高中物理 第2章 波和粒子 2_1 拨开黑体辐射的疑云教师用书 沪科版选修3-5

1.对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是( )A ．温度B ．材料C ．表面状况D ．以上都正确解析：选A.根据黑体辐射电磁波波长分布的决定因素，得其只与温度有关．2.能正确解释黑体辐射实验规律的是( )A ．能量的连续经典理论B ．普朗克提出的能量量子化理论C ．以上两种理论体系任何一种都能解释D ．牛顿提出的能量微粒说解析：选B.根据黑体辐射的实验规律，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都有所增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释，故B 正确．3.以下宏观概念，哪些是“量子化”的( )A ．一颗树苗生长的高度B ．从车站开出的汽车驶过的路程C ．人的个数D ．烧水时温度计的示数解析：选C.A 、B 、D 三个选项描述的内容都是连续的，只有C 项是不连续的，即量子化的．4.以下关于辐射强度与波长的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解析：选BC.由辐射强度随波长变化关系知：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．故B 、C 项正确．5.对应于3.4×10－19 J 的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？它是什么颜色？解析：根据公式E ＝hν和ν＝c λ得 ν＝E h ＝3.4×10－196.63×10－34 Hz ＝5.13×1014 Hz λ＝cν＝3.0×1085.13×1014 m ＝5.85×10－7 m. 5．13×10－14 Hz 的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，其波长为5.85×10－7 m.答案：5.13×10－14 Hz 5.85×10－7 m 黄色一、选择题1.下列说法正确的是()A．只有温度高的物体才会有热辐射B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量C．黑体也可以看起来很明亮，是因为黑体也可以有较强的辐射D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面状况有关答案：CD2.2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化．他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点．下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法中正确的是() 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设解析：选ACD.微波是一种电磁波，传播不需要介质，B错；由于分子和原子的热运动引起的一切物体不断向外辐射的电磁波又叫热辐射，C正确．3.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有增加B．随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加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解析：选ACD.由题图可知，随温度升高，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，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B 错误．4.一束红光从空气射入折射率为1.5 的玻璃，则这束红光的能量子将()A．变小B．变大C．不变D．不能确定解析：选C.光的能量子为E＝hν，光的频率并不改变，因此该题选C.5.普朗克常量是自然界的一个基本常数，它的数值是()A．6.02×10－23 mol B．6.625×10－3 mol·sC．6.626×10－34 J·s D．1.38×10－16 mol·s解析：选C.普朗克常量是一个定值，由实验测得它的精确数值为6.626×10－34 J·s，在记忆时关键要注意它的单位．6.对一束太阳光进行分析，下列说法正确的是()A．太阳光是由各种单色光组成的复合光B．在组成太阳光的各单色光中，其能量子最大的光为红光C ．在组成太阳光的各单色光中，其能量子最大的光为紫光D ．组成太阳光的各单色光，其能量子都相同解析：选AC.根据棱镜散射实验得：太阳光是由各种单色光组成的复合光，故A 正确．根据能量子的概念得：光的能量与它的频率有关，而频率又等于光速除以波长，由于红光波长最长，紫光波长最短，可以得出各单色光中能量子最强的为紫光，能量子最弱的为红光，即B 、D 错，C 正确．7.(2012·福州高二检测)某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P ，c 表示光速，h 为普朗克常量，则激光器每秒发射的光的能量子数为( )A.λP hcB.hP λcC.cP λh D ．λPhc解析：选A.每个能量子的能量E ＝hν＝hc λ，每秒钟发光的总能量为P ，则n ＝P E ＝λP hc . 8.人眼对绿光最为敏感．正常人的眼睛接收到波长为530 nm 的绿光时，只要每秒有6个绿光的光的能量子射入瞳孔，眼睛就能察觉．普朗克常量为6.63×10－34 J ·s ，光速为3.0×108m/s ，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是( )A ．2.3×10－18 WB ．3.8×10－19 WC ．7.0×10－10 WD ．1.2×10－18 W解析：选A.每秒有6个绿光的光的能量子射入瞳孔，所以人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率为P ＝6hc λt ＝6×6.63×10－34×3×108530×10－91 W ＝2.3×10－18 W. 9.红光和紫光相比，下列说法正确的是( )A ．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大B ．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大C ．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小D ．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小解析：选B.红光与紫光相比，红光波长较长、频率较低、能量子能量较低、在同种介质中传播速度较大．二、非选择题10.医生用红外热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知他的体温是多少，你知道其中的道理吗？答案：人体发出的红外线随着温度的升高，红外线的波长减小，频率增加，红外线辐射强度增加，因此可以用监测仪器测量人体的温度．11.经测量，人体表面辐射本领的最大值落在波长为94 μm 处．根据电磁辐射的理论得出，物体最强辐射的波长与物体的绝对温度的关系近似为Tλm ＝2.90×10－2 m ·K ，由此估算人体表面的温度和辐射的能量子的值各是多少？解析：人体辐射的能量子值为E ＝h c λ＝6.63×10－34×3×10894×10－6 J ＝2.12×10－21 J ， 人体表面温度为T ＝2.90×10－2λm ＝2.90×10－294×10－6K ＝309 K ≈36 ℃. 答案：36 ℃ 2.12×10－21 J12.太阳光垂直射到地面上时，地面上1 m 2接受的太阳光的功率为1.4 kW ，其中可见光部分约占45%.(1)假如认为可见光的波长约为0.55 μm.日地间距离R ＝1.5×1011 m ．普朗克常量h ＝6.6×10－34 J ·s ，估算太阳每秒辐射出的可见光能量子数为多少？(2)若已知地球的半径为6.4×106 m ，估算地球接受的太阳光的总功率．解析：(1)设地面上垂直阳光的1 m 2面积上每秒钟接收的可见光光子数为n ，则有P ×45%＝n ·h c λ. 解得n ＝0.45λP hc＝0.45×0.55×10－6×1.4×1036.6×10－34×3×108个＝1.75×1021个． 设想一个以太阳为球心，以日地间距离为半径的大球面包围着太阳．大球面接受的光能量子数即等于太阳辐射的全部光能量子数．则所求可见光能量子数．N ＝n ·4πR 2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2个＝4.9×1044个．(2)地球背着阳光的半个球面没有接收太阳光，地球向阳的半个球面面积也不都与太阳光垂直．接收太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆的平面的面积．则地球接收阳光的总功率为P 地＝P ·πr 2＝1.4×3.14×(6.4×106)2 kW＝1.8×1014 kW.答案：(1)4.9×1044个 (2)1.8×1014 kW。

