为10kW，发射的是在空气中波长为187.5m的电磁波，则：(普朗克常量h＝6.6310－34Js，光速c＝3108m/s) (1)该电台每秒从天线发射多少个能量子？ (2)若发射的能量子在以天线为球心的同一球面上的分布视为均匀的，求在离天线2.5km处，直径为2m的球状天线每秒接收的能量子个数以及接收功率． 答案　(1)9.41030个　(2)3.761023个　410－4W 解析　(1)每个能量子的能量 ε＝hν＝＝J≈1.0610－27J 则每秒电台发射上述波长能量子数N＝≈9.41030个 (2)设球状天线每秒接收能量子数为n个，以电台发射天线为球心，则半径为R的球面积S＝4πR2，而球状天线的有效接收面积S′＝πr2，所以n＝N＝N＝9.41030个＝3.761023个 接收功率P收＝＝3.7610231.0610－27W≈410－4W.