黑体辐射的理论和实验研究
热辐射与黑体辐射的实验研究与解释
热辐射与黑体辐射的实验研究与解释热辐射是物体因其温度而产生的辐射现象。
黑体辐射是一种理想情况下的热辐射，它是指一个能完全吸收所有射入它的辐射，并且以最大效率将能量重新辐射出去的物体。
研究热辐射和黑体辐射可以帮助我们更好地理解物体的能量交换和热力学性质。
实验研究热辐射和黑体辐射的方法有很多种，下面我们将介绍一种典型的实验方法。
首先，我们需要准备一个封闭的空间，这个空间内的气体可以完全排除外界影响，并且其温度可以精确控制。
这个空间通常被称为辐射室。
在辐射室的一侧，放置一个加热元件，可以通过电流或电阻加热。
加热元件的材料可以是任意的。
接下来，我们需要将一个测温器放置在辐射室内的另一侧，以测量辐射室内的温度。
这个测温器可以是一个热电偶、一个电子温度计或者其他能够测量温度的设备。
然后，我们需要将辐射室与一个辐射仪或者一个辐射计连接起来。
辐射仪可以用来测量辐射室内产生的辐射能量。
辐射仪的选择取决于实验的需求，可以是一个光电效应装置、一个热线探测器或者其他类型的辐射检测器。
在进行实验之前，我们需要调节辐射室内的温度，使其保持在一个稳定的值。
这可以通过控制加热元件的电流或者调节辐射室的温度控制器来实现。
一旦温度稳定，我们就可以开始测量辐射室内的辐射能量了。
我们可以记录不同温度下辐射室内的辐射能量并绘制一个能量-温度曲线。
这个曲线应该是一个连续的曲线，而不是一个离散的点集。
我们可以观察到，随着温度的升高，辐射能量也随之增加。
这符合斯特凡-波尔兹曼定律，它描述了黑体辐射的能量与温度的关系。
此外，我们还可以通过改变辐射室内的材料来研究黑体辐射的性质。
例如，我们可以更换加热元件的材料，或者在辐射室内放置不同材质的物体。
通过测量不同材料下的辐射能量，我们可以观察到不同材料对辐射能量的吸收和辐射的影响。
总结起来，通过实验研究热辐射和黑体辐射，我们可以探索物体的能量交换和热力学性质。
实验的方法和步骤可以根据实际情况进行调整和改变。
物理学中的黑体辐射理论
物理学中的黑体辐射理论黑体辐射是热物理学中的基本现象，它的理论研究始于19世纪，在发展中产生了很多有价值的理论成果。
黑体辐射的理论研究不仅对热物理学，还对其他物理学分支产生了深远的影响，被誉为“现代物理学之母”。
一、黑体辐射概述黑体是指一种理想的物体，它能够完全吸收所接受的辐射能量，不产生反射和透射。
经过一个一定时间后，黑体达到热平衡状态，它呈现出一个“黑色”的外表，因此称为黑体。
黑体辐射现象，是指黑体对辐射场的反应，辐射场包括电磁波、光线等等。
在特定温度下，黑体辐射的能量密度与波长有关，呈现出一定的特征谱线，这种谱线称为黑体辐射谱线。
二、黑体辐射规律的提出19世纪末至20世纪初，物理学家们开始对黑体辐射进行深入的研究。
1896年，维恩发现黑体辐射的波长与温度有关，即波峰位置随温度的变化而移动。
维恩的研究使得物理学家们开始探索黑体辐射规律，并且得到了准确的定律。
1900年，普朗克推导出了黑体辐射规律，此后被称为普朗克辐射定律。
它对黑体辐射功率谱密度进行了整体描述。
普朗克通过黑体的热力学平衡状态、量子化假设等方法，揭示了能量与频率有关，辐射的功率谱密度与波长及温度有关。
三、黑体辐射谱线的研究在普朗克定律的基础上，维恩和瑞利也提出了有关黑体辐射谱线的定律。
维恩定律是指在同一温度下，黑体辐射谱线的峰位波长与绝对温度呈反比关系。
这条定律的实验验证与研究已经相对成熟，可以用来作为恒星光谱的计算依据。
瑞利定律是指在同一温度下，黑体辐射的总辐射能量密度与绝对温度的四次方呈正比关系。
瑞利的研究使得我们能够更加准确地描述黑体辐射运动规律。
四、经典物理学中黑体辐射理论的局限性在黑体辐射理论的发展中，人们发现了经典物理学的局限性，无法描述黑体辐射场的真实过程。
为了更好地描述黑体辐射，物理学家们必须重新审视传统物理理论。
这种由于经典物理学的局限性而引发的科学革命，在20世纪初期的物理学发展中居于重要的地位。
爱因斯坦、玻尔等学者在量子力学、相对论等领域都做出了突出的贡献，物理学的发展呈现出前所未有的繁荣态势。
4.1普朗克黑体辐射理论
19世纪末，经典物理学在各个领域都取得了很大的成功
力学
热学
电磁学
19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物
理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现
象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声----等都遵循的规律---能量转化与守恒定律。 当时许多物理学家都陶醉在这些成绩之中，认为物理学已经发展到了尽头
能量
h=6.6310-34焦耳 . 秒。----普朗克常数
经典 量子
n为量子数，它只取正整数——能量量子化
E总 nh
3．能量量子化：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．只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量.
