高二物理选修3-5 能量量子化：物理学的新纪元 课件 ppt
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人教课标版高中物理选修3-5：《能量量子化》课件-新版
能量
ε=hν
h=6.626*10-34J.s
经典 量子
Байду номын сангаас
e0 ( , T )
实验值
普朗克
1
2
3
4
5
6
7
8
9 λ (μ m)
普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 1.黑体辐射公式 1900.10.19 普朗克在德国 物理学会会议上提出一个 黑体辐射公式
2πh M (T ) 2 h / kT c e 1
对热辐射的初步认识:
任何物体任何温度均存在热辐射 温度 发射的能量 电磁波的短波成分 如一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯
昏黄色
贼亮 刺眼
直觉:
低温物体发出的是红外光
炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光 注意： 热辐射与温度有关 激光 日光灯发光不是热辐射
平衡热辐射
加热一物体 物体的温度恒定时
热辐射
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。
例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色
固体在温度升高时颜色的变化
800K
1000K
1200K
1400K
这种与温度有关的辐射 称为热辐射 热辐射 --- 热能转化为电磁能的过程
h 6.626 10 焦 秒
34
黑体辐射的研究卓有成效地 展现在人们的眼前，紫外灾难 的疑点找到了，为人类解决了 一大难题。使热爱科学的人们 又一次倍感欣慰，但真理与谬 误之争就此平息了吗？
物理难题： 1888 年，霍瓦 (Hallwachs) 发 现一个带负电的金属板被紫外光照射会 放电。近10年以后，1897年，J.Thomson 发现了电子 ，此时，人们认识到那就是 从金属表面射出的电子，后来，这些电 子被称作光电子 (photoelectron)，相应的 效应叫做光电效应。人们本着对光的完 美理论（光的波动性、电磁理论）进行 解释会出现什么结果？
人教版高中物理选修3-5 第十七章 第1节 《能量量子化》 (共19张PPT)
黑体辐射的实验规律
利用分光技术和热电偶等设备， 能够测出它所辐射的电磁波强度 按波长的分布情况绘制出如图所 示的图像，从实验数据可以看出： 一随温度的升高，各种波长的辐 射强度都有增加。二辐射强度的 极大值向波长较短的方向移动。
能量子
• 能量子（quantum）是现代物理的重要概 念。最早是由德国物理学家M·普朗克在 1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐 射能量是不连续的，只能取能量基本单位 的整数倍，从而很好地解释了黑体辐射的 实ν=������������得
ν=ℎ������
=
3.4×10-19 6.63×10-34
Hz=5.13×1014 Hz,
λ=������������
=
3.0×108 5.13×1014
m=5.85×10-7 m。
5.13×10-14 Hz 的频率属于黄光的频率范围,它是黄光,其波长为
又或者是星体轨迹的运算即使 出现了0.01的偏差其导致的结 果也是灾难性的，所以，根据
量子原理所组建的原子钟，完
美的解决了这个问题，最厉害 的艳原子钟，即使过了2000万 年，其时间误差依然能保持在 1秒之内。
• 在军事领域上，量子力学可 谓是大显神威，无论是核武 器的研究，又或者是导弹系 统的创建它都参与其中，甚 至连激光武器，都离不开量 子力学。激光武器之所以能 被开发运用，其根本理论来 源于普朗克发现的量子力学 原理，里面详细介绍了光子， 电子等现代激光武器的原理。
铁块在温度升高时颜色的变化
发展历史
• 发展历史 • 1889年O.lummer等测定了黑体辐射光谱能量分布
的实验数据。 • 1879年J.Stefan根据实验数据确立了黑体辐射力正
比绝对温度的四次方规律。 • 1884年L.Boltzmann从理论上证实了上述定律。 • M.Planck • M.Planck • 1896年Wien位移定律。 • 19世纪末L.Rayleigh-J.H.Jeans公式。 • 1900年M.Planck定律。
2017年秋人教版高中物理选修3-5精选课件：17.1 能量量子化-物理学的新纪元
于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世 纪物理学的发展的文章中说到：
“在已经基本建成的科学大厦中， 后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作 就行了。”
--开尔文--
也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈 只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点 后面在加几位罢了！
但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家， 就在上面提到的文章中他还讲到：
第十七章 波粒二象性
第一节 能量量子化：物理学的新纪元
材料鉴赏:
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 沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理 学已经发展到头了。
实验
M0(,T)
瑞利-琼斯线
普朗克的拟合结果
普朗克线
维恩线
T=1646k
M0(,T)2hc 25
1
hc
ekT 1
• 普朗克能量子假说
*辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能 量是某一最小能量的整数倍 E=nε n=1,2,… ε叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数——能量
量子化
* 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量
热辐射的主要成分: 室温时 波长较长的电磁波
高温 波长较短的电磁波
热辐射解释：大量带电粒子的无规则热 运动引起的。物体中每个分子、原子或 离子都在各自平衡位置附近以各种不同 频率作无规则的微振动，每个带电微粒 的振动都会产生变化的电磁场，从而向 外辐射各种波长的电磁波，形成连续的 电磁波谱。
选修3-5 17.1 能量量子化 PPT
物理学大厦
牛 顿 力 学
麦克 斯韦 电磁 场理 论
热力 学与 统计 力学
1900年4月27日，在英国皇家学会的新年庆典上，英国著 名物理学家开尔文男爵发表题为《Nineteenth century clouds over the dynamical theory of heat and light》 （在热和光动力理论上空的两朵乌云）的演讲。他说道：
