高中物理-专题 黑体辐射与量子论(解析版)

2021年高考物理100考点最新模拟题千题精练（选修3-5） 第六部分 原子物理 专题6.1黑体辐射与量子论 一．选择题 1．（2020全国I卷高考模拟9）下列描绘两种温度下黑体辐射强度与频率关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是( )

【参考答案】B 【名师解析】 根据黑体辐射实验规律，黑体热辐射的强度与波长的关系为：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，则各种频率的辐射强度也都增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，即向频率较大的方向移动，只有B项符合黑体辐射实验规律。

2.（2020浙江“山水联盟”质检）自2020年1月以来，“新冠肺炎”席卷全国。“新冠肺炎”的典型症状就是持续发烧，因此测温是“新冠肺炎”防控的重要环节。为方便测温人们习惯采用如图所示的额温枪。额温枪是通过传感器接收红外线，得出感应温度数据，使用时只要将额温枪放于距两眼中间部位5-6cm处，修正额头与实际体温的温差便能显示准确的体温。则以下说法正确的是（ ）

A．额温枪能测温度是因为温度不同的人体辐射的红外线存在差异 B．额温枪利用的红外线也可用于杀菌消毒 C．红外线是波长比紫外线长的电磁波，它们都是横波 D．爱因斯坦最早提出“热辐射是一份一份的、不连续的”观点，并成功解释了光电效应现象 【参考答案】AC 【名师解析】额温枪能测温度是因为温度不同的人体辐射的红外线存在差异，选项A正确；额温枪利用的红外线具有热效应，不能用来杀菌，紫外线具有杀菌消毒作用，选项B错误；红外线是波长比紫外线长的电磁波，它们都是横波，选项C正确；普朗克最早提出“热辐射是一份一份的、不连续的”观点，爱因斯坦成功解释了光电效应现象，选项D错误。

3（4分）（2020江苏高考仿真模拟2）对黑体辐射的研究催生了量子理论，如图所示，图线①②③④是实验得出的不同温度下黑体辐射的实验规律，则下列说法正确的是 （ ）

A．横坐标是波长，按图线①②③④的顺序温度逐渐升高 B．横坐标是波长，按图线①②③④的顺序温度逐渐降低 C．横坐标是频率，按图线①②③④的顺序温度逐渐升高 D．横坐标是频率，按图线①②③④的顺序温度逐渐降低 【参考答案】B 【名师解析】黑体辐射的实验规律是，随着温度的升高，一方面，各种波长（频率）的辐射强度都增强；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短（频率较大）的方向移动，所以选项B正确，选项A、C、D错误。

4.（2020年5月山东泰安二模）激光在“焊接”视网膜的眼科手术中有着广泛的应用。在一次手术中，所用激光的波长λ=6.610-7m，每个激光脉冲的能量E=1.510-2J。则每个脉冲中的光子数目是(已知普朗克常量h=6.6x10-34J·s，光速c=3x108m/s) A.3x1016 B.3x1012 C.5×1016 D.5x1012 【参考答案】 C 【命题意图】本题考查光子能量公式、波长与频率的关系及其相关知识点。 【解题思路】由光子能量公式、波长与频率的关系可得每个光子能量E1=hv=hc/λ，E=N E1，代入数据联立解得每个脉冲中的光子数目是N=5×1016，选项C正确。 5（2020高考模拟示范卷1）.由我国研制的世界首颗量子科学试验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心用长征

二号丁运载火箭成功发射升空，它的成功发射和在轨运行，不仅将有助于我国广域量子通信网络的构建，服务于国家信息安全，它将开展对量子力学基本问题的空间尺度试验检验，加深人类对量子力学自身的理

O 图

② ③ ④

① 辐射强度 解，关于量子和量子化，下列说法错误的是（ ） A. 玻尔在研究原子结构中引进了量子化的概念 B. 普朗克把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念 C. 光子的概念是爱因斯坦提出的 D. 光电效应实验中的光电子，也就是光子 【参考答案】D 【名师解析】玻尔在研究原子结构中引进了轨道量子化、能量量子化和能量差量子化的观念；故A正确.普朗克引入能量子的观点，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，故B正确；爱因斯坦提出了光子说并建立了光电效应方程，故C正确；光电效应实验中发射出来的电子叫光电子，所以光电效应实验中的光电子，还是电子，不是光子，故D错误；本题选错误的故选D. 6．（2020年6月北京海淀二模）科学家发现，在真空中的两块不带电的金属板相距很近时，它们之间会存在一种作用力。这一现象的实质是与量子力学中的真空零点能相关的宏观现象，可以形象理解为金属板之间充满了具有能量的电磁波，当它们相互靠近时（如图10所示），两板间的一些波会逐渐被“挤压”出去，使得周围空间的能量高于两板之间的能量，推动它们继续靠近，从而表现得像是存在一种作用力的效果。已知这种作用力F与普朗克常量h、真空中电磁波的波速c、平行金属板间的距离d以及两板间的正对面积S有关。你可能不会求解F的表达式，但根据所学的知识你可以对F表达式的合理性做出一些判断。根据你的判断，下列关于F的表达式可能正确的是（式中的η是无单位的物理常量）

A．4=hcSFd B．24hcSFd C．3hSFcd D．25hcSFd 【参考答案】A 【名师解析】由E=hc/λ，可知hc/d的单位为J，S为面积其单位为m2，d的单位为m，Fd的单位为J，