普朗克在1900年把“能量子”引入物理学，正确地破除了“能量连续变 化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。
一方面，各种波长的辐度都有增加； 另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
2．经验定律 (1)维恩位移定律：随着黑体温度升
高，所发射的辐射最强的波长变短， 即向光谱的紫色区移动。
(2)瑞利一金斯公式
3) 经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线
1）维恩的半经验公式：
M 0
(T )
c1
5
c 2
相对论的问世
经典 力学
微观领域 高速领域
量子力学 相对论
思考与讨论1 在火炉旁边有什么感觉?
一、热辐射
任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少， 以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为热辐射。 辐射的能量及其波长的分布都随温度而变化。 热辐射的主要成分: 室温时 主要成分为波长较长的电磁波
黑体辐射
中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：姓名：同组者：教师：黑体辐射实验【实验目的】1、了解黑体辐射实验现象，掌握辐射研究方法。
2、学会仪器调整与参数选择，提高物理数量关系与建模能力。
3、通过验证定律，充实物理假说与思想实验能力。
【实验原理】黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体，处于热平衡时，黑体吸收的能量等于辐射的能量，由于黑体具有最大的吸收本领，因而黑体也就具有最大的辐射本领。
这种辐射是一种温度辐射，辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关，而与辐射方向及周围环境无关。
事实上当然不存在绝对黑体，但有些物体可以近似地作为黑体来处理，比如，一束光一旦从狭缝射入空腔体内，就很难再通过该狭缝反射回来，那么，这个开着的狭缝空腔体就可以看作是黑体。
1、黑体辐射的光谱分析实验测出黑体的辐射强度在不同温度下与辐射波长的关系曲线。
维恩假定辐射能量按频率的分布类似于麦克斯韦的分子速率分布，导出如下公式E(λ,T)=bλ−5e−a/λT(1)式中E(λ,T)称为单色辐出度，它表示单位时间内，在黑体的单位面积上单位波长间隔内所辐射出的的能量，单位是瓦特/米2 ，T表示绝对温度，a,b是与波长和温度无关的常数。
这个分布在短波部分与实验结果符合较好，而长波部分偏离较大。
瑞利和金斯利用经典电动力学和统计物理学推导得到单色辐出度E(λ,T)=2πCλ4kT（2）式中，C为真空中的光速，k为玻尔兹曼常量。
它在波长很长，温度较高时与实验结果相符合，但在短波段偏离非常大，当频率趋于无穷大时引起发散，这就是当时有名的“紫外灾难”。
普朗克提出：电磁辐射的能量只能是量子化的。
他认为黑体是由多个带点谐振子组成，这些谐振子处于热平衡状态，每个振子具有一个固有的谐振频率ν，可以发出与吸收相同频率的电磁波，每个谐振子只能吸收或发射不连续的一份一份的能量，这个能量是一个最小能量ε0 =hν的整数倍，即谐振子能量为E=nhν,n为正整数，h为普朗克常量。
实验七 黑体辐射
实验七 黑体辐射Black-body Radiation任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射；只要其温度在绝对零度以上，也要从外界吸收辐射的能量。
处在不同温度和环境下的物体，都以电磁辐射形式发出能量，而黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关，而黑体的辐射能力则仅与温度有关。
在黑体辐射中，存在各种波长的电磁波，其能量按波长的分布与黑体的温度有关。
实验目的(experimental purpose)1.了解黑体实验的发展历史，明确光谱辐射曲线的广泛应用；2.了解黑体实验仪器组件，明确测量过程与分析要素；3.明确黑体实验设计思想,掌握黑体辐射原理与定律。
实验原理(experimental principle)任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。
辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。
这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。
为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。
所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。
显然自然界不存在真正的黑体，但许多地物是较好的黑体近似( 在某些波段上)。
黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射，且发射电磁辐 射的能力比同温度下的任何其它物体强。
黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。
黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。
对于黑体的研究，使得自然现象中的量子效应被发现。
我们换一个角度来说：所谓黑体辐射其实就是当地的状态光和物质达到平衡所表现出的现象：物质达到平衡，所以可以用一个温度来描述物质的状态，而光和物质的交互作用很强，而如此光和光之间也可以用一个温度来描述（光和光之间本身不会有交互作用，但光和物质的交互作用很强）。
黑体辐射实验
电科专业实验报告实验名称黑体辐射实验班级姓名学号一、实验目的：1.掌握黑体辐射的基本理论。
2.掌握黑体辐射能量的测量和任意发射光源的辐射能量的测量。
3.学会利用相同的装置验证黑体的辐射定律。
二、实验原理：1.黑体辐射基本理论：任何物体都会以电磁辐射的形式发射和接收能量。
辐射能与温度和表面性质都有关系。
辐射体的辐射性质，可以有一定的温度下，辐射体表面单位面积的辐射能量随波长的分布曲线，即单色辐射度曲线表示。
实际物体的单位辐射度依赖于辐射源的组成部分，是辐射波长的连续光谱，人的肉眼只能看到其可见光的部分。
相同温度下的黑体均发出同样的形式的光谱，不受其组成的影响。
有三个辐射定律：斯特藩-波尔兹曼定律、维恩位移定律、普朗克辐射定律。
2.黑体实验装置的原理：主机部分由单色器狭缝、接受单元光学系统以及光栅驱动系统等。
本实验选用硫化铅为光信号接收器，从单色仪出缝射出的单色光信号经过调制器，调制成50HZ的频率信号被PBS接收。
三、实验步骤：1、按要求正确连接电路。
检查无误后，打开溴钨灯电源预热；打开主机电源，连接好USB数据线。
2、建立传递函数曲线。
（1）、将标准光源电流调整为“溴钨灯的色温”表中，色温为2940K 时电流所在位置;（2）、预热20分钟后，在系统上记录该条件下全波段图谱；该光谱曲线包含了传递函数的影响；（3）、点击“验证黑体辐射定律”菜单，选“计算传递函数”命令，将该光谱曲线与已知的光源辐射能量线时，测量结果即扣除了仪器传递的影响。
3、修正为黑体。
任意发光体的光谱能量辐射本领与黑体辐射都有一系数关系，系统软件提供了钨的发射系数，并能通过将菜单栏的“修正成为黑体”点击为选定，进行修正。
测量溴钨灯的辐射能量曲线即自动修正为同温度下黑体的曲线。
4、验证黑体辐射定律。
将菜单栏中的“传递函数”和“修正成为黑体”均点击为选定后，扫描纪录溴钨灯曲线。
设定不同的色温多次测试，并选定不同的寄存器（最多可选择5个寄存器）分别将测试结果存入待用。
黑体实验报告
近代物理实验报告黑体辐射实验学院班级姓名学号时间 2014年4月4日黑体辐射实验 实验报告一、实验目的1、了解黑体辐射实验现象，掌握辐射研究方法；2、学会仪器调整与参数选择，提高物理数量关系与建模能力；3、通过验证定律，充实物理假说与思想实验能力二、实验原理：黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体，处于热平衡时，黑体吸收的能量等于辐射的能量，由于黑体具有最大的吸收本领，因而黑体也就具有最大的辐射本领。
这种辐射是一种温度辐射，辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关，而与辐射方向及周围环境无关。
一般辐射体其辐射本领和吸收本领都小于黑体，并且辐射能力不仅与温度有关，而且与表面材料的性质有关，实验中对于辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的辐射体称为灰体。
由于标准黑体的价格昂贵，本实验用钨丝作为辐射体，通过一定修正替代黑体进行辐射测量及理论验证。
1、黑体辐射的光谱分布十九世纪末，很多著名的科学家包括诺贝尔奖获得者，对于黑体辐射进行了大量实验研究和理论分析，实验测出黑体的辐射能量在不同温度下与辐射波长的关系曲线如图2所示，对于此分布曲线的理论分析，历史上曾引起了一场巨大的风波，从而导致物理世界图像的根本变革。
维恩试图用热力学的理论并加上一些特定的假设得出一个分布公式－维恩公式。
这个分布公式在短波部分与实验结果符合较好，而长波部分偏离较大。
瑞利和金斯利用经典电动力学和统计物理学也得出了一个分布公式，他们得出的公式在长波部分与实验结果符合较好，而在短波部分则完全不符。
因此经典理论遭到了严重失败，物理学历史上出现了一个变革的转折点。
普朗克研究这个问题时，本着从实际出发，并大胆引入了一个史无前例的特殊假设：一个原子只能吸收或者发射不连续的一份一份的能量，这个能量份额正比于它的振荡频率。
并且这样的能量份额值必须是能量单元h ν的整数倍，即能量子的整数倍。
h 即是普朗克常数。
由此得到了黑体辐射的光谱分布辐射度公式：)/()1(E 3512米瓦特-=TC t eC λλλ 式中：第一辐射常数C 1＝2πhc 2＝3.74×10－16（Wm 2）第二辐射常数C 2＝hc ／k ＝1.4388×10－2（mK ）黑体光谱辐射亮度由此式给出：球面角）米（瓦特./L 3πλλTT E =2．黑体的积分辐射—－斯忒藩－玻耳兹曼定律斯忒藩和玻耳兹曼先后（1879年）从实验和理论上得出黑体的总辐射通量与黑体的绝对温度T 的四次方成正比，即：4T d E E T T ⋅==⎰∞δλλ（Wm -2）式中T 为黑体的绝对温度，δ为斯忒藩－玻耳兹曼常数：式中k 为玻耳兹曼常数，h为普朗克常数，c 为光速。
