2018-2019版高中物理第2章波和粒子2.1撥開黑體輻射的疑云學(xué)案滬科版選修3 .docx

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2.1撥開黑體輻射的疑云學(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，或者說微觀粒子的能量是分立的即學(xué)即用1判斷下列說法的正誤(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，眼睛就能察覺普朗克常量為6.631034 Js，真空中光速為3108m/s，則人眼能察覺到綠光時(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，眼睛就能察覺所以察覺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)，上述變化都將反過來針對(duì)訓(xùn)練1關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()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關(guān)D如果在一個(gè)空腔壁上開一個(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，則下列說法正確的是()圖3AT1T2BT1T2C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，1T2，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，便可知道他的體溫是多少，關(guān)于其中原理，下列說法正確的是()A人的體溫會(huì)影響周圍空氣溫度，儀器通過測(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)普朗克能量子假說的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()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效應(yīng)的最小能量為1018J，已知可見光的平均波長(zhǎng)為0.6m，普朗克常量h6.631034Js，恰能引起人眼的感覺，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效應(yīng)的最小能量E為1018 J，由EnE0得能引起人眼的感覺，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，它是通過接收熱輻射來發(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Tmin2.90103mK，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)星通過接收地面物體發(fā)出的紅外輻射來探測(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)化為可見光設(shè)所發(fā)射的可見光的平均波長(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.