資源簡介

教學(xué)設(shè)計
課程基本信息
學(xué)科 物理 年級 二年級 學(xué)期 春季
課題 普朗克黑體輻射理論
教科書 書 名：物理 選擇性必修第三冊
教學(xué)目標(biāo)
1.物理觀念：知道黑體及黑體輻射，知道黑體輻射的實驗規(guī)律和理論解釋； 2.科學(xué)思維：了解能量子假說，體會假說在科學(xué)解釋中的作用； 3.科學(xué)探究：了解宏觀、微觀粒子能量變化的特點，體會量子化對人類認識物質(zhì)世界的影響。
教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)重點： 1. 能量子的概念
教學(xué)難點： 1. 黑體輻射實驗規(guī)律的量子化解釋。
教學(xué)過程
一、新課引入 19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)在各個領(lǐng)域都取得了很大的成功，比如在力學(xué)、熱學(xué)和電磁學(xué)，當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中，認為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。 開爾文勛爵也說道：科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補工作就行了。但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云。 但就是這兩朵烏云，澆灌出了兩個重要的理論，量子力學(xué)和相對論。本課要學(xué)習(xí)的就是量子理論的第一步是如何踏出的。 二．新課講解 1.熱輻射 在爐火旁邊，會感到溫暖，火爐以輻射的形式向外輻射能量，即使火焰熄滅了，火爐仍然向外輻射紅外線，只是感受不到。 熱輻射：一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)。 熱輻射的兩條規(guī)律：1.溫度升高，輻射強度變大，溫度降低，輻射強度變小；2.室溫下，輻射電磁波波長較長，高溫下，輻射電磁波波長較短。 2.黑體與黑體輻射 （1）概念 在空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔中會發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出。這個小孔就可以看成一個絕對黑體。 定義：如果一個物體在任何溫度下，都能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，則稱這種物體為絕對黑體，簡稱黑體。 黑體輻射電磁波的規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)，因而可以反映某種具有普通意義的客觀規(guī)律。 （2）實驗探究 按照當(dāng)時物理學(xué)的認識，每個帶電微粒的振動都產(chǎn)生變化的電磁場，從而產(chǎn)生電磁輻射。于是，人們很自然地要依據(jù)熱學(xué)和電磁學(xué)的知識尋求黑體輻射的理論解釋。 維恩公式在短波部分與實驗結(jié)果吻合得很好，但長波卻不行。瑞利公式在長波部分與實驗結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)竟算得輻射強度為無窮大。 普朗克的大膽假設(shè): ①震動著的帶電微粒的能量是某一最小能量的ε的整數(shù)倍；②帶電微粒吸收和輻射能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射和吸收的；③對于頻率為v的能量子的能量為v，其中h是普朗克常量。 ②能量子假說的成就 普朗克的能量子觀點不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對自然規(guī)律的認識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。1918年，普朗克為此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 三．鞏固訓(xùn)練與總結(jié) 1.聯(lián)系生活實際說說你心中的連續(xù)性與量子化有什么區(qū)別 米袋里存放的大米，在我們?nèi)祟惪磥恚滟|(zhì)量是可以連續(xù)增加的，可以多裝入0.1kg或減少3.1kg。如果讓螞蟻來搬運這些大米，那么它們會認為存放的大米的質(zhì)量是不連續(xù)的，每次只能1粒1粒地搬運，而不能一次搬運1.1粒等。 2.光是一種電磁波，可見光的波長的大致范圍是400~600nm。400nm、760nm電磁輻射的能量子的值是多少？作業(yè)練習(xí)
課程基本信息
學(xué)科 物理 年級 二年級 學(xué)期 春季
課題 普朗克黑體輻射理論
教科書 書 名：物理 選擇性必修第三冊
作業(yè)練習(xí)