(完整版)黑体辐射实验报告
黑体辐射特性测量一、实验目的1、通过实验验证维恩位移定律与斯特藩—玻尔兹曼定律2、学会使用黑体辐射实验的操作软件3、了解黑体辐射的发展二、实验仪器及用具WGH—10型红外光谱仪、稳压溴钨灯三、实验原理1、维恩位移定律由普朗克公式的极值定出黑体辐射能量的谱密度的峰位λM就得到维恩位移定律：λMT=b（b=2.898*10^(-3)mK）2、斯特藩—玻尔兹曼定律1879年，奥地利物理学家斯特藩根据实验结果总结出一条关于黑体辐射本领与温度之间关系的规律：黑体的总辐射能量与绝对温度的四次方成正比。
1884年玻尔兹曼根据电磁学和热力学的理论，导出这个关系，这就是斯特藩定律，可表述为：黑体辐射的总辐射本领R0与绝对温度T的四次方成正比，即：R0(T)=σT⁴四、实验方案及注意事项1、实验方案用WGH-10型外光谱仪记录福射体在80Onm——2500nm波段的相对辐射谱密度曲线，研究其辐射特性。
采用溴钨灯经过修正来代替黑体，结合实验软件提供的各遍度下绝对黑体的理论辐射谱密度曲线，验证普朗克辐射定律、斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律。
进行此验证时可使用实验软件提供的黑体理论辐射曲线作为验证对象，但要注意测得数据只具有相对意义。
软件中提供了归一化功能，该项功能的作用是将测得的数据曲线来以一一个系数，使谈曲线的峰值高度与理论曲线的峰值高度相同。
若实验数据符合理论值的话，归一化之后二者在定的波长范围内重合得较好。
在己知色温的电流下对溴钨灯的辐射谱进行扫描，扫描前选中“传递函数””修正为黑体”两项，对扫描所得的的数据进行归一化处理，使用软件中内置的功能取得该温皮下的理论黑体辐射请线，在若干个波长处(位置大致平均分布在曲线上:)算出实测值与理论值的相对误差δ=ΔE/E。
,然后计算平均相对误差。
根据平均相对误差的大小来确定实验结果是否支持普朗克辐射定律，由于实验仪器的精度限制，一般来来说平均相对误差在5%以内，即可认为实验结果支持普朗克辐射定律。
黑体辐射实验
相对误差=1.97%
选择 选择
4、将以上所测辐射曲线与绝对黑体的理论曲线进行
比较并分析之 （在同一色温下）。
六、思考题
1、实验为何能用溴钨灯进行黑体辐射测量并进行黑体辐射
定律验证？
单击
2、实验数据处理中为何要对数据进行归一化处理？
3、实验中使用的光谱分布辐射度与辐射能量密度有何关系？
软件中存了一条色温为2940K的溴钨灯的标准能量线
5、点击“传递函数”、“修正为黑体”√为
6．在表1中任选一工作电流，点击黑体扫描，输入相对 应的色温，记录溴钨灯光源在传递函数修正和黑体修正 后的全谱存于寄存器－内 ，然后归一化，如图所示。
7、改变溴钨灯工作电流，在表1中任选4个选电选择择流归值一，化分别
A
L1
B1
P L2
B2
C
A为黑体 B1PB2为分光系统
C为热电偶
测定黑体辐出度的实验简图
实验曲线
M 0 ( T )/W (c 2 m m 1 )
/m
01 234 5
绝对黑体的辐出度按波长分布曲线
3. 普朗克量子假设
问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式
M 0 (T )f(,T )
维恩经验公式
大学物理实验
黑体辐射实验
一、实验目的
1、了解和掌握黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射 定律
2、了解和掌握黑体辐射的积分辐射——斯忒藩玻尔 兹曼定律
3、了解和掌握维恩位移定律
重点：WGH—10黑体实验仪的原理和使用方法 难点：通过实验掌握黑体辐射的光谱分布规律
二、实验原理
1. 热辐射现象
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 征仅与温度有关。
黑体辐射与能量密度的量子理论研究
黑体辐射与能量密度的量子理论研究引言：黑体辐射是研究能量转移和辐射传输的重要理论基础之一。
通过对黑体辐射的研究，我们可以深入了解能量密度以及量子物理的相关概念。
本文将探讨黑体辐射与能量密度的量子理论研究。
一、经典理论与黑体辐射在经典物理学中，黑体辐射的研究始于普朗克的量子假设。
根据经典理论，黑体辐射的能量密度应该是无限大。
然而，这与实验观察到的结果相矛盾，导致了科学家们对该现象的进一步研究。
二、能量密度的量子化为了解决经典理论与实验观察的矛盾，研究者们引入了量子化的能量概念。
根据量子理论，辐射场的能量是由离散的能量量子组成的。
这种量子化的能量概念解释了黑体辐射的能量密度有限的实验结果。
三、普朗克辐射公式与能量密度普朗克通过研究黑体辐射，提出了著名的普朗克辐射公式。
该公式表明黑体辐射的能量密度与频率呈指数关系。
这一关系式不仅在实验上得到了验证，而且在量子理论中也得到了解释。
普朗克辐射公式为黑体辐射与能量密度的研究提供了重要的数学依据。
四、玻尔兹曼公式与黑体辐射定律玻尔兹曼通过对黑体辐射的研究，提出了黑体辐射定律。
该定律表明黑体辐射的能量密度与温度的四次方成正比。
这一定律在热力学和统计物理中有着广泛的应用，并为能量密度的量子理论研究提供了理论基础。
五、应用与展望能量密度的量子理论研究不仅在物理学中有着重要的意义，还在其他领域得到了广泛的应用。
