2.1撥開(kāi)黑體輻射的疑云學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解熱輻射和黑體輻射的概念，了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.2.了解能量子的概念及其提出的科學(xué)過(guò)程.3.了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)一、黑體與黑體輻射導(dǎo)學(xué)探究1.什么是熱輻射？這種輻射與溫度有何關(guān)系？答案物體在任何溫度下，都會(huì)發(fā)射電磁波，溫度不同，所發(fā)射的電磁波的頻率、強(qiáng)度也不同，這種現(xiàn)象叫做熱輻射輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況是：隨物體的溫度的升高，熱輻射中波長(zhǎng)較短的電磁波成分越來(lái)越強(qiáng)2什么是黑體輻射？它與熱輻射有什么不同？答案能夠完全吸收各種波長(zhǎng)的電磁波而不產(chǎn)生反射的物體，叫做黑體黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，而熱輻射還與其他因素有關(guān)(材料的種類和表面狀況)知識(shí)梳理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(guān)，所以叫熱輻射(2)特點(diǎn)：熱輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同2黑體(1)定義：某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體(2)黑體輻射特點(diǎn)：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)即學(xué)即用判斷下列說(shuō)法的正誤(1)黑體一定是黑色的物體()(2)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體()(3)只有高溫物體才能輻射電磁波()(4)溫度越高，黑體輻射電磁波的強(qiáng)度越大()二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律導(dǎo)學(xué)探究1黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布如圖1所示，當(dāng)溫度從750K升高到6000K時(shí)，各種波長(zhǎng)的電磁波的輻射強(qiáng)度怎么變化？輻射強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)如何變化？圖1答案變強(qiáng)輻射強(qiáng)度極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，即變短2你認(rèn)為現(xiàn)實(shí)生活中存在理想的黑體嗎？答案現(xiàn)實(shí)生活中不存在理想的黑體，實(shí)際的物體都能輻射紅外線(電磁波)，也都能吸收和反射紅外線(電磁波)，絕對(duì)黑體不存在，是理想化的模型知識(shí)梳理黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加2隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向著波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)即學(xué)即用判斷下列說(shuō)法的正誤(1)黑體是一種客觀存在的物質(zhì)()(2)黑體輻射隨溫度升高強(qiáng)度變強(qiáng)()三、能量子導(dǎo)學(xué)探究某激光器能發(fā)射波長(zhǎng)為的激光，那么激光光量子的能量可以取任意值嗎？是連續(xù)的還是一份一份的？設(shè)普朗克常量為h，那么每個(gè)激光光量子的能量是多少？如果激光發(fā)射功率為P，那么每秒鐘發(fā)射多少個(gè)光量子？答案光量子的能量是不連續(xù)的，而是一份一份的，每個(gè)光量子的能量Eh，個(gè)數(shù)n.知識(shí)梳理能量子1定義：普朗克認(rèn)為，振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的，這個(gè)不可再分的最小能量值叫做能量子2能量子大?。篽，其中是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量h6.6261034Js(一般取h6.631034Js)3能量的量子化：在微觀世界中能量是量子化的，或者說(shuō)微觀粒子的能量是分立的即學(xué)即用1判斷下列說(shuō)法的正誤(1)微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍()(2)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比()2人眼對(duì)綠光較為敏感，正常人的眼睛接收到波長(zhǎng)為530nm的綠光時(shí)，只要每秒鐘有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)普朗克常量為6.631034 Js，真空中光速為3108m/s，則人眼能察覺(jué)到綠光時(shí)所接收到的最小功率是()A2.31018WB3.81019WC7.01010WD1.21018W答案A解析因只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺(jué)所以察覺(jué)到綠光所接收的最小功率P，式中E6，又hh，可解得PW2.31018W.一、黑體輻射的規(guī)律1一般物體的輻射與黑體輻射的比較熱輻射特點(diǎn)吸收、反射特點(diǎn)一般物體輻射與溫度有關(guān)，與表面狀況有關(guān)，溫度越高，輻射電磁波波長(zhǎng)越短既吸收、又反射，其能力與入射波長(zhǎng)有關(guān)，吸收能力強(qiáng)、反射弱的較黑黑體輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與表面無(wú)關(guān)不反射，完全吸收各種入射電磁波特別提示(1)熱輻射不一定需要高溫，任何物體任何溫度均存在熱輻射，只是溫度越高，輻射的能量越多，電磁波的短波成分越多(2)并不是所有的發(fā)光都是熱輻射，如激光、日光燈發(fā)光不是熱輻射2隨著溫度的升高，黑體輻射的各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)例1(多選)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖2所示，由圖可知()圖2A隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加B隨溫度降低，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加C隨溫度升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)D隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的方向移動(dòng)答案ACD解析由題圖可知，隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，當(dāng)溫度降低時(shí)，上述變化都將反過(guò)來(lái)針對(duì)訓(xùn)練1關