【基礎(chǔ)訓(xùn)練A】 1.四種溫度下黑體熱輻射的強度與波長的關(guān)系如圖所示。有關(guān)黑體輻射的實驗規(guī)律和科學(xué)家們對黑體輻射的研究，下列說法正確的是( ) A. 在同一溫度下，波長越短的電磁波輻射強度越大
B. 隨著溫度升高，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動
C. 隨著溫度升高，波長短的輻射強度增大，波長長的輻射強度減小
D. 德國物理學(xué)家普朗克借助于能量子假說，提出的黑體輻射強度公式與實驗相符 2. “測溫槍”學(xué)名“紅外線輻射測溫儀”具有響應(yīng)快、非接觸和操作方便等優(yōu)點。它是根據(jù)黑體輻射規(guī)律設(shè)計出來的，能將接收到的人體熱輻射轉(zhuǎn)換成溫度顯示。若人體溫度升高，則人體熱輻射強度及其極大值對應(yīng)的波長的變化情況是( ) A. 增大，增大 B. 增大，減小 C. 減小，增大 D. 減小，減小 【素養(yǎng)提升B】 3.有關(guān)黑體輻射的研究表明：輻射強度、波長分布與輻射體的溫度有密切關(guān)系，此研究對冶金工業(yè)的迅速發(fā)展有巨大貢獻。如圖所示，圖中畫出了四種溫度下黑體輻射的強度與波長的關(guān)系，據(jù)此以下判斷不正確的是( ) A. 在同一溫度下，輻射強度最大的電磁波波長不是最大的，也不是最小的，而是處在最大與最小波長之間
B. 在同一溫度下，波長越短的電磁波輻射強度越大
C. 隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都增加
D. 隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動 4. 在新冠肺炎疫情防控期間，紅外線體溫計被廣泛使用。紅外線體溫計采用非接觸的方式感應(yīng)人體的體溫，安全、方便、快捷。其原理是采用紅外傳感器吸收人體輻射的紅外線，由人體最強輻射的波長與物體的絕對溫度的關(guān)系得出人體表面的溫度。已知熱力學(xué)溫度與攝氏溫度之間的關(guān)系為。下列說法正確的是( ) A. 人體在某一溫度下只輻射某一固定波長的紅外線
B. 體溫升高，人體輻射的紅外線的波長和強度都增加
C. 溫度升高，人體輻射強度的最大值對應(yīng)的頻率減小
D. 某人最強輻射的波長為，其體溫約為 【綜合探究C】 5.某廣播電臺的發(fā)射功率為，發(fā)射的是在空氣中波長為的電磁波，則：普朗克常量，光速 （1）該電臺每秒從天線發(fā)射多少個能量子？ （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，求在離天線處，直徑為的球狀天線每秒接收的能量子數(shù)以及接收功率． 附件：答案和解析 1.【答案】 【分析】解決本題的關(guān)鍵知道黑體輻射的強度與溫度有關(guān)，溫度越高，黑體輻射的強度越大，隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，注意區(qū)分一般物體與黑體輻射的不同．
黑體輻射的強度與溫度有關(guān)，溫度越高，黑體輻射的強度越大，隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動．
【解答】A、在同一溫度下，輻射強度最大的電磁波波長不是最大的，也不是最小的，而是處在最大與最小波長之間．故A錯誤；
B、黑體輻射的強度的極大值隨溫度升高向波長較短的方向移動，故B錯誤；
C、由圖可知，隨著溫度升高，波長短的輻射強度增大，波長長的輻射強度增大，故C錯誤。
D、德國物理學(xué)家普朗克通過研究黑體輻射提出能量子的概念，提出的黑體輻射強度公式與實驗相符，故D正確； 2.【答案】 【分析】本題以“測溫槍”為背景命制試題，考查了黑體輻射實驗的規(guī)律，要求學(xué)生對實驗規(guī)律要理解并強化記憶。
根據(jù)黑體輻射實驗的規(guī)律可知，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有增強，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。
【解答】根據(jù)黑體輻射實驗的規(guī)律可知，隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增強，另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，故若人體溫度升高，則人體熱輻射強度增大，輻射強度極大值對應(yīng)的波長減小，故B正確，ACD錯誤。 3.【答案】 【分析】本題考查了黑體輻射的輻射強度、波長分布與輻射體的溫度的關(guān)系，認真閱讀理解圖像給出的信息是解題的關(guān)鍵。溫度越高，黑體輻射強度的最大值越大，隨溫度的升高，最大值向波長小的那方移動；各種溫度下都會輻射不同波長的電磁波。
