关于黑体辐射的物理学实验
【研究】物理学史54黑体辐射的研究
【关键字】研究5.4黑体辐射的研究热辐射是19世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。
到19世纪末，由这个领域又打开了一个缺口，导致了量子论的诞生。
热辐射研究发展简史1800年，赫谢尔在观察太阳光谱的热效应时发现了红外线，并且证明红外线也遵守折射定律和反射定律，只是比可见光更易于被空气和其他介质吸收。
1821年，塞贝克（，1780—1831）发现温差电现象并用之于测量温度。
1830年，诺比利（L.Nobili，1784—1835）发明了热辐射测量仪。
他用温差电堆接收包括红外线在内的热辐射能量，再用不同材料置于其间，比较它们的折射和吸收作用。
他发现岩盐对热辐射几乎是完全透明的，后来就用岩盐一类的材料做成了各种适用于热辐射的“光学”器件。
与此同时，别的国家也有人对热辐射进行研究。
例如：德国的夫琅和费在观测太阳光谱的同时也对光谱的能量分布作了定性观测；英国的丁锋尔（J.Tyndall，1820—1893）、美国的克罗瓦（，1833—1907）等人都测量了热辐射的能量分布曲线。
其实，热辐射的能量分布问题很早就在人们的生活和生产中有所触及。
例如：炉温的高低可以根据炉火的颜色判断；明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高；在冶炼金属中，人们往往根据观察凭经验判断火候。
因此，很早就对热辐射的能量分布问题发生了兴趣。
美国人兰利（Samuel Pierpont Langley，1834—1906）对热辐射做过很多工作。
1881年，他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量（图5－17）。
为了测量热辐射的能量分布，他设计了很精巧的实验装置，用岩盐作成棱镜和透镜，仿照分光计的原理，把不同波长的热辐射投射到热辐射计中，测出能量随波长变化的曲线，从曲线可以明显地看到最大能量值随温度增高向短波方向转移的趋势（图5－18）。
1886年，他用罗兰凹面光栅作色散元件，测到了相当精确的热辐射能量分布曲线。
4.1 普朗克黑体辐射理论 课件(共20张PPT)
800 K
1000
K
1200
K
1400
K
2. 辐射的原因：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
频率做无规则的微振动，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，形成的电磁波谱。
3. 特性：室温时，主要成分是波长较长的电磁波；当温度升高时，波长较短的电
磁波成分越来越强。
辐射强度及波长成分的分布随温度变化
新知讲解
一、黑体与黑体辐射
1.黑体：如果一个物体能够完全吸收入射的各种波长的电
磁波，而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，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。
注意：（1）黑体是个理想化的模型。
（2）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
D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较长方向移动
谢 谢
按波长的分布只与黑体的温度有关。
新知讲解
二、黑体辐射的实验规律
1.测量黑体辐射的实验原理图
加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。
T
空腔
平行光管
三棱镜
新知讲解
二、黑体辐射的实验规律
2.辐射强度按波长分布与温度的关系
特点：随温度的升高
①各种波长的辐射强度都在增加；
普朗克黑体辐射理论
新知导入
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家威廉·汤姆孙勋爵作了
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
黑体辐射
1-2 黑体辐射何谓黑体？一般的物体对外来的辐射，都有反射和吸收作用（假定透明度为零）. 若一个物体对外来的一切波长的辐射，在一切温度下都能够全部吸收而不发生反射，该物体称为绝对黑体，简称黑体. 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，这个开着狭缝的空腔体就可以看作是黑体.所有的物体都能发射热辐射，而热辐射和光辐射一样，都是一定频率范围内的电磁波，在常温和低温下，物体一般辐射出不可见的红外线；而在高温下，会辐射可见光、紫外线. 黑体是一种物体，自然也应该辐射电磁波.