所以关于F的表达式可能正确的是4=hcSFd，选项A正确。

7、如图1所示，画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系图象，从图象可以看出，随着温度的升高，则（ ）

图10 A．各种波长的辐射强度都有增加 B．只有波长短的辐射强度增加 C．辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 D．辐射电磁波的波长先增大后减小

【参考答案】AC 【名师解析】从图象可以看出，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，选项AC正确。 8. (多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一个小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特征，就可以确定炉内的温度，如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象，则下列说法正确的是( )

A．T1>T2 B．T1C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低 D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动

【参考答案】AD 【名师解析】 一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度(T)、辐射波的波长(λ)、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，全部吸收入射的任何波长的电磁波的物体，黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关，实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，从题图中可看出，λ19.（2018江西南昌三模）普朗克在研究黑体辐射的基础上，提出了量子理论。下列关于黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是( )

【参考答案】.D 【命题意图】 本题考查对黑体辐射强度与波长关系图象的理解及其相关的知识点。 【解题思路】由于黑体辐射强度峰值随温度的升高向短波段移动，所以符合黑体辐射实验规律的是图D。 【方法探讨】黑体辐射实验规律是考查冷点。温度越高，黑体辐射强度峰值对应波长越短。 10．(多选)某半导体激光器发射波长为1.5×10－6 m，功率为5.0×10－3 W的连续激光。已知可见光波长的数量级为10－7 m，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，该激光器发出的 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 【参考答案】 BD 【名师解析】 由于该激光器发出的光波波长比可见光长，所以发出的是红外线，A错误，B正确。光子能量E＝hν＝hcλ≈1.3×10－19 J，C错误。每秒发射的光子数n＝P×1E≈3.8×1016个，D正确。 11．已知人眼瞳孔的直径为d，一秒进入瞳孔N个波长为λ的光子时就能引起视觉．若辐射功率为P的点光源能发出波长为λ的光子，则此光源能被人眼看到的最大距离是( )

A．d4PλNhc B．d2PλNhc C．dPλNhc D．2dPλNhc 【参考答案】A 【名师解析】 每个能量子(光子)的能量为ε＝hν＝hcλ，

点光源t秒辐射的光子数为n＝Ptε＝Ptλhc， 欲能引起视觉，有N＝n4πR2·t×14πd2，R＝d4PλNhc，选项A正确．

二、非选择题 1．（12分）（2020年6月北京海淀二模）处于自然状态的物体会不断地向外辐射电磁波，同时也会吸收由其他物体辐射来的电磁波，当辐射和吸收达到平衡时，物体的温度保持不变。如果某物体能完全吸收入射到其表面的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就称为黑体。黑体也会同时向外辐射电磁波，已知单位时间内从黑体表面单位面积辐射出电磁波的能量I与黑体表面热力学温度T的4次方成正比，即I=σT4，其中σ为已知常量。 （1）若将火星看成表面温度相同的球形黑体，火星的半径为r，火星中心到太阳中心的距离为L，且L远远大于r，所以火星接收到来自太阳的辐射可视为垂直射到面积为πr2的圆面上。已知太阳向外辐射电磁波的总功率为P1。火星大气层对太阳辐射的吸收和反射、太阳辐射在传播过程中的能量损失，以及其他天体和宇宙空间的辐射均可忽略不计。 ① 求在火星表面垂直于太阳和火星连线的单位面积接收到的来自太阳辐射的功率P0； ② 设火星向四面八方各个方向均匀辐射，请写出当吸收和辐射达到平衡时火星表面热力学温度T火的表达式。 （2）太阳辐射电磁波的能量来源于如图22甲所示的太阳中心的“核反应区”。“核反应区”产生的电磁波在向太阳表面传播的过程中，会不断被太阳的其他部分吸收，然后再辐射出频率更低的电磁波。为了研究“核反应区”的温度，某同学建立如下简化模型：如图22乙所示，将“核反应区”到太阳表面的区域视为由很多个“薄球壳层”组成，第1“薄球壳层”的外表面为太阳表面；各“薄球壳层”的内、外表面都同时分别向相邻内“薄球壳层”和外“薄球壳层”均匀辐射功率相等的电磁波（第1“薄球壳层”的外表面向太空辐射电磁波，最内侧的“薄球壳层”的内表面向“核反应区”辐射电磁波），如图22丙所示；“核反应区”产生的电磁波的能量依次穿过各“薄球壳层”到达太阳的表面，每个“薄球壳层”都视为黑体，且辐射和吸收电磁波的能量已达到平衡，所以各“薄球壳层”的温度均匀且恒定。 已知太阳表面热力学温度为T1，所构想的“薄球壳层”数目为N，太阳半径R1与“核反应区”的半径RN

满足R1=kRN（k为已知的常数），第1“薄球壳层”的外表面向外辐射电磁波的总功率为P1。请根据该同学

建立的模型和题目中给出的信息，解答下列问题。 ① 求第2、第3和第N“薄球壳层”向相邻的外“薄球壳层”辐射电磁波的功率P2、P3和PN； ② 若认为“核反应区”的温度和第N“薄球壳层”的温度TN相等，请推导出“核反应区”热力学温度TN的表达式。结合所得到TN的表达式，请说明该同学的模型是否合理？若不合理，请说明理由。