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17-1

上传时间: 2014-08-23

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1　能量量子化

1．了解黑体辐射，感悟以实验为基础的科学探究方法．

2．了解能量子的概念及其提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想．

3．通过观察辐射图象培养自己的观察能力．

4．了解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.

一、黑体与黑体辐射

 热辐射

(1)定义：周围的一切物体都在辐射，这种辐射与

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而有所不同．

电磁波

物体温度

温度

黑体

(1)定义：某种物体能够入射的各种波长的电磁波而不发生，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有关．

特别提醒：一般物体的热辐射除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．

完全吸收

反射

温度

二、黑体辐射的实验规律

 如图17-1-1所示，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加．

图17-1-1

辐射强度的极大值向着波长的方向移动．

较短

三、能量子

 定义：普朗克认为，带电微粒辐射或吸收能量时，只能是辐射或吸收某个最小能量值的，这个不可再分的最小能量值叫做能量子．

 大小：＝hv，其中v是，h是，数值h＝ (一般h取6.63×10－34 J·s).

整数倍

电磁波的频率

普朗克常量

6.626×10－34 J·s

一、黑体

 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17-1-2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17-1-2

注意　黑体是一个理想化的物理模型．黑体看上去不一定是黑色的．

一般物体与黑体的比较

二、紫外灾难

对于怎样解释黑体辐射的实验规律问题，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．结果发现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”．

三、普朗克能量量子化假说的理解

 能量子

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，ε＝hv，其中ν是电磁波的频率，h是常量，叫普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s，在计算问题中一般取h＝6.63×10－34 J·s.

能量的量子化

在微观世界里，能量不能连续变化，只能取一系列的分立值，这种现象叫做能量的量子化．

辐射强度

如图17-1-3所示，假设与实验结果“令人满意地相符”，图中小圆点表示实验值，曲线是根据普朗克公式作出的．

图17-1-3

能量子假说的意义

普朗克的能量子假说，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．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，架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁．

注意　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．

教材资料分析

思考与讨论

1．[教材P27]

(1)在火炉旁边有什么感觉？

(2)投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？

点拨　(1)在火炉旁边会感到很热，这是因为火炉不断地向外辐射能量．

(2)投在炉中的铁块一开始是黑色，过一会儿随着温度的升高，铁块逐渐变为红色，这是因为同一物体热辐射的强度与温度有关．

2．[教材P27]

一座建设中的楼房还没有安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？

点拨　从远处观察，会发现窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，窗内很暗，这是因为从外界来的光线，经窗口射入室内，大部分光线要在室内经过多次反射，才可能有机会射出窗口，在多次反射的过程中，大部分光线被吸收掉，再从窗口射出的光线将是很少的．

热辐射规律的理解和应用

图17-1-4

【典例1】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17-1-4所示，就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短方向移动

解析　一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度(T)、辐射波的波长、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体，黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关．实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．从图中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，本题正确选项为A、D.

答案　AD

借题发挥　随着温度的升高，各种波长的辐射本领都在增加，当黑体温度升高时，辐射本领最大值向短波方向移动，这是黑体辐射的特点，熟悉黑体辐射特点是解决问题的关键．

【变式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

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，而黑体辐射只与黑体温度有关，B错、C对；根据黑体定义知D对．

答案　ACD

能量子的理解及ε＝hv的应用

【典例2】光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400 nm～700 nm.求400 nm、700 nm电磁辐射的能量子的值各是多少？

答案　4.97×10－19 J　2.84×10－19 J

借题发挥　(1)求解本题关键有两点：一是能根据已知条件求得每一个能量子的能量，另外必须明确激光器发射的能量是这些能量子能量的总和．

(2)这类习题数量级比较大，注意运算当中提高运算准确率．

【变式2】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

解析　带电微粒的辐射和吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍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选项错．

答案　ABD

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