【实验原理】历史上，很多物理学家都企图用经典理论解释黑体辐射规律.1859年基尔霍夫以实验证明了黑体与热辐射达到平衡时，单色辐射能量密度E(ν,T )随频率ν变化曲线的形状与位置只与黑体的绝对温度有关，而与腔体的形状及组成的材料物质无关.1877年玻尔兹曼由分子运动论认识到熵S 与几率的对数成正比. 他的方法是将能量E 划分为P 个相等的小份（叫能量元ε）, 这些能量元ε在N 个谐振子中可以按不同的比例分给单个谐振子. 若单个谐振子的平均能量：NP N E U ε==(1-2-1) 假设有W 种分配方案（也叫配容数），则：k S N =W l N (1-2-2) 配容数W 就是几率，k 为玻尔兹曼常量，2310346.1-⨯=k （J/K ），N 个谐振子系统的熵N S 是单个谐振子的熵的N 倍.1893年维恩从实验中发现了黑体辐射的位定律. 他假定辐射能量按频率的分布类似于麦克斯韦速度分布律，得到了现在称之为维恩公式的辐射公式()Taeb T λλλ--=5,R (1-2-3)式中R(λ,T )称为单色辐射度（旧称为单色发射本领），它表示在单位时间内，在黑体的单位面积上从λ到λ+d λ内，单位波长间隔内所辐射出的能量；T 表示绝对温度，a ，b 是两个任意常数，分别称为第一和第二辐射常数. 维恩公式只在短波段与实验结果相符合，在长波段则出现明显偏差.1895年普朗克正在德国柏林大学任理论物理教授，经常参加德国帝国技术物理研究所有关热辐射的讨论. 他认为维恩的推导不大令人信服. 于是从1897年起，投身于这个问题的研究. 普朗克把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用，通过熵的计算，得到了维恩分布定律，从而使这个定律获得了普遍意义. 但他发现温度增高时，在长波方向，与实验结果仍有偏差，看来需作某些修正. 这时英国物理学家瑞利从另一途径也提出了能量分布定律.1900年6月，瑞利（后经金斯修改）发表了一篇论文，他根据经典电动力学和统计物理学推导而得单色辐射能量密度E(ν,T )由下式决定：ννπννd 8d ),E(23kT cT =(1-2-4) 即瑞利——金斯公式. 式中c 为光速，k 为玻尔兹曼常量，T 为热力学温度，ν为辐射频率. 此公式在低频部分与实验还算相符，但随频率增大与实验值的差距越来越大，当∞→ν时引起发散，这是当时有名的“紫外灾难”, 见图1-2-1.1900年12月14日普朗克在德国物理学会提出：电磁辐射的能量只能是量子化的. 他认为以频率ν作谐振动的振子其能量只能取某些分立值，在这些分立值决定的状态中，其对应的能量应该是某一最小能量的h ν整数倍, 即E=n h ν n=1,2,3,… 这最小的能量称为能量子，h 称为普朗克常量，341065.6⨯=h J ⋅s ，在此能量量子化的假定下，他推导出著名的普朗克公式：()1d 8d ,23-=kT he c h T E νννπνν (1-2-5) 因为 νλc= (1-2-6)λλνd d 2c=(1-2-7)将(1-2-6)和(1-2-7)代入(1-2-5)得1d 8d ),E(5-=kT hc e hc T λλλπλλ (1-2-8)即黑体辐射波长在(λλλd ,+)范围中单色辐射能量密度的分布公式，它与实验结果符合的很好. 普朗克提出的能量子假说具有划时代的意义，标志了量子物理学的诞生，因此获得了1918年诺贝尔物理学奖.考虑到单色辐射能密度E(λ,T )与单色辐射度R(λ,T )之间的关系：),R(4),E(T cT λλ=，(1-2-8)式还可写成如下形式： 1d 2d ),R(52-=kThcehc T λλλπλλ (1-2-9)图1-2-1 黑体辐射能量图 图1-2-2二维恩位移图普朗克公式经微分后可得维恩位移定律：Tk hcm λ=4.965 (1-2-10) 式中m λ为黑体辐射曲线的峰值对应的波长，T 为绝对黑体温度，其他各意义同上. 见图1-2-2，光谱亮度的最大值的波长与它的绝对温度成反比：T A m /=λ (1-2-11)A 为常数，A =2.8978310-⨯m ⋅k ，随温度的升高，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长位置会向短波方向移动. 只要测出λ，就可求得黑体的温度，这为光测高温得供了另一种手段。
黑体辐射的实际应用及原理
黑体辐射的实际应用及原理引言黑体辐射是热物体发射的电磁波的现象，它是物理学中一个重要的概念，在各个领域都有实际应用。
本文将介绍黑体辐射的基本原理，并探讨其在实际应用中的应用情况。
基本原理黑体是一个能够完全吸收所有进入它的电磁辐射并产生辐射的物体。
根据普朗克辐射定律，黑体辐射的能量与频率的关系可以由以下公式表示：E=ℎu其中，E是辐射的能量，ℎ是普朗克常数，u是辐射的频率。
根据维恩位移定律，黑体辐射的最大能量密度发生在一个与温度成反比的频率处。
具体公式为：$$\\lambda_{\\text{max}} = \\frac{b}{T}$$其中，$\\lambda_{\\text{max}}$ 是最大能量密度对应的波长，b是维恩位移常数，T是黑体的绝对温度。