【解答】在同一溫度下，輻射強度最大的電磁波波長不是最大的，也不是最小的，而是處在最大波長與最小波長之間，故A正確，，B錯誤； C.黑體輻射的強度與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都增加，故C正確； D.隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，故D正確。
本題選擇判斷不正確的，故選B。 4.【答案】 【分析】 本題主要考查波長、波速及頻率的關(guān)系，注意熱力學(xué)溫度與攝氏溫度的區(qū)別。
【解答】 由黑體輻射強度隨波長變化的關(guān)系知熱輻射不是僅僅輻射一種波長的電磁波；故 錯誤；
隨著體溫升高，人體輻射的紅外線的頻率和強度都增加，而波長變短；故 錯誤；
溫度升高，人體輻射強度的最大值對應(yīng)的波長變小，頻率增大；故 錯誤；
由 ， ?？傻皿w溫約為 ；故 正確。 5.【答案】解：每個能量子的能量

則每秒電臺發(fā)射上述波長能量子數(shù)個
設(shè)球狀天線每秒接收能量子數(shù)為，以電臺發(fā)射天線為球心，則半徑為的球面積
，
而球狀天線的有效接收面積，
所以個個
接收功率 ． 【解析】電磁波的傳播或接收不是連續(xù)的，而是與可見光一樣都是一份一份的，而每一份光子的能量為；其次，解決本題還要建立球面模型，注意能量守恒觀點在電磁波知識中的應(yīng)用。
電磁波傳播過程中的頻率是不變的，根據(jù)求解頻率；求出每個能量子的能量，從而求出電臺每秒從天線發(fā)射的能量子的個數(shù)；
根據(jù)能量守恒定律列式求解每秒鐘可接收到該電波的能量子數(shù)以及接收功率。(共18張PPT)
普朗克黑體輻射理論
年 級：二年級
學(xué) 科：高中物理（人教版）
19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)在各個領(lǐng)域都取得了很大的成功
力學(xué)
熱學(xué)
電磁學(xué)
當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和
勝利之中，認為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。
威廉·湯姆孫
開爾文勛爵
“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補工作就行了，但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云”
這兩朵烏云是指什么呢？
黑體輻射
實驗
邁克爾遜-
莫雷實驗
量子理論
相對論
量子理論使人們認識了微觀世界的運動規(guī)律，那么人們認識量子的第一步是如何邁出的？
一、什么是熱輻射？
在爐火旁邊有什么感覺？
會感到溫暖，火爐以輻射的形式向外輻射能量。
熱輻射：一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)。
火焰熄滅了，火爐是否停止向外輻射？
否，仍然向外輻射，只是感受不到
熱輻射的兩條規(guī)律：
1.溫度升高，輻射強度變大，溫度降低，輻射強度變?。?br/>2.室溫下，輻射電磁波波長較長，高溫下，輻射電磁波波長較短；
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在火爐中的鐵塊，溫度上升，顏色發(fā)生變化
問題1：
物體的顏色僅僅由溫度決定嗎？
二、提出問題
如何定量地研究物體的熱輻射規(guī)律？
物體顏色是它反射電磁波決定的
黑色物體是吸收了大部分電磁波，
反射少量電磁波
那么，在研究物體的熱輻射時，應(yīng)如何避免反射電磁波的影響？
二、建立模型
如果一個物體在任何溫度下，都能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，則稱這種物體為絕對黑體，簡稱黑體。
注意：黑體是個理想化的模型。
黑體一定是黑色的嗎？
不一定，
可以是任何顏色
在空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔中會發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出。這個小孔就可以看成一個絕對黑體。
黑體雖然不反射電磁波，但是可以向外輻射電磁波，這樣的輻射叫做黑體輻射。
而黑體輻射電磁波的規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)，因而可以反映某種具有普通意義的客觀規(guī)律。
用黑體輻射來研究電磁波的規(guī)律， 能得到某種具有普遍意義的規(guī)律。
黑體輻射到底有怎樣的規(guī)律？
0 1 2 3 4 5 6
輻射強度
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三、實驗探究
得到結(jié)論：
從中可以看出，隨著溫度的升高,一方面，各種波長的輻射強度都有增加,另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。
三、實驗探究
按照當(dāng)時物理學(xué)的認識，每個帶電微粒的振動都產(chǎn)生變化的電磁場，從而產(chǎn)生電磁輻射。于是，人們很自然地要依據(jù)熱學(xué)和電磁學(xué)的知識尋求黑體輻射的理論解釋。