例如，在材料科学中，对材料的能量密度进行研究可以提高材料的能量转换效率；在工程学中，对能源系统的能量密度进行研究可以优化能源利用。
未来，我们可以进一步探索能量密度的量子理论，以应对不断增长的能源需求和气候变化等挑战。
结论：通过对黑体辐射与能量密度的量子理论研究，我们可以更好地理解能量的转移和辐射传输过程。
经典理论无法解释实验观察的结果，而量子理论为黑体辐射与能量密度的研究提供了新的解释和理论基础。
通过进一步的研究和应用，量子理论可以在能源领域和其他相关领域中发挥更大的作用。
黑体辐射实验
实验1 黑体辐射实验1.1 实验目的通过测量假想黑体的辐射曲线，了解黑体辐射的基本规律和普朗克的能量子假设，掌握扫描光栅单色仪的工作原理及使用方法。
1.2实验原理1.2.1 辐射测量的基本术语介绍黑体:是一种理想的辐射能源，是一种辐射仅取决于它的温度的辐射体，它在给定的温度下比在同样温度下的任何实际物体辐射出更多的能量。
故也称之为“完全辐射体”或“理想的温度辐射体”或“普朗克辐射体”。
辐射度:也称为“辐射出射度”简称“辐出度”。
表面上一点的辐射度为该点表面元发出的辐射通量除以该表面元的面积的商，单位是（瓦/米）。
辐亮度:表示光源的表面元发出的，在给定方向的基准所确定的方向传播的辐射通量，除以锥的立体角和表面元在垂直于给定方向的平面上的投影面积的乘积的商，单位是（瓦特/米·球面度）。
色温:一个光源的色温就是辐射同一色谱光的黑体温度，单位是（开尔文）。
1.2.2 黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。
任何物体只要其温度在绝对零度以上就可以向周围发射辐射，称之为温度辐射。
黑体是一种完全的温度辐射体，它吸收全部的入射光辐射而一点也不反射。
黑体辐射能量的效率最高，仅与温度有关，它的发射率是1，任何其它物体的发射率都小于1。
1.2.3黑体辐射定律黑体辐射的经典解释:瑞利—金斯公式: 222()M T k T cνπν= （1）错误！未找到引用源。
黑体辐射的光谱分布:普朗克定律,普朗克定律叙述了黑体辐射的光谱分布。
此定律用光谱辐射出射度（简称辐出度或辐射度）表示，其形式为：()()32/2e x p 1h k T h MT c ννπν=- （2）错误！未找到引用源。
其中λ是波长（m ），ν是频率（Hz ），3426.625610h W s -=⨯是普朗克常数，8310/c m s =⨯是光速，T 是绝对温度（K ）,231.380610/k W s K -=⨯是波尔兹曼常数。
黑体光谱辐射亮度()L T λ由下式给出：()()M T L T λλπ= （3）错误！未找到引用源。
第一节 普朗克黑体辐射理论(共15张PPT)
2. 普朗克的量子化理论
普朗克认为：物体发射或吸收的能量不是连 续的，而是一份一份的。每一份叫做一个能 量子，每一个能量子的能ɛ=hγ
h~普朗克常 h6.6 313 0j4•s
γ~ 电磁波的频率
学习互动
例1 关于黑体辐射电磁波的强度与波长的关系, 图4-1-1中正确的是 ( B )
6.要求学生仔细阅读文本，结合文本 内容分 析“成长” 的含义 即可。 注意从 两方面 。一方 面特教 学生的 成长； 另一方 面：特 教老师 和校长 的心路 历程的 成长。 注意结 合内容 阐述。
7.．作者选择一个诗意场景和象征性 物象，“ 花开、 微风、 花香”， 渲染一 种美好 的氛围 ，暗示 人们对 美好事 物的向 往和追 求，结 尾再次 照应渲 染升华 主题， 达到“ 妈妈”和 “花”互 喻的效 果。文 字诗意 灵动， 唤起读 者的审 美感受 ，暗示 并赞美“ 妈妈” 最善最 美的心 灵
图4-1-1
[解析] 黑体辐射 电磁波的强度与 温度有关,温度 越高,辐射强度 越大.随着温度 的升高,黑体辐 射强度的极大值 向波长较短的方 向移动,故B正确.
学习互动
例2 萤火虫是一种能发光的小昆虫,我国古代有人叫它“夜照”.萤火虫 主要生活在树丛中、小河边.夏天的夜晚,它在空中飞来飞去,尾部那 黄绿色的光点一闪一闪的,像一盏盏小灯笼.通常情况下灯泡只有10% 的功率用以发光,其余的90%全都转化成热浪费了.而萤火虫却不发热, 可以使其功率全部用以发光.若萤火虫发光的功率P=0.01 W,设其发光
向四周均匀辐射,平均波长λ=10-6 m,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速 c=3×108 m/s.求:
(1)萤火虫每秒钟辐射的光子数;
普朗克黑体辐射理论+示范教案
普朗克黑体辐射理论教学目标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。
教学重难点教学重点1.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。
教学难点1.认识能量量子化假说。
教学准备弹簧振子、多媒体课件教学过程新课引入情景引入：量子论使人们认识了微观世界的运动规律，并发展了一系列对原子、分子等微观粒子进行有效操控和测量的技术。
图为利用扫描隧道显微镜将48个铁原子排成的“原子围栏”。
那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的呢？讲授新课一、黑体与黑体辐射在介绍黑体和黑体辐射之前，先回顾“热辐射”的知识。