实际应用黑体辐射在许多领域都有着广泛的应用。
下面将介绍一些常见的实际应用情况。
照明黑体辐射在照明领域有着重要的应用。
根据黑体辐射的原理，通过控制黑体的温度，可以调节其发出的光的颜色和亮度。
因此，黑体辐射被广泛应用于室内照明和舞台灯光等领域。
热辐射测温利用黑体辐射的原理，可以设计出热辐射测温的设备。
这类设备可以通过测量目标物体发出的辐射，来推算出物体的温度。
热辐射测温在工业生产和医学检测等领域都有重要的应用。
红外加热黑体辐射在红外加热领域也有着广泛的应用。
通过控制黑体的温度和红外辐射的方向，可以实现对物体的定点和定温加热。
这对于一些需要高温加热的工艺或实验非常有用。
能源利用黑体辐射在能源利用领域也具有重要的作用。
利用黑体辐射的原理，可以研发出更高效的太阳能电池和热能发电设备。
这些设备可以将太阳能或其他形式的能量转化为电能，提高能源利用效率。
天体物理学天体物理学中也广泛应用了黑体辐射的概念。
通过观测天体的黑体辐射特征，可以推测出它们的温度、组成成分以及年龄等信息。
这对于研究宇宙的起源和演化非常重要。
总结黑体辐射是热物体发射的电磁波的现象，它是物理学中一个重要的概念。
1.3 黑体辐射实验规律
大学物理——量子物理
黑体辐射实验规律
一. 绝对黑体
若一个物体在任何温度下，对于任何频率（波长）电磁
波的单色吸收比都等于 1, α(λ,T ) 1
则称它为绝对黑体,简称黑体。
根据基尔霍夫定侓
M1 M2
1( ) 2( )
I(,T )
黑体是完全的吸收体，也是理想的辐射体
绝对黑体的单色辐出度
M0 λ (T
)
M0 λ (T ) α0 ( λ,T )
I(λ,T )
谢谢
--- 研究热辐射的中心问题
如何寻找黑体呢？
研究热辐射时，太阳被看成黑体。
人造绝对黑体模型 — 带有小孔就可以得到不同温度下黑体的
单色幅出度随波长（频率）变化的关
吸收
系曲线。
发射 给空腔体加热
二. 黑体辐射的基本规律
1. 斯特藩—玻耳兹曼定律
M0
0
M0 d
T4
斯特藩常数 5.67051108 W（ / m2 K4）
2. 维恩位移定律
黑体辐射出的光谱中辐射最强
的波长 m与黑体温度T之间满足：
mT b
维恩常数
b 2.897756103m K
黑体辐射应用：高温遥感和红外追踪 高温比色测温仪 估算表面温度
1964年，彭齐亚斯和威尔逊接 收到一种在空间均匀分部的微波 信号噪声，称为宇宙背景辐射。 这一结论与宇宙大爆炸理论预言 的结果一致。
普朗克黑体辐射理论(高中物理教学课件)
A.是紫外线
B.是红外线
C.光子能量约为1.3×10-18 J
D.光子数约为每秒3.8×1016个
例10.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
二束光在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4，
则这两束光的光子能量之比和波长之比分别为（ D ）
A.4∶5 4∶5
B.5∶4 4∶5
C.5∶4 5∶4
D.4∶5 5∶4
例8.一盏电灯的发光功率为100W，假设它发出的光向四
周均匀辐射，光的平均波长为λ＝6.0×10-7m，普朗克常
量为6.63×10-34J·s，光速为3×108m/s，在距电灯10m远
一.黑体与黑体辐射
1.热辐射：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射 与物体的温度有关，所以叫作热辐射 2.黑体：如果某种物体能够完全吸 收入射的各种波长的电磁波而不发 生反射，这种物体就是绝对黑体， 简称黑体 3.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
注意： ①一般物体辐射与温度、材料、表面状况（形状）有关 ②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有 关。
第26章 原子结构和波粒二象性
01.普朗克黑体辐射理论 图片区
十九世纪末期，经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为 三大支柱的经典物理理论已经形成。1900年初开尔文勋爵在皇家 学会的新年致辞中总结说：“动力理论肯定了热和光是运动的两 种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第 一朵乌云出现在光的波动理论上（以太理论），第二朵乌云出现 在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上（黑体辐射）。”
实验一黑体红外辐射实验
温度(℃)
30
35
40
.......
60
辐射强度(mV)
波长(nm)
表2：黑体表面与辐射强度数据记录表距离：20 mm
黑体面
黑面
粗糙面
光面1
光面2
辐射强度(mV)
表3：黑体辐射与距离关系数据记录表t= 80℃
距离(mm)
0
50
........