17.1 能量量子化
历史背景
19世纪末，物理学已经发展到可以说是达到相当完美、 相当成熟的程度：一切物理现象似乎都能够从相应的理论 中得到满意的回答。
力学领域，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题 的有效工具；电磁学的领域，有麦克斯韦电磁场理论做支 撑；至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理 论。总之，以牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论和统计力学 为三大支柱的经典物理大厦已经建成，坚不可摧！在这种 形势下，几乎所有物理学家会感到陶醉，会感到物理学已 大功告成，因而断言往后难有作为了。这是当时物理界普 遍存在且由来已久的一种思想。
在提出能量子之后的长达１４年时间，他在 散步时还对儿子说：“我现在做的事情，要么 是荒诞滑稽的，要么可能成为牛顿以后物理 学上最伟大的发现。”
这个假说挑战的是物理学界几百年来信奉的“自 然界无跳跃”的原则直接矛盾，因此量子论出现之 后，许多物理学家不予接受。物理学界最初对量子 论的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同 实验一致的经验性的辐射公式，而不承认他的理论 性的量子假说。
看不出来，我 也是黑体吧？
黑体辐射实验规律
辐射强度
0 ℃=273.15 K 1426.85 ℃=1700 K
温度升高时： 1.各波长辐射强度增大。
2.最大辐射强度对应的波长 向短波方向移动。
高二下学期物理人教版选修3-5课件：17.1能量量子化
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
例 2 太阳光垂直射到地面上时，地面上 1 m2 接收的太阳光的功率为 1.4 kW，其中可见光部分约占 45%。假如认为可见光的波长约为 0.55 μm，日地 间距离 R＝1.5×1011 m。普朗克常量 h＝6.6×10－34 J·s，估算：
(1)地面上 1 m2 面积上每秒接收到的可见光光子数？ (2)太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少？
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
2．黑体
(1)定义：某种物体能够__□0_4_完__全__吸__收____入射的各种波长的电磁波而不发 生___□_0_5_反__射______，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。
(2)黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的
___□_0_6_温__度______有关。
提示：黑体辐射只与温度有关，而一般物体辐射还与材料种类和表面状 况有关。
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
提示
(2)黑体辐射时只辐射可见光吗？ 提示：不是。黑体可以辐射各种波长的电磁波。
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
提示
[规范解答] 根据热辐射的定义，A 正确；因为一般物体辐射电磁波的 情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体 的温度有关，故 B 错误，C 正确；根据黑体的定义知 D 正确。
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
2．(对黑体辐射的理解)对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是( )
A．温度
B．材料
C．表面状况 D．质量
答案 A
解析 黑体辐射随波长的分布只与温度有关，A 正确。
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
例 2 太阳光垂直射到地面上时，地面上 1 m2 接收的太阳光的功率为 1.4 kW，其中可见光部分约占 45%。假如认为可见光的波长约为 0.55 μm，日地 间距离 R＝1.5×1011 m。普朗克常量 h＝6.6×10－34 J·s，估算：
(1)地面上 1 m2 面积上每秒接收到的可见光光子数？ (2)太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少？
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
2．黑体
(1)定义：某种物体能够__□0_4_完__全__吸__收____入射的各种波长的电磁波而不发 生___□_0_5_反__射______，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。
(2)黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的
___□_0_6_温__度______有关。
提示：黑体辐射只与温度有关，而一般物体辐射还与材料种类和表面状 况有关。
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
提示
(2)黑体辐射时只辐射可见光吗？ 提示：不是。黑体可以辐射各种波长的电磁波。
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
提示
[规范解答] 根据热辐射的定义，A 正确；因为一般物体辐射电磁波的 情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体 的温度有关，故 B 错误，C 正确；根据黑体的定义知 D 正确。
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
2．(对黑体辐射的理解)对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是( )
A．温度
B．材料
C．表面状况 D．质量
答案 A
解析 黑体辐射随波长的分布只与温度有关，A 正确。
012课前堂0自探3课主究后学评课习价时作业
能量量子化—人教版高中物理选修3-5课件
谢谢大家
珠海天天教育 时间：2020年03月
【作1】黑体辐射的规律如图所示，从中可以看出，随着温度的降低， 各种波长的辐射强度都有 减少 （填“增加”、“减少”、 “不变”），辐射强度的极大值向波长 较长 （填“较长”、 “较短”）的方向移动。