1.热辐射定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。
2.黑体教师设问：对于一般物体，除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波，也就无法排除物体反射外界电磁波的影响而单独研究热辐射。
有没有能完全吸收电磁波的物体？它是怎样吸收电磁波的？实例分析：如图4.1-1，在空腔壁上开一个很小的孔，从小孔射入空腔的光能反射出来吗？能看清小孔里的情形吗？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，我们也就不能看清小孔里的情形。
定义：这种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黑体，简称黑体。
带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。
3.黑体辐射定义：黑体虽然不能反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫做黑体辐射。
为什么要研究黑体辐射呢？大量实验结果表明，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。
所以，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如图 4.1-2是黑体辐射电磁波的强度按波长分布的情况，横坐标是辐射电磁波的波长，纵坐标表示对应波长电磁波的辐射强度。
黑体辐射实验原理
黑体辐射实验原理黑体辐射实验是探究热辐射规律和黑体辐射特性的经典实验之一。
该实验通过对黑体辐射的探究，使我们能够了解热辐射的本质和特征，进而对热辐射进行更加深入的研究。
黑体是吸收一切辐射能的理想物体，它可以完全吸收入射的辐射能，不对外界环境产生任何反射或透射。
黑体辐射实验中常用的黑体是由金属或陶瓷制成的容器，内部被涂有吸收率接近于1的黑色物质。
黑体辐射实验的原理是利用黑体的能量吸收和辐射特性，来研究物体的热辐射规律。
实验中，首先需要将黑体加热到一定温度。
当黑体被加热后，它会发出辐射能，这些能量以电磁波的形式向四面八方传播。
黑体辐射的光谱能够覆盖从长波红外线到短波紫外线的所有频率范围，其中包含了可见光。
黑体辐射的能量分布与温度有关，根据普朗克的辐射定律和斯蒂芬－玻尔兹曼定律，黑体辐射的能量与温度的四次方成正比。
实验中，我们可以使用一些设备来测量黑体辐射的特性。
例如，可以使用辐射计来测量黑体辐射的辐射强度，辐射计的工作原理是利用热电效应或半导体效应来测量电磁辐射的能量。
同时，我们还可以使用光谱仪来测定黑体辐射的光谱分布，通过将黑体辐射光线分散成不同波长的光谱线，进而测量不同波长处的辐射强度。
实验中，我们可以通过改变黑体的温度来观察黑体辐射的变化。
当黑体温度较低时，黑体辐射主要是长波红外线，所以我们看不到明显的光亮。
随着温度的升高，黑体辐射的光谱会逐渐向可见光方向移动，从红色逐渐变为橙色、黄色、绿色、蓝色，最后变为紫色。
同时，黑体辐射的强度也会随温度升高而增加。
黑体辐射实验的结果与理论计算吻合得非常好。
根据普朗克的辐射定律和斯蒂芬－玻尔兹曼定律，我们可以利用黑体辐射的能量分布和温度之间的关系，来计算出黑体的温度。
这种方法被广泛应用于天体物理学中，用来研究远离地球的星体的温度和能量分布。
总之，黑体辐射实验通过观察和测量黑体辐射的特性，使我们能够更好地理解热辐射的规律和性质。
通过实验结果，我们可以验证普朗克的辐射定律和斯蒂芬－玻尔兹曼定律，并用来计算黑体的温度。
模拟黑体实验的实验报告
模拟黑体实验的实验报告模拟黑体实验的实验报告引言：黑体是物理学中的重要概念，它指的是一个能够完全吸收所有辐射能量的理想物体。
为了研究黑体辐射的特性，科学家们进行了一系列模拟黑体实验。
本实验报告旨在介绍我们小组进行的模拟黑体实验的过程和结果。
实验目的：通过模拟黑体实验，了解黑体辐射的基本特性，并验证普朗克辐射定律和维恩位移定律。
实验材料和方法：1. 黑色金属容器：用于模拟黑体，具有良好的热传导性能。
2. 热电偶温度计：用于测量黑体的温度。
3. 辐射计：用于测量黑体辐射的强度。
4. 热源：用于提供热能，使黑体达到所需温度。
5. 数据记录仪：用于记录实验数据。
实验步骤：1. 准备工作：将黑色金属容器清洗干净，并将热电偶温度计和辐射计安装在容器内部。
2. 实验参数设定：调节热源的温度，使黑体温度在一定范围内变化。
3. 数据记录：使用数据记录仪记录黑体温度和辐射强度的数据。
4. 数据处理：根据实验数据，绘制黑体温度与辐射强度的关系曲线。
5. 结果分析：通过分析曲线，验证普朗克辐射定律和维恩位移定律。
实验结果：根据我们的实验数据，绘制了黑体温度与辐射强度的关系曲线。
曲线呈现出明显的特征，与普朗克辐射定律和维恩位移定律相符合。
实验结果表明，黑体辐射的强度随着温度的升高而增加，并且辐射峰值波长随着温度的升高而减小。
讨论与分析：根据实验结果，我们可以得出以下结论：1. 黑体辐射的强度与温度呈正相关关系。
这符合普朗克辐射定律，即黑体辐射的强度与温度的四次方成正比。
2. 黑体辐射的峰值波长与温度呈反相关关系。
这符合维恩位移定律，即黑体辐射的峰值波长与温度的倒数成正比。
