1　能量量子化国家获奖教案

第二十二章

波粒二象性

第22.1节

黑体辐射

【导学目标】

(一)知识与技能

1.了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射。

2.了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。

3.了解能量子的概念。

（二）过程与方法

1.了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。

2.体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

（三）情感态度与价值观：

领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

【重点和重点】

能量子的概念

【教学难点】

黑体辐射的实验规律

【教学方法】

教师启发、引导，学生讨论、交流。

【教学用具】

多媒体辅助教学设备

课堂互动探究

【问题与情境1】新课引入

1888年赫兹实验证实了电磁波的存在，也证实了电磁波具有光学性质：电磁波的反射，折射，衍射。也说明1865年麦克斯韦预言“光是一种电磁波“的正确性。

因此，物理学家开尔文说：“物理学已经很完美了，没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做就行了。但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，这两朵乌云是指什么呢？

一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关”。

从这一章我们就来研究第一朵乌云！思考下面的问题：

1.在火炉边烤为什么会感觉到热？

2.在炉中的铁块开始是什么颜色，过一会儿是什么颜色？

【问题与情境2】引导学生阅读教材，回答下列问题：

1．热辐射及特性？

2．黑体辐射及特点？

探究一一般物体的热辐射除与温度有关外，还与什么因素有关？

一.热辐射

1.热辐射：一切物体都在向外辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。

2.热辐射的特性：在室温下，辐射波长较长的电磁波

(红外线)，不能引起

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人的视觉；温度升高时辐射波长较短的电磁波如红外线、可见光、紫外线，产生热和光。

3.黑体：能够吸收各种色光而不发生反射的物体叫做黑体。

【问题与情境3】黑体辐射的实验结果

如图所示，黑体辐射随温度的变化情况。那么，黑体辐射的强度随温度怎样变化呢？

学生讨论：

教师总结:

热辐射不需要高温，任何温度下物体都会发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。

在任何温度下，任何物体都会辐射，并且辐射强度按波长的分布与物体的温度有关。

随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增强；辐射强度的最大值向波长较短的方向移动。

在室温下，大多数物体辐射不可见的红外线；温度升高时，辐射光的颜色发生变化，说明，温度越高辐射光的不同频率的强度也不同。

二．黑体辐射规律

1.辐射强度按波长的分布与物体的温度有关。

(1).温度升高，各种波长的辐射强度都增加；

(2).温度升高，辐射强度的最大值向短波方向移动；

2.在任何温度下物体都会产生辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强；

3.黑体辐射与物体的材料和表面状况有关；

【问题与情境4】物理学家怎样寻求黑体辐射的理论解释呢？

物体中存在着不停运动的带电微粒，微粒在物体中振动，物理学认为，物体中每个带微粒在物体中振动，带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。1896年德国物理学家维恩对黑体辐射的研究，维恩公式在短波区与实验基本一致，在长波区与实验偏离很大；1900年英国物理学瑞利对黑体辐射的研究，瑞利公式在长波区与实验非常接近，但在短波区(紫外区)与实验严重不符，而且当波长趋于0时，辐射强度变成无究大，这显然是荒谬的。这种物理学的理论灾难称为“紫外灾难”。

三．紫外灾难

紫外灾难是指用于计算黑体辐射强度的瑞利－金斯定律在辐射频率趋向于无穷大，在紫外线区域时计算结果和实验数据与实验严重不符，且在紫外线区域辐射强度为无穷大，这是很荒谬的。这一物理事件称为紫外灾难。

【问题与情境5】普朗克是怎样解释黑体辐射规律呢？

引导学生阅读教材，回答下列问题：

1．能量子：

2．大小：

四．量子化假设

量子化假设：1900年普朗克假设，带电粒子在物体中自由振动，振动粒子的能量值E只能是某一最小能量值ε的整数倍，即粒子的能量可能是E、E2、E3……En，这个不可再分－的最小能量值ε叫做能量子。能量子h，ν是粒子的振动频率，h是普朗克常量，h＝6.63×1034J.s。1、2、3……n叫做量子数，因此，微观粒子的能量值不是任意的，而是由量子数量化了的一些分离的不连续的能量值ε、2ε、3ε……nε，这就是能量的量子化。

五．对黑体辐射规律的解释

物体内振动着的带电粒子的能量值E只能是某一最小能量值ε的整数倍，即微粒的能量可能是ε、2ε、3ε，……nε；当物体向外辐射能量时，只能是一份一份地向外辐射，而每一份的能量值E为最小能量值的整数倍。普朗克借助于量子化假设，推导出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，利用公式作出的图线与实验结果描绘的图象符合之好令人击撑叫绝，如图所示；

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经过计算，图中每个小圆圈处的能量值就是ε的整数倍，理论的计算结果与黑体辐射的实验结果也符合得很好。

六．量子观点对物理学的贡献

1．紫外灾难：紫外灾难，是指用于计算黑体辐射强度的瑞利－金斯定律在辐射频率趋向于无穷大，在紫外线区域时计算结果和实验数据无法吻合，在紫外线区域辐射强度为无穷大，这是很荒谬的，这一物理事件称为紫外灾难。

物理学家用经典理论计算实验结果，误差很大。经典物理陷入了困境。开尔文在一次演讲中说道：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了…”其中的一朵“乌云”便指的是黑体辐射问题。

2．贡献：对黑体辐射的解释

如图所示，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，说明能量不连续。

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。

【问题与方法】

一．热辐射与黑体的理解

1．“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，便可知道他的体温是多少，你知道其中的道理吗? 答案：根据热辐射规律可知，人的体温的高低，直接决定了该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自然知道了该人的体温

二．黑体辐射实验规律

1．关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有( AB

) A．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加

B．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

C．黑体热辐射的强度与波长无关

D．黑体辐射无任何实验

2．黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知( ACD ) 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

3 (2011·江苏)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(A)

3．在实验室或工厂的高温炉子上开一个小孔，小孔可看做黑体，由小孔的热辐射特征，就可以确

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定炉内的温度，如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波波长的关系图象，则下列说法正确的是

A．

T1>T2(

) B．

T1

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的方向移动

答案：AD 三．能量量子化假设

1. (2007·江苏)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黑体谱相关的说法中正确的是

(

)

A．微波是指波长在10-3m到10m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说

[解析)

微波的波长范围是1 mm到10m，A正确。微波能在真空中传播，B不正确。黑体热辐射实际上是电磁辐射，C正确。普朗克在研究黑体的热辐射问题时提出了能量子假说，D正确。考查电磁波的基本知识。

[答案]

ACD

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