1　能量量子化PPT及专用教学设计内容

第一节

能量的量子化

【教学目标】

1．了解什么是热辐射及热辐射的特性。

2．了解黑体辐射，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。

3．了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想。

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。

【教学重点】

能量子的概念。

【教学难点】

黑体辐射的实验规律。

【教学方法】

讲授为主，启发、引导。

【教学用具】

多媒体辅助教学设备。

【教学过程】

一、引入新课

教师：学习了选修3-4第十五章我们知道，1900年在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言：“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”“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，也就是光速的问题，对于光速的认识所产生的矛盾已经由爱因斯坦提出的相对论解决。与黑体辐射有关的问题是如何得到解决的，又将导致什么新的发现呢？

我们这节课就来学习“物理学新纪元的到来──能量量子化的发现”

一切物体都在辐射电磁波，辐射强度按波长的分布随物体的温度不同而不同（这种与温度有关的辐射又叫热辐射）并且物体在热辐射的同时，其表面还会吸收或反射外界射来的电磁波

黑体辐射：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体就是绝对的黑体，简称黑体，对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，因而在研究热辐射的规律时，人们特别注意对黑体辐射的研究。

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增加，（图像是包括的情形）另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动3（mb,b2.89710k）。



能量子假设：为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克在1900年底，做出了这样的大胆假设：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（v 是电磁波的频率，h 是普朗克常量h6.62610

34Js）超越牛顿的发现

练习

1. 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说

2一盏电灯发光功率为100 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长

λ =

-726. 0×10 m，在距电灯10 m远处，以电灯为球心的球面上，1 m的面积每秒通过的光子数约是(

)

A. 2×1017个 B. 2×1016个

C. 2×1015个

C. 2×1023个

3 某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，真空中光速为c，普朗克常量为h，则该激光器每秒发射的光量子数为(

)A.

B.

C.

D.

4. 能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10—18 J，已知可见光的平均波长约为550 nm，普朗克常量为6. 63×10-34

J·s，则进入人眼能引起人的眼睛视觉效应的光子数至少为(

)

A. 1个

B. 3个

C. 30个

5

下列各图能正确反映黑体辐射规律的是(

) 6 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。假设老鼠的体温约为37 ℃(已知0 ℃的绝对温度为273 K)，它发出的最强的热辐射的波长为λm。根据热辐射理论，λm与辐射源的绝对温度T的关系近似为-3Tλm=2. 90×10 m·K。根据以上理论可知，老鼠发出最强的热辐射的波长为(

)

A. 7. 8×10-5 m

B. 9. 4×10-6 m

C. 1. 16×10-4 m

D. 9. 7×10-8 m 7. 炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理?

8

二氧化碳能强烈吸收红外长波辐射，这种长波辐射的波长范围约是1. 4×10-5

m~1. 6×10-5 m，相应的能量子的值的范围是

。 9.

在X射线管中，由阴极发射的电子被加速后打到阳极，会产生包括X射线在内的各种能量子，其能量的最大值等于电子的动能。若伦琴射线管阳极与阴极间所加电压为6×104 V，则伦琴射线管所发出的X射线的最短波长是多少? 10. 某广播电台发射功率为10 kW、在空气中波长为187. 5 m的电磁波，试问: (1)该电台每秒钟从天线发射多少个X能量子? (2)若发射的X能量子在各个方向可视为均匀的，求在离天线2. 5 km处、直径为2 m的碟状天线每秒接收的X能量子个数以及接收功率。

11. 处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时，也要吸收由其他物体辐射的电磁

D. 300个

能量，如果它处在平衡状态，则能量保持不变。若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响，我们定义一种理想的物体，它能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体。单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比，即P0=σT4，其中常量σ=5. 67×10-8 W/(m2·K4)。

在下面的问题中，把研究对象都简单地看作黑体。有关数据及数学公式:太阳半径Rs=696000 km，太阳表面温度Ts=5770 K，球面积公式S=4πR2，其中R为球半径。

(1)太阳热辐射的能量绝大多数集中在波长为2×10-7 m~1×10-5 m的范围内，求相应的频率范围。

(2)若不考虑太阳吸收的能量，每小时从太阳表面辐射的总能量为多少? 参考答案

1. ACD

2. A

【解析】光是电磁波，辐射能量也是一份一份地进行的，100 W的灯泡每秒产生光能E=100 J，设灯泡每秒发射的能量子数为n，E=nhν=nh，在以灯泡为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的能量子数为：n'==2. 4×1017个。

3. A

4. B

5. A

6 B

7. 根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，温度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，如橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度。8. 1. 25×10-20 J~1. 42×10-20 J

9. 2. 1×10-11 m

10. (1)1031(个) (2)4×1023(个) 4×10-4 W

11. (1)3×1013 Hz~1. 5×1015 Hz

(2)1. 38×1030 J