維恩公式在短波部分與實驗結(jié)果吻合得很好，但長波卻不行。
瑞利公式在長波部分與實驗結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)竟算得輻射強度為無窮大。
紫外災(zāi)難
為了得出同實驗相符的黑體輻射公式，德國物理學(xué)家普朗克做了多種嘗試，進行了激烈的思想斗爭。
微觀世界的某些規(guī)律，在我們宏觀世界看來可能非常奇怪。
四、提出猜想：能量子——超越牛頓的發(fā)現(xiàn)
1900年，普朗克作出了這樣的大膽假設(shè)：
①震動著的帶電微粒的能量是某一最小能量的 整數(shù)倍
這個不可再分的最小能量值ε叫能量子，簡稱量子。
四、能量子假說
②帶電微粒吸收和輻射能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射和吸收的。
③對于頻率為v的能量子的能量為
其中h是普朗克常量，
經(jīng)典
量子
能量表現(xiàn)形式
1900年10月19日，普朗克在德國物理學(xué)會會議上提出一個黑體輻射公式：
四、能量子假說
普朗克的能量子觀點不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對自然規(guī)律的認識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。
1918年，普朗克為此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
普朗克
五、對能量子的理解
1.聯(lián)系生活實際說說你心中的連續(xù)性與量子化有什么區(qū)別？
米袋里存放的大米，在我們?nèi)祟惪磥恚滟|(zhì)量是可以連續(xù)增加的，可以多裝入0.1kg或減少3.1kg。
如果讓螞蟻來搬運這些大米，那么它們會認為存放的大米的質(zhì)量是不連續(xù)的，每次只能1粒1粒地搬運，而不能一次搬運1.1粒等。
2.光是一種電磁波，可見光的波長的大致范圍是400~600nm。400nm、760nm電磁輻射的能量子 的值是多少？
2.光是一種電磁波，可見光的波長的大致范圍是400~600nm。400nm、760nm電磁輻射的能量子 的值是多少？
400nm電磁輻射的能量子
700nm電磁輻射的能量子
謝謝，再見學(xué)習(xí)任務(wù)單
課程基本信息
學(xué)科 物理 年級 二年級 學(xué)期 春季
課題 普朗克黑體輻射理論
教科書 書 名：物理 選擇性必修第三冊
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.物理觀念：知道黑體及黑體輻射，知道黑體輻射的實驗規(guī)律和理論解釋； 2.科學(xué)思維：了解能量子假說，體會假說在科學(xué)解釋中的作用； 3.科學(xué)探究：了解宏觀、微觀粒子能量變化的特點，體會量子化對人類認識物質(zhì)世界的影響。
課前學(xué)習(xí)任務(wù)
閱讀教材67頁，讀后請思考：①什么叫黑體？②什么叫黑體輻射？③黑體輻射電磁波強度的分布只與什么因素有關(guān)？ 什么叫能量子？表達式是什么？ 3.你知道量子化是什么意思,結(jié)合生活中的實例進行分析。
課上學(xué)習(xí)任務(wù)
【任務(wù)一】黑體與黑體輻射 1.①什么叫黑體？ ②什么叫黑體輻射？ ③黑體輻射電磁波強度的分布只與什么因素有關(guān)？ 例1．下列敘述正確的是（ ） 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度按波長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的電磁波 【任務(wù)二】黑體輻射的實驗規(guī)律 2.觀察右圖，你能總結(jié)出幾個特點？ 3．黑體輻射的實驗規(guī)律如圖所示，由圖可知（ ） A．隨溫度升高，各種波長的輻射強度都增加 B．隨溫度降低，各種波長的輻射強度都增加 C．隨溫度升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動 D．隨溫度降低，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動 【任務(wù)三】能量子 4.什么叫能量子？表達式是什么？ 5.你知道量子化是什么意思嗎？ 6.紅、橙、黃、綠四種單色光中，光子能量最小的是（ ） A．紅光 B．橙光 C．黃光 D．綠光 7．以下宏觀概念中，哪些是“量子化”的（ ） A．物體的帶電荷量 B．物體的質(zhì)量 C．物體的動量 D．學(xué)生的個數(shù) 8.已知某種單色光的波長為λ，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ε的值為(　　) A．　　　　　B． C． D．以上均不正確

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