高二

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第十七章

波粒二象性

§17.1

能量量子化

【學習目標】

1．知道什么是黑體與黑體輻射。

2．了解“紫外災難”。

3．知道什么叫能量子及其含意。

【重點和難點】

1．重點：黑體輻射的實驗規律

能量量子化

2．難點：黑體輻射的理解

【新課教學】

1．我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的________有關，所以叫做熱輻射。

2．如果某種物體能夠________入射的各種波長的電磁波而不發生________，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的________有關。

3．普朗克假說：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的________。當帶電微粒輻射或吸收能量時，也是以這個最小能量值為單位________地輻射或吸收的。這個不可再分的最小能量值ε叫做________，ε＝________，ν是電磁波的頻率，h是一個常量，后被稱為普朗克常量。其值為h＝________

J·s。

4．黑體與黑體輻射

(1)熱輻射

①定義：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，所以叫熱輻射。

②熱輻射的特點

物體在任何溫度下都會發射電磁波，熱輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。當物體溫度較低時(如室溫)，熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波(在紅外線區域)，不能引起人的視覺；當溫度升高時，熱輻射中較短波長的成分越來越強，可見光所占份額增大。

(2)黑體

①定義：在熱輻射的同時，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波。如果一個物體能夠完全吸收投射到其表面的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。

②黑體輻射的特性：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。

5．黑體輻射的實驗規律

(1)溫度一定時，黑體輻射強度隨波長的分布有一個極大值。

(2)隨著溫度的升高

①各種波長的輻射強度都有增加；

②輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，黑　體

一般物體

熱輻射特點

輻射電磁波的強度按波長(或頻率)的分布只與黑體的溫度有關

輻射電磁波的情況與溫度、材料的種類及表面狀況有關

吸收及反射特點

完全吸收各種入射電磁波，不反射

既吸收，又反射，其能力與材料的種類及入射波長等因素有關

【課堂例題】

【例1】：黑體輻射的實驗規律如圖所示，由圖可知

（）

A．隨溫度升高，各種波長的輻射強度都有增加

B．隨溫度降低，各種波長的輻射強度都有增加

C．隨溫度升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動

D．隨溫度降低，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動

【例2】：關于對普朗克能量子假說的認識，下列說法正確的是

（）

A．振動著的帶電微粒的能量只能是某一能量值ε

B．帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數倍

C．能量子與電磁波的頻率成正比

D．這一假說與現實世界相矛盾，因而是錯誤的【例3】：紅光和紫光相比

（）

A．紅光光子的能量較大；在同一種介質中傳播時紅光的速度較大

B．紅光光子的能量較小；在同一種介質中傳播時紅光的速度較大

C．紅光光子的能量較大；在同一種介質中傳播時紅光的速度較小

D．紅光光子的能量較小；在同一種介質中傳播時紅光的速度較小

【例4】：光是一種電磁波，可見光的波長的大致范圍是400—700

nm、400

nm、700

nm電磁輻射的能量子的值各是多少？

【課后反饋】

1．關于對黑體的認識，下列說法正確的是

（）

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度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關

C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關

D．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸

收，最終不能從小孔射出，這個空腔就成了一個黑體

2．關于對熱輻射的認識，下列說法中正確的是

（）

A．熱的物體向外輻射電磁波，冷的物體只吸收電磁波

B．溫度越高，物體輻射的電磁波越強

C．輻射強度按波長的分布情況只與物體的溫度有關，與材料種類及表面狀況無關

D．常溫下我們看到的物體的顏色就是物體輻射電磁波的顏色

3．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

4．某種光的光子能量為E，這種光在某一種介質中傳播時的波長為λ，則這種介質的折射率為()

A．

B．

C．

D．

5．某激光器能發射波長為λ的激光，發射功率為P，c表示光速，h表示普朗克常量，則激光器每秒發射的能量子數為

（）

A．

B．

C．

D．

6．2006年度諾貝爾物理學獎授予了兩名美國科學家，以表彰他們發現了宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀及其溫度在不同方向上的微小變化。他們的出色工作被譽為是宇宙學研究進入精密科學時代的起點。下列與宇宙微波背景輻射的黑體譜相關的說法中正確的是()

A．微波是指波長在10－3

m到10

m之間的電磁波

B．微波和聲波一樣都只能在介質中傳播

C．黑體的熱輻射實際上是電磁輻射

D．普朗克在研究黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說

7．在自然界生態系統中，蛇與老鼠和其他生物通過營養關系構成食物鏈，在維持生態平衡方面發揮著重要作用。蛇是老鼠的天敵，它是通過接收熱輻射來發現老鼠的。假設老鼠的體溫約為37

℃，它發出的最強的熱輻射的波長為λm。根據熱輻射理論，λm與輻射源的絕對溫度T的關系近似為Tλm＝2.90×10－3

m·K。

(1)

老鼠發出最強的熱輻射的波長為

()

A．7.8×10－5

m

B．9.4×10－6

m

C．1.16×10－4

m

D．9.7×10－8

m

(2)

老鼠發出的最強的熱輻射屬于

()

A．可見光波段

B．紫外波段

C．紅外波段

D．X射線波段

8．二氧化碳能強烈吸收紅外長波輻射，這種長波輻射的波長范圍約是1.4×10－3—1.6×10－3

m，相應的頻率范圍是________，相應的光子能量的范圍是________，“溫室效應”使大氣全年的平均溫度升高，空氣溫度升高，從微觀上看就是空氣中分子的________。(已知普朗克常量h＝6.6×10－34

J·s，真空中的光速c＝3.0×108

m/s。結果取兩位數字)

9．神光“Ⅱ”裝置是我國規模最大，國際上為數不多的高功率固體激光系統，利用它可獲得能量為2

400

J、波長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為多少個？(取兩位有效數字)。

10．氦—氖激光器發出波長為633

nm的激光，當激光器的輸出功率為1

mW時，每秒發出的光子數為多少個？