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A黑體不僅能吸收電磁波，也能反射電磁波B黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)C黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān)D如果在一個(gè)空腔壁上開(kāi)一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體答案C二、能量子的理解和計(jì)算1物體在發(fā)射或接收能量的時(shí)候，只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過(guò)渡到另一狀態(tài)，而不可能停留在不符合這些能量的任何一個(gè)中間狀態(tài)2在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)我們可以認(rèn)為：物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，能量變化是連續(xù)的，不必考慮量子化；在研究微觀粒子時(shí)必須考慮能量量子化3能量子的能量h，其中h是普朗克常量，是電磁波的頻率例2(多選)對(duì)于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說(shuō)法正確的是()A以某一個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收B輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C吸收的能量可以是連續(xù)的D輻射和吸收的能量是量子化的答案ABD解析帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)是以最小能量值能量子的整數(shù)倍或一份一份地輻射或吸收的，是不連續(xù)的，故選項(xiàng)A、B、D正確，C錯(cuò)誤針對(duì)訓(xùn)練2“神光”裝置是高功率固體激光系統(tǒng)，利用它可獲得能量為2400J、波長(zhǎng)為0.35m的紫外激光，已知普朗克常量h6.631034Js，真空中光速c3.0108m/s，則該紫外激光所含光子數(shù)為多少個(gè)？(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)答案4.21021解析每個(gè)激光光子的能量為h，該紫外激光中所含光子數(shù)為n個(gè)4.21021個(gè)1思維程序：c光的頻率能量子的能量激光束的總能量En能量子的個(gè)數(shù)2解決此類題目的關(guān)鍵是熟練掌握h和c及EnPt等公式1.(對(duì)黑體輻射規(guī)律的理解)(多選)在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔，小孔可看做黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度如圖3所示，就是黑體的輻射強(qiáng)度與其輻射光波長(zhǎng)的關(guān)系圖像，則下列說(shuō)法正確的是()圖3AT1>T2BT1<T2C隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度都有所降低D隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短方向移動(dòng)答案AD解析一般材料的物體輻射能量的多少?zèng)Q定于物體的溫度(T)、輻射波的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短和發(fā)射的面積，而黑體是指在任何溫度下，能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不反射的物體，黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有所增加，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)從題圖中可以看出，1<2，T1>T2，本題正確選項(xiàng)為A、D.2(對(duì)熱輻射規(guī)律的理解)“非典”期間，很多地方用紅外線熱像儀監(jiān)測(cè)人的體溫，只要被測(cè)者從儀器前走過(guò)，便可知道他的體溫是多少，關(guān)于其中原理，下列說(shuō)法正確的是()A人的體溫會(huì)影響周圍空氣溫度，儀器通過(guò)測(cè)量空氣溫度便可知道人的體溫B儀器發(fā)出的紅外線遇人反射，反射情況與被測(cè)者的溫度有關(guān)C被測(cè)者會(huì)輻射紅外線，輻射強(qiáng)度以及按波長(zhǎng)的分布情況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)且較短波長(zhǎng)的成分強(qiáng)D被測(cè)者會(huì)輻射紅外線，輻射強(qiáng)度以及按波長(zhǎng)的分布情況與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)輻射強(qiáng)且較長(zhǎng)波長(zhǎng)的成分強(qiáng)答案C解析根據(jù)輻射規(guī)律可知，隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加；隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)人的體溫的高低，直接決定了這個(gè)人輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度，通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)者輻射的紅外線的情況就可知道這個(gè)人的體溫，C正確3(對(duì)能量子的理解)(多選)關(guān)于對(duì)普朗克能量子假說(shuō)的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一能量值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(shù)倍C能量子與電磁波的頻率成正比D這一假說(shuō)與現(xiàn)實(shí)世界相矛盾，因而是錯(cuò)誤的答案BC解析由普朗克能量子假說(shuō)可知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(shù)倍，A錯(cuò)誤，B正確；最小能量值h，C正確4(能量量子化的理解)硅光電池是將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能若有N個(gè)波長(zhǎng)為0的光子打在硅光電池極板上，這些光子的總能量為(h為普朗克常量，真空中光速為c)()AhBNhCNh0D2Nh0答案B解析一個(gè)光子的能量hh，則N個(gè)光子的總能量ENh，選項(xiàng)B正確一、選擇題考點(diǎn)一黑體輻射的理解和應(yīng)用1關(guān)于對(duì)熱輻射的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)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(qiáng)C輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況只與物體的溫度有關(guān)，與材料種類及表面狀況無(wú)關(guān