普朗克黑體輻射理論

【教學目標】

一、知識與技能

1．了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射。

2．了解黑體輻射的實驗規律，了解黑體熱輻射的強度與波長的關系。

3．了解能量子的概念。

二、過程與方法

了解微觀世界中的量子化現象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點。體會量

子論的建立深化了人們對于物質世界的認識。

三、情感、態度與價值觀

領略自然界的奇妙與和諧，發展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，

能體驗探索自然規律的艱辛與喜悅。

【教學重點】

能量子的概念。

【教學難點】

黑體輻射的實驗規律。

【教學過程】

一、復習提問、新課導入

教師：介紹能量量子化發現的背景：

19世紀末頁，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用

說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內能。在電磁學方面，建立了

一個能推斷一切電磁現象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規

律——能量轉化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認

為物理學已經發展到頭了。

1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上，著名物理學家開爾文作了展望新世紀

的發言：“科學的大廈已經基本完成，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行

了?！币簿褪钦f：物理學已經沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，

在實驗數據的小數點后面在加幾位罷了！

但開爾文畢竟是一位重視現實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：

“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云?！边@兩朵烏云是指什么

呢？一朵與黑體輻射有關，另一朵與邁克爾遜實驗有關。

然而，事隔不到一年（1900年底），就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著（1905

年）從第二朵烏云中降生了相對論。經典物理學的大廈被徹底動搖，物理學發展到了一

個更為遼闊的領域。正可謂“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”。

點出課題：我們這節課就來學習普朗克黑體輻射理論。

二、新課教學

（一）黑體與黑體輻射

1．熱輻射現象

固體或液體，在任何溫度下都在發射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、

原子受到激發而發射電磁波的現象稱為熱輻射。

所輻射電磁波的特征與溫度有關。

例如：鐵塊溫度↑

從看不出發光到暗紅到橙色到黃白色

從能量轉化的角度來認識，是熱能轉化為電磁能的過程。

2．黑體

教師：除了熱輻射之外，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波。不同的物體

吸收和反射電磁波的能力是不一樣的。

概念：能全部吸收各種波長的電磁波而不發生反射的物體，稱為絕對黑體，簡稱黑

體。

不透明的材料制成帶小孔的空腔，可近似看作黑體。如圖所示。

教師注意強調：

（1）黑體是個理想化的模型。

（2）一般物體的輻射與溫度、材料、表面狀況有關，但黑體輻射電磁波的強度按

波長的分布只與黑體的溫度有關。

3．黑體輻射：黑體雖然不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，這樣的輻射叫作

黑體輻射。

研究黑體輻射的規律是了解一般物體熱輻射性質的基礎。

（二）黑體輻射的實驗規律

展示測量黑體輻射的實驗原理圖

加熱空腔使其溫度升高，空腔就成了不同溫度下的黑體，從小孔向外的輻射就是黑

體輻射。

1．輻射強度按波長分布與溫度的關系

特點：隨溫度的升高

①各種波長的輻射強度都在增加；

②輻射強度的最大值向短波方向移動。

教師提出問題，設置疑問：怎樣解釋黑體輻射的實驗規律呢？

在新的理論誕生之前，人們很自然地要依據熱力學和電磁學規律來解釋。德國物理

學家維恩和英國物理學家瑞利分別提出了輻射強度按

波長分布的理論公式。結果導致理論與實驗規律不符，

甚至得出了非?；闹嚨慕Y論，當時被稱為“紫外災難”。

2．經典物理學所遇到的困難

（1）維恩的經驗公式：短波符合，長波不符合。

（2）瑞利-金斯公式：長波符合，短波荒唐。

3．超越牛頓的發現

1900年10月19日，普朗克在德國物理學會會議上提出黑體輻射公式。普朗克公

式與實驗結果非常吻合。

（三）能量子

普朗克最終在1900年底發現，如果想推導出這個公式，就必須假定：組成黑體的

振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……

他把這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的表達式為：ε＝hν。

這里的ν是帶電微粒的振動頻率，也即帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率。h是一

個常量，后人稱之為普朗克常量，其值為h＝6.62607015×10-34J·s。

【練習鞏固】

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

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

D．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波

答案：ACD

2．關于對黑體的認識，下列說法正確的是（）

A．黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的

B．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面

狀況有關

C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與材料的種類及表面狀況

無關

D．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次

反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個空腔就成了一個黑體

答案：C

3．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

答案：A

4．小燈泡的功率P＝1W，設其發出的光向四周均勻輻射，平均波長λ＝10-6m，求

小燈泡每秒鐘輻射的光子數是多少？（h＝6.63×10-34J·s）

答案：5×1018個

5．下列描繪兩種溫度下黑體輻射強度與波長關系的圖中，符合黑體輻射實驗規律

的是（）

答案：A

6．以下宏觀概念中，哪些是“量子化”的（）

A．物體的帶電荷量B．物體的質量

C．物體的動量D．學生的個數

答案：AD

7．黑體輻射的實驗規律如圖所示，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

答案：ACD

8．在實驗室或工廠的高溫爐子上開一小孔，小孔可看作黑體