3. 实验结果与理论预测相符，说明普朗克辐射定律和维恩位移定律能够很好地描述黑体辐射的特性。
结论：通过模拟黑体实验，我们验证了普朗克辐射定律和维恩位移定律，并且得出黑体辐射强度与温度的关系曲线。
实验结果与理论预测相符合，表明这两个定律能够很好地描述黑体辐射的特性。
黑体辐射理论、黑体辐射理论以及红外微光探测理论的研究
摘要自然界一切温度都高于绝对零度的物体（物质）无不在每时每刻产生着红外辐射，且这种辐射都载有物体的特征信息。
本文第一部分介绍了黑体和黑体辐射，讨论了黑体的辐射规律，即基尔霍夫辐射定律、维恩位移定律、瑞利—金斯公式、普朗克定律、斯蒂藩—玻尔兹曼定律；第二部分讨论了红外传输理论，即红外辐射在大气中传输时发生衰减的物理起因和余弦定律；第三部分介绍了微光及微光探测理论，主要解释了发射率和实际物体的辐射。
关键词：黑体黑体辐射黑体辐射红外微光探测目录摘要 (I)第一章序言 (1)第二章黑体辐射理论 (2)2.1黑体和黑体辐射 (2)2.2基尔霍夫辐射定律 (3)2.3维恩位移定律 (6)2.4瑞利—金斯公式 (9)2.5普朗克公式 (9)2.6 Stefan-Boltzmann定律 (11)第三章红外传输理论 (13)3.1红外辐射在大气中的传输 (13)3.2Lambert定律 (13)第四章红外与微光探测理论 (16)4.1实际物体的辐射力 (16)4.2实际物体的定向辐射强度 (16)4.3物体发射率的一般变化规律 (18)4.4灰体的概念及其工程应用 (19)第五章结论 (20)参考文献 (21)第一章 序言自从英国天文学家赫谢耳（Herschel ）在1800年发现红外线以来，随着红外辐射理论、红外探测器、红外光学以及红外探测及跟踪系统等的发展，红外技术在国民经济、国防和科学研究中得到了广泛的应用，已成为现代光电子技术的重要组成部分，受到世界各国的普遍关注。
其中研究热辐射的基本规律是红外物理的基本内容，本文首先讨论任意物体在热平衡条件下的辐射规律，即基尔霍夫定律。
接着讨论黑体的辐射规律，即基尔霍夫辐射定律、维恩位移定律、瑞利—金斯公式、普朗克定律、斯蒂藩—玻尔兹曼定律。
基尔霍夫定律是热辐射理论的基础之一。
它不仅把物体的发射与吸收联系起来，而且好指出了一个好的吸收体必然是一个好的发射体。
普朗克公式在近代物理发展中占有极其重要的地位。
高中物理黑体辐射规律
高中物理黑体辐射规律黑体辐射是热学中的重要现象之一，它指的是处于热平衡状态的物体对外发射的电磁辐射。
黑体辐射规律是描述黑体辐射特性的定律，也是热辐射研究的基础。
本文将从黑体辐射规律的原理、应用以及实验验证等方面进行探讨。
一、黑体辐射规律的原理黑体是指对所有波长的辐射都能完全吸收的物体，它能够实现热平衡状态并对外发射电磁波。
根据黑体辐射规律，我们可以得出以下结论：1. 黑体辐射的频谱分布：根据普朗克公式，黑体辐射的频谱分布与物体的温度有关。
温度越高，辐射的峰值频率越高，而且辐射强度也随温度升高而增加。
2. 黑体辐射的强度与温度的关系：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，黑体辐射的总辐射强度与温度的四次方成正比。
这意味着温度越高，黑体辐射的总辐射强度越大。
3. 黑体辐射的能量密度与温度的关系：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，黑体辐射的能量密度与温度的四次方成正比。
这意味着温度越高，黑体辐射的能量密度越大。
二、黑体辐射规律的应用黑体辐射规律在许多领域都有广泛的应用，下面我们将介绍其中的几个典型应用：1. 太阳辐射：太阳可以看作是一个近似黑体辐射源，其辐射能量的分布规律符合黑体辐射规律。
太阳辐射的研究对于理解地球的气候变化、太阳能利用以及天体物理学等方面都具有重要意义。
2. 热辐射测温：利用黑体辐射规律，可以通过测量物体辐射的能量密度来推算物体的温度。
这在工业生产中的温度测量、红外线测温等方面有广泛应用。
3. 热辐射能源利用：利用黑体辐射的特性，可以设计高效的热辐射能源利用系统，如太阳能电池板、热辐射加热系统等。
三、黑体辐射规律的实验验证为了验证黑体辐射规律，科学家们进行了一系列实验。
其中最著名的是普朗克的黑体辐射定律实验和斯特藩-玻尔兹曼定律的实验验证。
普朗克的实验通过对黑体辐射的频谱分布进行测量，验证了黑体辐射的频谱与温度相关的规律。
他的实验结果与普朗克公式的预测相符，为黑体辐射规律奠定了基础。
斯特藩-玻尔兹曼定律的实验验证主要是通过测量黑体辐射的总辐射强度和能量密度与温度的关系。
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黑体辐射的理论和实验研究
黑体受热以电磁波的形式向外辐射能量，是一种理想物体的热辐射。
所谓黑体是指能够全部吸收入射的任何频率的电磁波的理想物体，实际上黑体是不存在的。
但可以用某种装置近似地代替黑体。
如图1所示是一个带有小孔的空腔，并且小孔对于空腔足够小，不会妨碍空腔内的平衡。
通过小孔射入空腔的所有频率的电磁波经腔内壁多次反射后，几乎全部被吸收，再从小孔射出的电磁波极少。
所以，可以将空腔上的小孔近似地看成黑体。
在温度T 下，空腔壁也跟其他固体一样，不断辐射电磁波，腔内形成一辐射场，经过一定时间，腔内的辐射场与腔壁达到了热平衡。