【作2】（多选）2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现 了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们的出色工 作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点，下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相 关的说法中正确的是（ ACD ） A. 微波是指波长在10-3m到10m之间的电磁波 B. 微波和声波一样都只能在介质中传播 C. 黑体的热辐射实际上是电磁辐射 D. 普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说
注意：黑体是个理想化的模型。
德国物理学家基尔霍夫首先 提出了绝对黑体的模型。
黑体一定是黑色的吗？
用一个白色的盒子，在侧面开一个 小孔，同样可以看做是一个黑体。 黑体不是一定必须是黑色的。
一个黑体在各种温度下，同样也会不断辐射出电磁波，这就是黑体辐射 。 那么，在研究热辐射的规律时，人们为什么特别注意对黑体辐射进行研究 ？实验表明：
如何定量地研究物体的热辐射规律？ 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
常温下我们看到的物体颜色就是 一些物体看起来很黑，其实是它吸收 物体反射了该频率的电磁波，吸 所有电磁波，反射的电磁波很弱。 收了其他频率的电磁波。
那么，在研究物体的热辐射时，应如何避免反射电磁波的影响？
一座建设中的楼房还没安装窗子，但室内墙已经粉刷。从远处看 ，将室内墙与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？
01 前 情 回 顾
目
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第一节
能量量子化：物理学的 新纪元
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沉醉于这些 成绩和胜利之中。他们认为物理学已经 发展到头了。
黑体与 黑体辐射
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 特征与温度有关。
固体在温度升高时颜色的变化
800K
1000K
1200K
1400K
一、 热辐射及其特点 1. 热辐射 由于分子热运动导致物体辐射电磁波 温度不同时 辐射的波长分布不同 例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色 这种与温度有关的辐射 称为热辐射 热辐射 --- 热能转化为电磁能的过程
实验装置 T T
平行光管 三棱镜
实验结果
e0 ( , T )
0
1
2
3
4
5
6
λ
(μm)
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
M 0 (T )
实验值
紫 外 普 灾 朗 难 克 线
维恩线
一朵令人不安的乌云。
瑞利--金斯线
o
1
2
3
4
5
6
7
8
/μm
3.能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看
作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但 是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文 勋爵作了展望新世纪的发言:
“科学的大厦已经基本完成， 后辈的物理学家只要做一些零碎 的修补工作就行了。”
--开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈 只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点 后面在加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家， 就在上面提到的文章中他还讲到：
态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可
具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε （称为 能量子）的整数倍，即：ε , 1ε , 2ε , 3ε , ... nε . n为正整数，称为量子数。
对于频率为ν 的谐振子最小能量为
能量
h
经典 量子
e0 ( , T )
实验值
普朗克
1
2
3
4
5
普朗克后来又为这种与经典物理格格不入 的观念深感不安，只是在经过十多年的努力 证明任何复归于经典物理的企图都以失败而 告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反 映了新理论的本质。
1918年他荣获诺贝尔物理学奖。 他的墓碑上只刻着他的姓名和
h 6.626 10 焦 秒
34
黑体辐射的研究卓有成效地展现 在人们的眼前，紫外灾难的疑点找 到了，为人类解决了一大难题。使 热爱科学的人们又一次倍感欣慰， 但真理与谬误之争就此平息了吗？
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令 人不安的乌云，----”
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
另一朵与迈克尔逊实验有关。
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第 一朵乌云中降生了量子论，紧接着 (1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。 经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学 发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓 “山重水复疑无路, 柳暗花明又一村
6
7
8 9 λ (μ m)
普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 1.黑体辐射公式 1900.10.19 普朗克在德国 物理学会会议上提出一个 黑体辐射公式
2πh M (T ) 2 h / kT c e 1
3
h 6.55 1034 J s
M.Planck 德国人 1858－1947
2. 黑体辐射实验规律
能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射， 折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看 作黑体。 研究黑体辐射的 规律是了解一般物体 热辐射性质的基础。黑体模型源自黑体模型空腔上的小孔
炼钢炉上的小洞
向远处观察打开 的窗子 近似黑体
形体平 状的衡 无温态 关度时 与黑 构体 成辐 黑射 体只 的依 材赖 料于 物 ,