2.1 拨开黑体辐射的疑云-沪科教版选修3-5教案1. 教学目标1.了解电磁辐射的基本概念和种类；2.了解黑体辐射的特点，理解普朗克“量子化假设”；3.掌握斯特藩–玻尔兹曼定律，学会计算黑体辐射功率；4.学会使用太阳光度测量仪，进行太阳光谱的观测；5.培养学生的思辩能力和科学探究精神。

2. 教学重点1.黑体辐射的特点；2.普朗克“量子化假设”；3.斯特藩–玻尔兹曼定律；4.计算黑体辐射功率。

3. 教学方法1.讲授法；2.实验法；3.讨论法。

4. 教学过程【Step 1】导入新课老师可以放一段视频，让学生们观察太阳的形态，引导学生对太阳的光谱进行初步探究。

【Step 2】概念的讲解黑体辐射是指一种理想化的辐射体，在不考虑辐射线的干扰下所发出的辐射。

普朗克“量子化假设”揭示了黑体辐射的发射规律，斯特藩–玻尔兹曼定律则描述了黑体辐射的功率密度与温度之间的关系。

【Step 3】实验操作在实验室进行黑体辐射的实验，并且进行数据的收集和处理。

学生可以根据收集到的数据计算黑体辐射功率。

【Step 4】思辨性讨论让学生们讨论太阳的光谱特征，并且开展一场关于太阳光度测量仪的讨论。

学生可以提出一些猜想，进行实验验证，以培养学生的思辩能力和科学探究精神。

【Step 5】教学实施教师可以运用讲授、实验、讨论的方式进行教学，引导学生主动思考，通过实验来加深对黑体辐射的认识和理解，探究太阳的光谱特征，并且形成自己的思考和见解。