实验组号：同组成员：
实验地点：近代物理实验室实验时间：指导教师：陈伟华
实验目的：
1.研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力大小的影响，并分析原因。
2.测量改变测试点与辐射体距离时，物体辐射能量W和距离L以及距离的平方L2的关系，并描绘W-L2曲线。
3.依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图。
4.测量不同物体的防辐射能力，你能够从中得到哪些启发？
实验仪器：
DHTA-1温度传感器、DHRH-2黑体辐射测试架、红外热辐射传感器、光学导轨、滑块、DHRH-IFS红外转换器、三芯连接线、51康尼线、双鼠标头连接线、数字万用表等。
实验原理：
热辐射的真正研究是从基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)开始的。1859年他从理论上导入了辐射本领、吸收本领和黑体概念，他利用热力学第二定律证明了一切物体的热辐射本领M(ν,T)与吸收本领α(ν,T)成正比，比值仅与频率ν和温度T有关，其数学表达式为：
这一研究的结果促使普朗克进一步去探索该公式所蕴含的更深刻的物理本质。他发现如果作如下“量子”假设：对一定频率ν的电磁辐射，物体只能以hν为单位吸收或发射它，也就是说，吸收或发射电磁辐射只能以“量子”的方式进行，每个“量子”的能量为：E=hν，称之为能量子。式中h是一个用实验来确定的比例系数，称为普朗克常数，它的数值是 。公式(6)中的C1、C2可表述为： ， ，它们均与普朗克常数相关，分别被称为第一辐射常数和第二辐射常数。
背景知识1黑体辐射
一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次
方成正比，即
M B(T )
0
M
B
(T
)d
T
4
σ为常数
2、维恩位移公式：
黑体辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方 向移动。
mT b
b为常 数
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3、1859年，基尔霍夫证明，黑体与热辐射平衡时，辐射能量密度只 与黑体的绝对温度有关。
4、维恩在1896年仿照麦克斯韦速率分布率，利用经典统计方法得到：
入了普朗克常数h。量子理论现已成为现
代理论和实验的不可缺少的基本理论。 普朗克由于创立了量子理论而获得了诺 贝尔奖金。
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人 体 热 图
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单色能密度 ——在一定温度T下，辐射场内 部单位体积中在波长λ~ λ +d λ 范围内的辐射 能与波长间隔的比值，即
能量密度 ——在一定温度T下，辐射场内部单 位体积中的辐射场能量。
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单色辐出度 ——在一定温度T
下，物体单位表面在单位时间内 发射的波长在λ~ λ +d λ 范围内的 辐射能与波长间隔的比值，即
n0
n0
c 1
1
h
1 e kT
En e kT
nh e kT
n0
n0
En f
n0
En
En
c nh
n0
nh
e kT
c
n0
nh
e kT
1
kT
c
nh
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Байду номын сангаас
1 kT
n0
c
1
1 kT
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关于黑体辐射的物理学实验黑体辐射是指一种具有独特频率和波长能量的电磁辐射，是应用于物理学实验中的一种重要实验技术。
本文将介绍与黑体辐射相关的物理学实验，包括实验原理、实验步骤、实验结果以及实验中需要注意的细节。
实验原理
黑体辐射实验的原理是基于黑体辐射定律。
该定律的定义为：在某一温度下，所有物体辐射的能量都和物体的颜色无关，只取决于温度和物体的表面积。
因此，黑体辐射实验可以用于测量任何物体的辐射能量。
实验步骤
在进行黑体辐射实验前，需要准备以下物品：
1.黑体辐射源；
2.辐射仪器；
3.温度计。
下面是黑体辐射实验的具体步骤：
1.将黑体辐射源加热到一定温度；
2.使用温度计来测量黑体辐射源的温度；
3.使用辐射仪器来测量黑体辐射源的辐射能量；
4.将实验数据记录下来以供分析。
实验结果
黑体辐射实验的结果包括了黑体辐射源的温度和辐射能量两个因素。
在实验过程中，辐射仪器可以通过测量特定波长的辐射能量来确定黑体辐射源的温度。
同时，几个孔径的黑体辐射源可以用来测量各种波长范围内的辐射能量。
实验注意事项
在进行黑体辐射实验时，需要注意以下细节：
1.使用辐射仪器的测量范围需要与待测物体的波长范围匹配，以获得正确的测试结果；
2.黑体辐射源的温度需要达到一定高度，以使其辐射能量达到峰值，可在物理实验室进行研究；
3.实验室环境需要保持稳定，以充分利用黑体辐射源的温度和辐射能量。
总结
黑体辐射实验是物理学研究中的一种重要实验技术。
通过对黑体辐射源的温度和辐射能量的测量，可以获得有关物体辐射能量和温度的重要信息。
不断改进黑体辐射实验技术，不但能加深对全球变化和气候变化的认识，还可以增强对热辐射和材料物性研究的了解，进一步推动物理学科技的发展。