普朗克黑体辐射理论示范教案
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普朗克黑体辐射理论
一、教学目标
1.知道黑体与黑体辐射,知道黑体辐射的实验规律及理论解释。
2.了解能量子假说,领会科学解释中的科学假说方法。
3.了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点,体会能量量子化的提出对人们认识物质世界的影响。
二、教学重点及难点
重点:
通过对不同温度下黑体辐射强度与波长关系的实验图像的分析,让学生感悟以实验为基础的科学探究方法。
难点:
如何让学生认识能量量子化假说。
三、教学用具
多媒体课件
四、相关资源
【教学图片】带小孔的空腔、【教学图片】黑体辐射的实验规律、【教学图片】普朗克公式与实验结果的比较、【情景素材】黑体辐射
五、教学过程
新课引入
教师播放视频:【情景素材】黑体辐射。
(此图为视频资源截图,请下载使用【情景素材】黑体辐射.mp4。
)
新课讲授
(一)黑体与黑体辐射
教师讲述:固体或液体,在任何温度下都在发射各种波长的电磁波,这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。
所辐射电磁波的特征与温度有关。
从能量转化的角度来认识,是内能转化为电磁能的过程。
教师讲述:除了热辐射之外,物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。
不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。
教师讲述:能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体,称为绝对黑体,简称黑体。
教师展示图片并讲述:不透明的材料制成带小孔的空腔,射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出。
这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。
插入图片:【教学图片】带小孔的空腔.png
教师讲述:黑体虽然不反射电磁波,却可以向外辐射电磁波,这样的辐射叫作黑体辐射。
黑体是个理想化的模型。
一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关,但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。
它可能反映了某种具有普遍意义的客观规律,人们因此对黑体辐射进行了深入的实验及理论研究。
(二)黑体辐射的实验规律
教师展示图片并讲述:利用分光技术和热电偶等设备,可以测出黑体辐射电磁波的强度按波长分布的情况,如图:
插入图片:【教学图片】黑体辐射的实验规律.png。
教师讲述:横坐标表示黑体辐射电磁波的波长,纵坐标表示黑体辐射的强度,图像具有以下特点:
第一,说明在相同的加热温度下,黑体辐射的强度与辐射电磁波的波长(频率)有关,中间有一个极大值。
第二,不同的温度辐射强度不同,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加。
第三,温度越高,辐射强度的极大值越大。
第四,辐射强度的极大值随温度升高向波长较短的方向移动。
教师设问:怎样解释黑体辐射的实验规律呢?
教师讲述:在新的理论诞生之前,人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。
德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。
他们提出的公式都只能解释一部分黑体辐射的实验规律。
维恩公式在短波区与实验非常接近,在长波区则与实验偏离较大;瑞利公式在长波区与实验基本一致,但在短波区与实验严重不符。
瑞利公式是完全根据经典物理学理论推导出来的,其结果表明,该理论可能存在某些缺陷,黑体辐射的实验规律与经典电磁辐射理论的矛盾被显现出来。
教师展示图片并讲述:用经典电磁理论无法解释黑体辐射实验规律的情况下,为了得出同全部实验相符的黑体辐射公式,德国物理学家普朗克作了多种尝试,找到了一个与实验可以完美吻合的数学公式,普朗克公式与实验结果的比较如图所示。
插入图片:【教学图片】普朗克公式与实验结果的比较.png。
(三)能量子
教师讲述:普朗克最终在1900年底发现,如果想推导出这个公式,就必须假定:组成黑体的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。
例如,可能是ε或2ε、3ε……他把这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子,它的表达式为
ε=hν
教师讲述:这里的ν是带电微粒的振动频率,也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。
h是一个常量,后人称之为普朗克常量,其值为h=6.62607015×10-34J•s。
教师讲述:普朗克对微观带电微粒能量取值的假设和宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。
例如,一个弹簧振子,把小球推离平衡位置后开始振动,能量为E,下一次我们可以把它推得稍远一些,使它振动的能量稍多一些,例如,1.2E或1.3E,也可以把它推得更远,能量更大。
弹簧振子的能量不一定是某个最小值的整数倍。
只要在弹性限度以内我们可以把小球推到任何位置,它的能量可以是任何值。
由此可见,宏观弹簧振子的能量值是连续的。
而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。
这是微观与宏观世界物理规律最重要的差别之一。
因此,普朗克1900年的假设第一次为人们揭开了微观世界物理规律面纱的一角。
从此,物理学进入了一个新的纪元。
普朗克本人因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
典题剖析
例1.(多选)对黑体的认识,下列说法中正确的是()
A.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的
B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与黑体的温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关
C.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,与材料的种类及表面状况无关
D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
解析:黑体既吸收电磁波,又可以向外辐射电磁波,由于黑体自身辐射电磁波,所以看
上去不一定是黑的,所以选项A错误;由于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,与材料的种类及表面状况无关;所以选项B错误,选项C正确;黑体能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射,所以选项D正确。
答案:CD
例2.(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是()
A.以某一个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收
B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C.吸收的能量可以是连续的
D.辐射和吸收的能量是量子化的
解析:带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸收的,是不连续的,故选项A、B、D正确,C错误。
答案:ABD
例3.黑体辐射的研究表明:辐射强度、波长分布与辐射体的温度有密切关系。
此研究对冶金工业的迅速发展有巨大贡献,如图所示,图中画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系,从中可以看出()
A.温度越高,辐射电磁波的波长越短
B.温度越低,辐射电磁波的波长越长
C.同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强
D.不同温度时辐射强度的最大值变化无规律可循
解析:无论温度高低,黑体都会辐射所有波长的电磁波,故A、B选项错误;同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强,故C选项正确;温度升高,辐射强度的最大值向短波长、高频率的方向移动,故D选项错误。
答案:C
六、课堂小结
(一)黑体与黑体辐射
1.黑体:能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体,称为绝对黑体,简称黑体。
2.黑体辐射:黑体虽然不反射电磁波,却可以向外辐射电磁波,这样的辐射叫作黑体辐射。
(二)黑体辐射的实验规律
第一,说明在相同的加热温度下,黑体辐射的强度与辐射电磁波的波长(频率)有关,中间有一个极大值。
第二,不同的温度辐射强度不同,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加。
第三,温度越高,辐射强度的极大值越大。
第四,辐射强度的极大值随温度升高向波长较短的方向移动。
(三)能量子
ε=hν
ν是带电微粒的振动频率,也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率;h是普朗克常量,其值为h=6.62607015×10-34J•s。