5. 教学评价通过课堂教学，学生可以了解电磁辐射的基本概念和种类，了解黑体辐射的特点，理解普朗克“量子化假设”，掌握斯特藩–玻尔兹曼定律，并且学会计算黑体辐射功率。

通过太阳光度测量仪的实验，学生也掌握了测量仪器测量太阳光谱的方法和步骤，并且学会使用实验数据进行推理和归纳。

在教学中，教师注重引导学生思考和讨论，培养学生的探究能力和科学思维，同时在课后还可以通过作业和考试等方式对学生进行评价和检测。

学习目标知识脉络1.知道什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射．(重点)2．知道黑体辐射的实验规律，了解黑体辐射的强度与波长的关系．(重点)3．理解能量子的概念，理解能量量子化．(难点)第二朵“乌云”——紫外灾难[先填空]1．黑体与黑体辐射(1)热辐射物体在任何温度下，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．热辐射与物体的温度有关．(2)黑体能够完全吸收投射到其表面的电磁波而不产生反射的物体，我们称之为绝对黑体，简称黑体．(3)黑体辐射的实验规律黑体辐射电磁波的本领按波长的分布只与黑体的温度有关．①随着温度的升高，各种波长的辐射本领都增加；②随着温度的升高，辐射本领的最大值向波长较短的方向移动．2．“紫外灾难”科学家从理论上解释黑体辐射的规律有维恩公式和瑞利公式．(1)维恩公式德国物理学家维恩从热力学理论出发，得到的公式只是在短波部分与实验相符，长波部分存在明显差异．(2)瑞利公式英国物理学家瑞利从经典电磁理论出发，得到的公式在长波部分与实验吻合，短波部分偏差较大，尤其在紫外线一端，当波长趋于零时，辐射本领趋于无穷大，人们称之为“紫外灾难”．[再判断]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．热辐射一定在高温下才能发生．(×)[后思考]黑体是指黑颜色的物体吗？【提示】黑体不是指黑颜色的物体，是指能完全吸收电磁波的物体．[核心点击]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2­1­1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．图2­1­12．一般物体与黑体的比较热辐射特点吸收、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2­1­2所示．图2­1­21．(多选)黑体辐射的实验规律如图2­1­3所示，由图可知( )图2­1­3A．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短的方向移动【解析】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正确，B、D错误．【答案】AC2．下列叙述正确的是( )【导学号：060920xx】A．只有温度高的物体在辐射电磁波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【解析】根据热辐射定义知A错；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．【答案】D(1)热辐射不一定需要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强．(2)在一定温度下，不同物体所辐射的光谱成分显著不同．普朗克假设驱“乌云”[先填空]1．普朗克公式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，推导出了普朗克公式，把它与实验数据进行比较，发现与实验结果“令人满意地相符”．2．普朗克设想黑体的空腔壁是由大量振子组成的，其能量E只能是某一最小能量值hν的整数倍，即E＝nhν(n＝1,2,3，…)式中ν为振子的频率，h是一个常量，h＝6.63×10－34_J·s.最小能量hν叫做能量子 .在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化．3．意义普朗克能量子假设，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．[再判断]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．(√)3．光滑水平桌面上匀速运动的小球的动能也是量子化的．(×) [后思考]为了得出同实验相符的黑体辐射公式，普朗克提出了什么样的观点？【提示】普朗克提出了量子化的观点．量子化是微观世界的基本特点，其所有的变化都是不连续的．[核心点击]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．3．(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．辐射或吸收的能量是某一最小值的整数倍C．辐射和吸收的能量是量子化的D．辐射的能量是量子化的，吸收的能量是连续的。