物理难题：1888年，霍瓦(Hallwachs)发现 一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。 近10年以后，1897年，J.Thomson发现了 电子 ，此时，人们认识到那就是从金属表 面射出的电子，后来，这些电子被称作光 电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电 效应。人们本着对光的完美理论（光的波 动性、电磁理论）进行解释会出现什么结 果？
2. 对热辐射的初步认识
任何物体任何温度均存在热辐射
温度 发射的能量 电磁波的短波成分 如一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯 昏黄色 贼亮 刺眼
直觉:
低温物体发出的是红外光
炽热物体发出的是可见光
高温物体发出的是紫外光
注意：
热辐射与温度有关 激光 日光灯发光不是热辐射
二、平衡热辐射
加热一物体 物体的温度恒定时 物体所吸收的能量等于在同一 时间内辐射的能量 这时得到的辐射称为平衡热辐射
能量量子化：物理学的 新纪元
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沉醉于这些 成绩和胜利之中。他们认为物理学已经 发展到头了。
黑体与 黑体辐射
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 特征与温度有关。
固体在温度升高时颜色的变化
800K
1000K
1200K
1400K
一、 热辐射及其特点 1. 热辐射 由于分子热运动导致物体辐射电磁波 温度不同时 辐射的波长分布不同 例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色 这种与温度有关的辐射 称为热辐射 热辐射 --- 热能转化为电磁能的过程
实验装置 T T
平行光管 三棱镜
实验结果
e0 ( , T )
0
1
2
3
4
5
6
λ
(μm)
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
M 0 (T )
实验值
紫 外 普 灾 朗 难 克 线
维恩线
一朵令人不安的乌云。
瑞利--金斯线
o
1
2
3
4
5
6
7
8
/μm
3.能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看
作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但 是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文 勋爵作了展望新世纪的发言:
“科学的大厦已经基本完成， 后辈的物理学家只要做一些零碎 的修补工作就行了。”
--开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈 只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点 后面在加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家， 就在上面提到的文章中他还讲到：
态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可
具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε （称为 能量子）的整数倍，即：ε , 1ε , 2ε , 3ε , ... nε . n为正整数，称为量子数。
对于频率为ν 的谐振子最小能量为
能量
h
经典 量子
e0 ( , T )
实验值
普朗克
1
2
3
4
5
普朗克后来又为这种与经典物理格格不入 的观念深感不安，只是在经过十多年的努力 证明任何复归于经典物理的企图都以失败而 告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反 映了新理论的本质。
1918年他荣获诺贝尔物理学奖。 他的墓碑上只刻着他的姓名和
h 6.626 10 焦 秒
34
黑体辐射的研究卓有成效地展现 在人们的眼前，紫外灾难的疑点找 到了，为人类解决了一大难题。使 热爱科学的人们又一次倍感欣慰， 但真理与谬误之争就此平息了吗？
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令 人不安的乌云，----”
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
另一朵与迈克尔逊实验有关。
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第 一朵乌云中降生了量子论，紧接着 (1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。 经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学 发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓 “山重水复疑无路, 柳暗花明又一村
6
7
8 9 λ (μ m)
普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 1.黑体辐射公式 1900.10.19 普朗克在德国 物理学会会议上提出一个 黑体辐射公式
2πh M (T ) 2 h / kT c e 1
3
h 6.55 1034 J s
M.Planck 德国人 1858－1947
2. 黑体辐射实验规律
能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射， 折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看 作黑体。 研究黑体辐射的 规律是了解一般物体 热辐射性质的基础。黑体模型源自黑体模型空腔上的小孔
炼钢炉上的小洞
向远处观察打开 的窗子 近似黑体
形体平 状的衡 无温态 关度时 与黑 构体 成辐 黑射 体只 的依 材赖 料于 物 ,
物理难题：1888年，霍瓦(Hallwachs)发现 一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。 近10年以后，1897年，J.Thomson发现了 电子 ，此时，人们认识到那就是从金属表 面射出的电子，后来，这些电子被称作光 电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电 效应。人们本着对光的完美理论（光的波 动性、电磁理论）进行解释会出现什么结 果？
2. 对热辐射的初步认识
任何物体任何温度均存在热辐射
温度 发射的能量 电磁波的短波成分 如一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯 昏黄色 贼亮 刺眼
直觉:
低温物体发出的是红外光
炽热物体发出的是可见光
高温物体发出的是紫外光
注意：
热辐射与温度有关 激光 日光灯发光不是热辐射
二、平衡热辐射
加热一物体 物体的温度恒定时 物体所吸收的能量等于在同一 时间内辐射的能量 这时得到的辐射称为平衡热辐射