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1、知识点1： 黑体辐射及其经典解释的困难 单色辐出单色辐出度度 d ( , ) d E MT = 总辐总辐出度出度 0 ( )( , )dE TMT = 一、热辐射现象 W/m2 W/m3 18-1-1 黑体辐射 在在单位时间单位时间内，从物体表面内，从物体表面单位面积单位面积上所发射的波长在上所发射的波长在到到+ d范围内的辐射范围内的辐射 能量与波长间隔的比值，称为单色辐出度。能量与波长间隔的比值，称为单色辐出度。 单位时间内从物体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为物体的单位时间内从物体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为物体的 辐出度。辐出度。 M取决于取决于T，物质
2、种类和表面情况等。，物质种类和表面情况等。 任一物体向周围发射辐射能的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。任一物体向周围发射辐射能的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。 绝对黑体绝对黑体: : 能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体. . 单色吸收比单色吸收比 对于不透明物体对于不透明物体: : ( , )( , )( , )1TTtT += =1 ( , )aT= 吸收能量 入射能量 单色反射比单色反射比 =0 黑体是黑体是理想模型理想模型 ( , )tT= 透过能量 入射总能量 单色透射比单色透射比 ( , )( , )1aTT += 由能量守恒关
3、系得由能量守恒关系得 特例：特例： B An A3 A2 A1 T 把几个把几个温度不同温度不同的物体的物体B,A1,A2,An 放入与外界放入与外界隔绝隔绝的的真空真空封闭容器内封闭容器内 各物体间互不接触。各物体间互不接触。B是绝对黑体是绝对黑体 A1,A2,An不是绝对黑体不是绝对黑体 经一段时间后，这些物体与容器经一段时间后，这些物体与容器 达到共同温度达到共同温度T 热平衡状态热平衡状态 平衡热辐射平衡热辐射 实验实验 这种这种温度不变温度不变的热辐射称之为的热辐射称之为平衡热辐射。平衡热辐射。 则物体的温度恒定。则物体的温度恒定。 若物体所吸收的能量等于在若物体所吸收的能量等于在同
4、一时间内辐射的能量，同一时间内辐射的能量， 在同样温度下,各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比的比 值都相等,等于等于该温度下该温度下黑体黑体对同一波长的对同一波长的单色辐出度单色辐出度. . 二、基尔霍夫辐射定律 12 12 ( , )( , ) ( , )( , ) MTMT aTaT = 0( , ) MT 这表明：这表明：1）黑体）黑体单色辐出度单色辐出度最大最大 2）好的辐射体也是好的吸收体）好的辐射体也是好的吸收体 黑体的单色辐出度黑体的单色辐出度只与温度和波长有关而和材料及表面状态无关。只与温度和波长有关而和材料及表面状态无关。利利 用黑体可撇开材料的具体性质来普遍地研
5、究热辐射用黑体可撇开材料的具体性质来普遍地研究热辐射本身的规律。本身的规律。 维恩设计维恩设计 的黑体的黑体 黑体辐射的实验规律 黑体是黑体是理想模型理想模型, ,近似近似黑体黑体模型模型如图所示如图所示: : 实验用类似模型可以控制不同的恒定温度实验用类似模型可以控制不同的恒定温度, ,并并 设置色散装置设置色散装置, ,可测量黑体的单色辐出度可测量黑体的单色辐出度. . 测量物体的单色辐出度的实验装置测量物体的单色辐出度的实验装置: : 空腔辐射器是用耐火材料做成的，可以用电炉加热到各种温度。由小孔发出的辐射空腔辐射器是用耐火材料做成的，可以用电炉加热到各种温度。由小孔发出的辐射 经分光系
6、统（光栅）按频率分开，用涂黑的热电偶探测各频段辐射能的强度。经分光系统（光栅）按频率分开，用涂黑的热电偶探测各频段辐射能的强度。 (1)斯特藩斯特藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律: 实验曲线下的面积实验曲线下的面积 00 0 ( )( , )dE TMT = 总辐出度总辐出度 4 0 ( )E TT= 斯特藩常量斯特藩常量 =5.67 10 -8 W/(m2 K4) (2)维恩位移定律维恩位移定律: : T m=b 维恩常量维恩常量 b =2.897 10-3 m K 2200k 2000k 1800k 1600k /um M0 ( T)/ /(Wcm-3m-1 ) 黑体单色辐出度黑体单色辐出度M
7、0 0极大极大 值对应的波长值对应的波长 m与温度与温度 的关系的关系 1879年，斯特藩年，斯特藩 1884年，玻尔兹曼年，玻尔兹曼 1893年，维恩年，维恩 1.若太阳近似看作黑体若太阳近似看作黑体,从太阳光谱测得从太阳光谱测得 m49.0= m K5900 1049 . 0 10897 . 2 6 3 = = m b T 太阳表面温度太阳表面温度 2.把地球看成近似黑体，已知地球表面把地球看成近似黑体，已知地球表面温度约为温度约为300 K，可以求得，可以求得 m10 300 10897 . 2 3 = = T b m 说明地面的热辐射主要处在说明地面的热辐射主要处在红外波段红外波段红外
8、遥感红外遥感. 利用维恩利用维恩位移位移定律作简单定律作简单估算估算: : 斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温、遥感和红外追踪等遥感和红外追踪等 的物理基础的物理基础。 黑体辐射的两个理论经典公式：黑体辐射的两个理论经典公式： 1896年年,维恩维恩参照麦克斯韦速率分布参照麦克斯韦速率分布 函数给出函数给出 2 5 01 ( ) C T M TCe = 维恩理论曲线如图，维恩理论曲线如图，短波部分短波部分符合很好，长波区差一些符合很好，长波区差一些. . 后来后来, ,瑞利瑞利和和金斯金斯把能量均分定理用于电磁辐射把能量均分定理用于电磁辐射, ,得到得到 4 03 ( )MTCT = 理论曲线如图，理论曲线如图，波长很长波长很长时与实验相符时与实验相符. .( (紫外紫外灾难灾难) ) 黑体辐射能谱曲线黑体辐射能谱曲线 1.1.维恩公式维恩公式: : 2.2.瑞瑞利利- -金斯公式金斯公式: : 物理学晴朗天空中物理学晴朗天空中 的一朵乌云的一朵乌云! ! 小节：小节： 绝对黑体: 能完全吸收照射到它上面的各种 波长的光的物体. 黑体辐射能谱曲线黑体辐射能谱曲线 经典物理不能解释实验测量得到经典物理不能解释实验测量得到 的黑体辐射的能谱曲线的黑体辐射的能谱曲线