2017-2018學(xué)年物理人教版選修3-5講義第十七章波粒二象性17-1

[目標(biāo)定位]1.了解黑體輻射和能量子的概念.2.了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.3.知道普朗克提出的能量子假說(shuō)．一、黑體與黑體輻射1．熱輻射(1)定義：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不同而有所不同．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)．【深度思考】任何物體都能輻射紅外線，輻射強(qiáng)度與溫度有關(guān)．那輻射強(qiáng)度和顏色又有什么關(guān)系？將鐵塊投在火爐中，鐵塊的顏色會(huì)隨著溫度的升高而發(fā)生哪些變化？答案熱輻射的強(qiáng)度與溫度之間有著密切的關(guān)系，也就是輻射的波長(zhǎng)與溫度有關(guān)，波長(zhǎng)與顏色有關(guān)．鐵塊在火爐中的顏色隨溫度的升高而變化．依次是暗紅、赤紅、橘紅、黃白．【例1】近年來(lái)軍事行動(dòng)中，士兵都配帶“紅外夜視儀”，在夜間也能清楚地看清目標(biāo)，主要是因?yàn)?)A．“紅外夜視儀”發(fā)射出強(qiáng)大的紅外線，照射被視物體B．一切物體均在不停地輻射紅外線C．一切高溫物體均在不停地輻射紅外線D．“紅外夜視儀”發(fā)射出X射線，被射物體受到激發(fā)而發(fā)出紅外線解析一切物體都在不停地向外輻射紅外線，不同物體輻射出來(lái)的紅外線不同，采用“紅外夜視儀”可以清楚地分辨出物體的形狀、大小和位置，不受白天和夜晚的影響，即可確認(rèn)出目標(biāo)從而采取有效的行動(dòng)．故只有B正確．答案B二、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)．如圖1所示．圖1【深度思考】黑體就是絕對(duì)不發(fā)光的物體，看上去一定是黑色的，這句話對(duì)嗎？答案不對(duì)．黑體是理想化的模型，在低溫時(shí)所輻射的各種波長(zhǎng)的電磁波中強(qiáng)度最大的是紅外線，這時(shí)看起來(lái)是黑色的；當(dāng)黑體達(dá)到高溫時(shí)，輻射的各種波長(zhǎng)的電磁波強(qiáng)度均增加，其中強(qiáng)度最大的為可見(jiàn)光，這時(shí)黑體是明亮的．【例2】(多選)在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性就可以確定爐內(nèi)的溫度．如圖2所示，就是黑體的輻射強(qiáng)度與其輻射光波長(zhǎng)的關(guān)系圖象，則下列說(shuō)法正確的是()圖2A．T1>T2B．T1<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)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，λ1<λ2，T1>T2，本題正確選項(xiàng)為A、D.答案AD1．理解和熟記輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖象是解此類問(wèn)題的關(guān)鍵．2．黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類和表面狀況無(wú)關(guān)．三、能量子1．定義普朗克認(rèn)為，帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，只能是輻射或吸收某個(gè)最小能量值的整數(shù)倍，這個(gè)不可再分的最小能量值叫做能量子．2．大?。絟ν，其中ν是電磁波的頻率，h是普朗克常量，h＝6.626×10－34_J·s(一般h取6.63×10－34J·s)．【例3】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6.63×10－34J·s，光速為3.0×108A．2.3×10－18W B．3.8×10－19WC．7.0×10－10W D．1.2×10－18W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＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，又ε＝hν＝heq\f(c,λ)，可解得P＝eq\f(6×6.63×10－34×3×108,530×10－9)W≈2.3×10－18W.答案Ac＝λν→光的頻率eq\o(→,\s\up7(ε＝hν))能量子的能量eq\o(→,\s\up7(E＝Pt))每秒內(nèi)發(fā)射能量子的總能量eq\o(→,\s\up7(E＝nε))能量子的個(gè)數(shù)．解決此類題目的關(guān)鍵是熟練掌握ε＝hν和c＝λν及E＝Pt＝nε等關(guān)系式．針對(duì)訓(xùn)練神光“Ⅱ”裝置是我國(guó)規(guī)模最大，國(guó)際上為數(shù)不多的高功率固體激光系統(tǒng)，利用它可獲得能量為2400J、波長(zhǎng)λ為0.35μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，則該紫外激光所含光子數(shù)為多少個(gè)？(保留兩位有效數(shù)字)答案4.2×1021解析每個(gè)激光光子的能量為ε＝heq\f(c,λ)，該紫外激光中所含光子數(shù)為n＝eq\f(E,ε)＝eq\f(2400,6.63×10－34×\f(3.0×108,0.35×10－6))個(gè)≈4.2×1021個(gè)．1．(對(duì)黑體輻射規(guī)律的理解)能正確解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是()A．能量的連續(xù)經(jīng)典理論B．普朗克提出的能量量子化理論C．以上兩種理論體系任何一種都能解釋D．牛頓提出的能量微粒說(shuō)答案B解析根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，隨著溫度的升高，一方面各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加；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)，只能用普朗克提出的能量量子化理論才能得到較滿意的解釋，故B正確．2．(對(duì)黑體輻射規(guī)律的理解)(多選)以下關(guān)于輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系的說(shuō)法中正確的是()A．物體在某一溫度下只能輻射某一固定波長(zhǎng)的電磁波B．當(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時(shí)，說(shuō)明它的溫度不太高C．當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)赤紅色，說(shuō)明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng)D．早、晚時(shí)分太陽(yáng)呈現(xiàn)紅色，而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色，說(shuō)明中午時(shí)分太陽(yáng)溫度最高答案BC解析由輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化關(guān)系圖知：隨著溫度的升高各種波長(zhǎng)的波的輻射強(qiáng)度都增加，而熱輻射不是僅輻射一種波長(zhǎng)的電磁波．