这时平衡辐射的性质只依赖于温度，与腔壁的其他性质无关。
由于小孔是腔上的一部分，也处于同样的温度，因此，小孔的辐射性质就代表了空腔内的辐射性质。
1、黑体辐射的经验定律
19世纪初，天文学家赫谢耳（F ．W ．Herschel ，1739～1822）用灵敏温度计测试太阳光谱各部分的热效应，结果发现在红外光谱以外的区域温度升得最高，他认为在可见的红光之外还有不可见的辐射，这就是通常所指的热辐射。
以后，物理学家
们对于热物体发射的辐射感到有兴趣，为了研究谱线的可见光部分，
使用了照像的方法，对于红外区域即热辐射部分用热电偶测量。
在实验发现的基础上，理论研究也活跃起来了，总结实验发现的
经验规律也就相继地提出来了。
1859年，德国物理学家基尔霍夫
（G ．R ．Kirchhoff ，1824～1887）得到如下结论：“在相同的温度下
同一波长的辐射本领与吸收系数之比对于所有物体都是相同的，是一
个取决于波长和温度的函数。
”如果这一函数用Φ（λ，T ）表示，物体的辐射本领，即从物体表面单位面积上所发射的波长在λ附近的单
位波长间隔的辐射功率用e （λ，T ）表示，物体的吸收系数，即物体
在波长λ和λ＋d λ范围内吸收的能量与入射能量的比率用α（λ，T ）表示，则当物体处在辐射平衡时有：
),()
,(),(T T T e λλαλΦ= 当物体的吸收系数α=1时，Φ（λ，T ）就是该物体的辐射本领。
在1860年，基尔霍夫把α＝1的理想物体定义为“绝对黑体”，这种黑体在任何情况下能够吸收辐射到它上面的一切热辐射，所以对绝对黑体的研究成为寻找基尔霍夫函数d （λ，T ）的关键。
1879年德国物理学家斯特藩（Joseph stefan ，1835～1893）从测量中导出，黑体单位表面积在单位时间内发出的热辐射总能量W ，与它的绝对温度T 的四次方成正比，即 4
T W σ=
式中σ为“斯特藩—玻耳兹曼常量”。
但是，斯特藩—玻耳兹曼定律只反映了总的辐射能与温度的关系，不能反映辐射能随波长的分布。
2、维恩公式
1893年，德国物理学家维恩（Wilhelm Wien ，1864～1928）由电磁理论和热力学理论得到了维恩位移定律：
图8-13为用空腔上的小孔近似代替黑体
=T m λ常量
此式表明辐射中能量最强的波长λm 与黑体的温度成反比。
1895年，德国物理学家卢默尔（Otto Lummer ，1860～1925）和维恩指出，由不透射任何辐射的器壁围住的带有一个小孔的空腔，它的热辐射性能等同于黑体，辐射空腔的实现为研究黑体辐射提供了重要手段。
维恩首先从理论论证的基础上进行探讨辐射空腔中能量密度分布函数ρ（λ，T ）的表式，他首先考虑一个具有完全反射壁的球壳，其中放置一块黑体，在温度T 达到平衡后将黑体取出，此时球壳中充满黑体辐射。
然后设想辐射作绝热膨胀，即设想球壳以缓慢的匀速向外胀大，其温度自然也要发生变化，不过辐射的本质并不因此而改变，仍属黑体辐射。
由于球壳壁运动必有多普勒效应产生，因而引起辐射的频率ν或波长λ的变化。
通过简单的计算可知，波长与半径成正比；由热力学还可以证明λ与绝对温度T 的乘积为一常量。
由于发生了绝热膨胀，辐射能密度也要改变，即球壳中每单位体积的能量也要相应地改变。
可以证明对应于波长λ的辐射能密度ρ与波长的五次幂成反比。
因此： ),(),(5T f A T λλ
λρ⋅=- 或者以频率表示，可得
)(),(3T
B T νϕννρ⋅= 式中A 和B 是常量。
这就是维恩公式。
1896年，维恩利用上述公式推得了明晰的分布函数ρ（λ，T ）。
在推导时，他假设黑体辐射的能量按频率分布，和同温度的理想气体分子的能量按麦克斯韦速度分布律的分布相类同。
于是推出：
)exp(),(251T
c c T λλνρ-
=- 或者以频率表示，可得： )exp(),(3T
b T ναννρ-= 按照维恩分布定律，辐射强度将随着频率的减小而按指数规律减少。
1899年2月3日，卢默尔和普林斯海姆在一份报告中说，他们把空腔加热到800K ～1000K ，得到的能量分布曲线一般与维恩分布公式是相符的。
但在同年的11月3日的报告中又指出：这个公式只在波长较短、温度较低时才与实验结果相符，而在长波区域实验值将与维恩分布定律产生较大的偏离。
3、瑞利对黑体辐射理论的研究
1900年 6月，英国物理学家瑞利（Rayleigh ，1842～1919）发表了黑体辐射理论的研究结果，他假定辐射空腔内的电磁辐射形成一切可能的驻波，而根据经典的能量均分定理，每一驻波平均具有能量kT ，由此导出：
kT c
T 33
8),(πννρ= 式中33
8c
πν为驻波数，kT 是按照古典的能量均分定理空腔中的每个驻波分配到的平均能量。
瑞利的推导中错了一个因数，后来年轻的英国天文学家金斯（T ．H ．Jeans ，1877～1946）
做出纠正，故称为瑞利—金斯公式。
这个公式虽然在低频部分与实验符合，但由于辐射的能量与频率的平方成正比，所以随频率增大而单调增加，在高频部分出现趋于无限大，即在紫端发散，后来这个失败被厄任菲斯特（Ehrenfest P，1880—1933）称为“紫外灾难”。
瑞利－金斯公式的推导是以经典物学的基本理论为根据的，因而“紫外灾难”的出现揭示出了整个经典物理学面临的严重困难。
开尔文把与“紫外灾难”相联系的能量均分学说比做经典物理学晴空中的第二朵乌云。
这个灾难的解决将导致新的学科——量子力学的诞生。