)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答案B解析一切物體都不停地向外輻射電磁波，且溫度越高，輻射的電磁波越強(qiáng)，對(duì)于一般材料的物體，輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布除與物體的溫度有關(guān)外，還與材料的種類和表面狀況有關(guān)；常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色2對(duì)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的影響因素是()A溫度B材料C表面狀況D以上都正確答案A解析黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，A對(duì)3下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的圖中，符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是()答案A解析隨著溫度的升高，黑體輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系：一方面，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)由此規(guī)律可知應(yīng)選A.4下列敘述錯(cuò)誤的是()A一切物體都在輻射電磁波B一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)D黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波答案B解析根據(jù)熱輻射定義知A對(duì)；根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料種類和表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)，B錯(cuò)，C對(duì)；根據(jù)黑體定義知D對(duì)本題應(yīng)選B項(xiàng)考點(diǎn)二能量子的理解和應(yīng)用5普朗克在1900年將“能量子”引入物理學(xué)，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元在下列宏觀概念中，具有“量子化”特征的是()A人的個(gè)數(shù)B物體所受的重力C物體的動(dòng)能D物體的長(zhǎng)度答案A解析依據(jù)普朗克量子化觀點(diǎn)，能量是不連續(xù)的，是一份一份地變化的，屬于“不連續(xù)的，一份一份”的概念的是A選項(xiàng)，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤6已知某種單色光的波長(zhǎng)為，在真空中光速為c，普朗克常量為h，則電磁波輻射的能量子的值為()AhB.C.D以上均不正確答案A解析由波速公式c可得：，由光的能量子公式得hh，故選項(xiàng)A正確7能引起人的眼睛視覺(jué)效應(yīng)的最小能量為1018J，已知可見(jiàn)光的平均波長(zhǎng)為0.6m，普朗克常量h6.631034Js，恰能引起人眼的感覺(jué)，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為()A1個(gè)B3個(gè)C30個(gè)D300個(gè)答案B解析每個(gè)光子的能量為E0h，能引起人的眼睛視覺(jué)效應(yīng)的最小能量E為1018 J，由EnE0得能引起人眼的感覺(jué)，進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為n個(gè)3個(gè)故選B.8在自然界生態(tài)系統(tǒng)中，蛇與老鼠和其他生物通過(guò)營(yíng)養(yǎng)關(guān)系構(gòu)成食物鏈，在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用蛇是老鼠的天敵，它是通過(guò)接收熱輻射來(lái)發(fā)現(xiàn)老鼠的假設(shè)老鼠的體溫約37，它發(fā)出的最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為min.根據(jù)熱輻射理論，min與輻射源的絕對(duì)溫度T的關(guān)系近似為T(mén)min2.90103mK，則老鼠發(fā)出的最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為()A7.8105mB9.4106mC1.16104mD9.7108m答案B解析由Tmin2.90103mK可得，老鼠發(fā)出最強(qiáng)的熱輻射的波長(zhǎng)為minm9.4106m，B正確9紅外遙感衛(wèi)星通過(guò)接收地面物體發(fā)出的紅外輻射來(lái)探測(cè)地面物體的狀況地球大氣中的水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)能強(qiáng)烈吸收某些波長(zhǎng)范圍的紅外輻射，即地面物體發(fā)出的某些波長(zhǎng)的電磁波，只有一部分能夠通過(guò)大氣層被遙感衛(wèi)星接收如圖1所示為水和二氧化碳對(duì)某一波段不同波長(zhǎng)電磁波的吸收情況，由圖可知，在該波段紅外遙感大致能夠接收到的波長(zhǎng)范圍是()圖1A2.53.5mB44.5mC57mD813m答案D解析由題圖可知，水對(duì)紅外輻射吸收率最低的波長(zhǎng)范圍是813 m；二氧化碳對(duì)紅外輻射吸收率最低的波長(zhǎng)范圍是513 m.綜上可知，應(yīng)選D.二、非選擇題10(能量子個(gè)數(shù)的計(jì)算)40瓦的白熾燈，有5%的能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光設(shè)所發(fā)射的可見(jiàn)光的平均波長(zhǎng)為580nm，那么該白熾燈每秒鐘輻射的光子數(shù)為多少？(普朗克常量h6.631034Js，光速c3108m/s)答案5.81018個(gè)解析波長(zhǎng)為的光子能量為：hh設(shè)白熾燈每秒內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)為n，白熾燈電功率為P，則：n式中，5%是白熾燈的發(fā)光效率聯(lián)立式得：n代入題給數(shù)據(jù)得：n5.81018(個(gè))11(能量子的理解和計(jì)算)某廣播電臺(tái)的發(fā)射功率為10kW，發(fā)射的是在空氣中波長(zhǎng)為187.5m的電磁波，則：(普朗克常量h6.631034Js，光速c3108m/s)(1)該電臺(tái)每秒從天線發(fā)射多少個(gè)能量子？(2)若發(fā)射的能量子在以天線為球心的同一球面上的分布視為均勻的，求在離天線2.5km處，直徑為2m的球狀天線每秒接收的能量子個(gè)數(shù)以及接收功率答案(1)9.41030個(gè)(2)3.761023個(gè)4104W解析(1)每個(gè)能量子的能量hJ1.061027J則每秒電臺(tái)發(fā)射上述波長(zhǎng)能量子數(shù)N9.41030個(gè)(2)設(shè)球狀天線每秒接收能量子數(shù)為n個(gè)，以電臺(tái)發(fā)射天線為球心，則半徑為R的球面積S4R2，而球狀天線的有效接收面積Sr2，所以nNN9.41030個(gè)3.761023個(gè)接收功率P收3.7610231.061027W4104W.