故B、C項(xiàng)正確．3．(能量子的理解及ε＝hν的應(yīng)用)(多選)關(guān)于普朗克“能量量子化”的假設(shè)，下列說(shuō)法正確的是()A．認(rèn)為帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，是一份一份的B．認(rèn)為能量值是連續(xù)的C．認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的、連續(xù)的D．認(rèn)為微觀粒子的能量是分立的答案AD解析普朗克的理論認(rèn)為帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，是一份一份的，微觀粒子的能量是量子化的，是分立的，故A、D正確．4．(能量量子化理解及ε＝hν的應(yīng)用)紅寶石激光器發(fā)射的激光是不連續(xù)的一道道的閃光，每道閃光稱為一個(gè)脈沖．現(xiàn)有一紅寶石激光器，發(fā)射功率為P＝1.0×106W，所發(fā)射的光脈沖持續(xù)時(shí)間Δt＝1.0×10－11s，波長(zhǎng)為693.4nm(1nm＝10－9m(1)每個(gè)光脈沖的長(zhǎng)度．(2)每個(gè)光脈沖含有的光子數(shù)．(已知h＝6.63×10－34J·s，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)答案(1)3.0×10－3m(2)3.5×1013解析(1)光脈沖的長(zhǎng)度即光在一個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)傳播的距離，根據(jù)s＝ct可知每個(gè)光脈沖的長(zhǎng)度s＝cΔt＝3×108×1.0×10－11m＝3.0×10－(2)根據(jù)E＝Pt可知每個(gè)光脈沖含有的能量為E＝1.0×106×1.0×10－11J＝10－5J而每個(gè)光子的能量ε＝hν＝heq\f(c,λ)故每個(gè)光脈沖含有的光子數(shù)n＝eq\f(E,ε)≈3.5×1013個(gè)．題組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解析根據(jù)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，輻射強(qiáng)度增加，輻射強(qiáng)度的極大值向著波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，A正確，B、C、D錯(cuò)誤．4．(多選)2006年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩名美國(guó)科學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)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(yù)為是宇宙學(xué)研究進(jìn)入精密科學(xué)時(shí)代的起點(diǎn)．下列與宇宙微波背景輻射黑體譜相關(guān)的說(shuō)法中正確的是()A．微波和聲波一樣都只能在介質(zhì)中傳播B．一般物體輻射電磁波的情況只與黑體溫度有關(guān)C．黑體的熱輻射實(shí)質(zhì)上是電磁輻射D．普朗克在研究黑體的熱輻射問(wèn)題中提出了能量子假說(shuō)答案CD解析微波是一種電磁波，傳播不需要介質(zhì)；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)，而黑體輻射只與黑體溫度有關(guān)；黑體輻射本質(zhì)上是電磁輻射，普朗克最早提出了能量子假說(shuō)，他認(rèn)為能量是一份一份的，每一份是一個(gè)能量子．題組二能量子的理解及ε＝hν的應(yīng)用5．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)最小能量值一份一份地輻射或吸收B．輻射和吸收的能量可以不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．輻射和吸收的能量都可以是連續(xù)的答案A解析帶電微粒輻射和吸收能量時(shí)是以最小能量值——能量子ε的整數(shù)倍一份一份地輻射或吸收的，是不連續(xù)的．故選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B、C、D均錯(cuò)．6．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λ0的光子打在光電池極板上，這些光子的總能量為(h為普朗克常量)()A．heq\f(c,λ0) B．Nheq\f(c,λ0)C．Nhλ0 D．2Nhλ0答案B解析一個(gè)光電子的能量ε＝hν＝heq\f(c,λ0)，則N個(gè)光子的總能量E＝Nheq\f(c,λ0)，選項(xiàng)B正確．7．某激光器能發(fā)射波長(zhǎng)為λ的激光，發(fā)射功率為P，c表示光速，h為普朗克常量，則激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為()A.eq\f(λP,hc) B.eq\f(hP,λc)C.eq\f(cPλ,h) D．λPhc答案A解析每個(gè)光量子的能量ε＝hν＝eq\f(hc,λ)，每秒鐘發(fā)射的總能量為P，則n＝eq\f(P,ε)＝eq\f(λP,hc).題組三綜合應(yīng)用8．40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h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108答案5.8×1018個(gè)解析波長(zhǎng)為λ的光子能量為：ε＝hν＝heq\f(c,λ)①設(shè)燈泡每秒內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)為n，燈泡電功率為P，則：n＝eq\f(ηP,ε)②式中，η＝5%是燈泡的發(fā)光效率．聯(lián)立①②式得：n＝eq\f(ηPλ,hc)代入題給數(shù)據(jù)得：n≈5.8×1018(個(gè))9．能引起人的眼睛視覺(jué)效應(yīng)的最小能量為10－18J，已知可見(jiàn)光的平均波長(zhǎng)約為60μm，普朗克常量為6.63×10－34J·s，則進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為多少個(gè)？答案302個(gè)解析根據(jù)ε＝hν＝heq\f(c,λ)求出可見(jiàn)光光子的平均能量，從而求出能引起人的視覺(jué)反應(yīng)時(shí)，進(jìn)入人眼的光子數(shù)．進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為n＝eq\f(E,ε)≈302.10．小燈泡的功率P＝1W，設(shè)其發(fā)出的光向四周均勻輻射，平均波長(zhǎng)λ＝10－6m，求在距離d＝1.0×104m處，每秒鐘落在垂直于光線方向、面積為1cm2的球面上的光子數(shù)是多少？(h＝6.63×答案3.98×105個(gè)解析每秒