2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——熱力學(xué)中的熱輻射現(xiàn)象分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列物體中，最接近理想黑體的是：(A)漆黑的吸收體(B)白色表面(C)透明的玻璃(D)具有高反射率的金屬鏡2.根據(jù)基爾霍夫輻射定律，物體的輻射本領(lǐng)（T）與吸收率（α）的關(guān)系是：(A)輻射本領(lǐng)正比于吸收率(B)輻射本領(lǐng)反比于吸收率(C)輻射本領(lǐng)與吸收率無(wú)關(guān)(D)輻射本領(lǐng)是吸收率的平方3.斯特藩-玻爾茲曼定律指出，黑體的總輻射功率（J）與其絕對(duì)溫度（T）的四次方成正比，即J∝T?。這一定律適用于：(A)只有絕對(duì)黑體(B)只有灰體(C)所有不透明物體(D)所有理想輻射體4.維恩位移定律描述了黑體輻射峰值波長(zhǎng)（λ_max）與其絕對(duì)溫度（T）的關(guān)系。當(dāng)黑體溫度升高時(shí)，其輻射峰值波長(zhǎng)：(A)變長(zhǎng)(B)變短(C)保持不變(D)先變短后變長(zhǎng)5.普朗克黑體輻射定律成功解釋了黑體輻射的能量分布，其核心思想是：(A)能量以連續(xù)波形式輻射(B)輻射依賴于黑體的溫度(C)黑體對(duì)任何頻率的輻射都有相同的吸收率(D)輻射能量是量子化的，只能取不連續(xù)的特定值6.假定太陽(yáng)和地球均可視為黑體，且太陽(yáng)到地球的距離足夠遠(yuǎn)，使得它們之間的輻射交換可視為各向同性。若太陽(yáng)表面溫度為T_s，地球表面溫度為T_e，則太陽(yáng)總輻射功率與地球總輻射功率之比P_s/P_e大約是：(A)(T_s/T_e)2(B)(T_s/T_e)?(C)1(D)(T_e/T_s)?7.有一溫度為T的灰體，其單色輻射本領(lǐng)在波長(zhǎng)λ處與同溫度黑體在該波長(zhǎng)的單色輻射本領(lǐng)之比，稱為該灰體在波長(zhǎng)λ處的：(A)吸收率(B)發(fā)射率(C)反射率(D)折射率8.按照基爾霍夫定律，一個(gè)完美的黑體：(A)對(duì)所有入射輻射完全吸收(B)對(duì)所有頻率的輻射都有相同的吸收率(C)具有最大的可能發(fā)射率(D)不存在，僅為理論模型二、填空題（請(qǐng)將答案填在橫線上）9.隨著溫度升高，物體輻射電磁波的波長(zhǎng)范圍將向__________（填“長(zhǎng)”或“短”）端移動(dòng)。10.維恩位移定律指出，黑體輻射的峰值波長(zhǎng)λ_max與其絕對(duì)溫度T成__________比，其關(guān)系式為λ_maxT=_________（填常數(shù)）。11.斯特藩-玻爾茲曼定律表明，黑體的總輻射功率J與其絕對(duì)溫度T的__________次方成正比，比例系數(shù)為斯特藩常數(shù)σ。12.基爾霍夫定律指出，在任何溫度下，不同物體的發(fā)射率ε與其吸收率α的關(guān)系為ε(λ,T)=_________。13.普朗克首先提出了__________（填“能量量子化”）假設(shè)，成功解釋了黑體輻射難題。14.設(shè)某物體的吸收率為0.6，根據(jù)基爾霍夫定律，該物體是__________（填“黑體”、“灰體”或“白體”）。15.溫度為300K的房間，其墻壁單位面積、單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的總能量（可視為灰體）大約是多少？（假設(shè)墻壁有效發(fā)射率接近1，并使用σ=5.67×10??W·m?2·K??）三、計(jì)算題16.實(shí)驗(yàn)測(cè)得某星體（可近似視為黑體）輻射峰值的波長(zhǎng)為500nm。試求該星體的表面溫度。已知維恩常數(shù)b=2.898×10?3m·K。17.地球接收到的太陽(yáng)輻射功率可近似看作來(lái)自一個(gè)有效溫度為5800K的黑體。假設(shè)太陽(yáng)和地球之間的距離遠(yuǎn)大于它們的尺寸，且地球?qū)μ?yáng)輻射的吸收率為0.7，有效發(fā)射率也近似為0.7（可視為灰體）。試估算地球表面的平衡溫度。已知斯特藩常數(shù)σ=5.67×10??W·m?2·K??。18.一塊質(zhì)量為0.1kg、比熱容為500J·kg?1·K?1的金屬塊，初始溫度為300K，被放入一個(gè)溫度為500K的熱庫(kù)中達(dá)到熱平衡。假設(shè)整個(gè)過(guò)程熱庫(kù)溫度不變，且金屬塊可視為灰體，其表面發(fā)射率ε=0.8。試計(jì)算金屬塊從熱庫(kù)吸收的熱量。已知斯特藩常數(shù)σ=5.67×10??W·m?2·K??。（提示：考慮熱平衡和熱輻射能量交換）19.有兩個(gè)相同的小黑體腔，腔壁溫度均為T。一個(gè)小孔作為輻射口，另一個(gè)小孔作為吸收口。當(dāng)用光束照射吸收口時(shí)，能量會(huì)以熱輻射的形式從小孔輻射出來(lái)。若單位時(shí)間內(nèi)從小孔輻射出的總功率為P，試推導(dǎo)出腔壁溫度T與P的關(guān)系。（可從斯特藩-玻爾茲曼定律出發(fā)）四、簡(jiǎn)答題20.簡(jiǎn)述普朗克黑體輻射定律與經(jīng)典物理學(xué)（如瑞利-金斯定律）在短波區(qū)域的主要區(qū)別及其原因。21.解釋什么是灰體，并說(shuō)明為什么實(shí)際中大多數(shù)物體（如人體、地面、墻壁）都可近似看作灰體來(lái)處理其熱輻射問(wèn)題。22.為什么在寒冷的冬天，穿深色衣服會(huì)比穿淺色衣服感覺更冷？請(qǐng)從熱輻射的角度解釋。試卷答案一、選擇題1.(A)2.(A)3.(D)4.(B)5.(D)6.(B)7.(B)8.(C)二、填空題9.短10.反，2.898×10?311.四12.α(λ,T)13.能量量子化14.灰體15.40.3W/m2三、計(jì)算題16.解：根據(jù)維恩位移定律λ_maxT=b，可得T=b/λ_max。T=(2.898×10?3m·K)/(500×10??m)=5796K。答案為5796K。17.解：設(shè)地球平衡溫度為T_e。根據(jù)能量平衡，地球接收的太陽(yáng)輻射功率等于其自身的輻射功率。吸收功率P_abs=α*P_solar，其中P_solar≈σ*T_s?。輻射功率P_rad=ε*σ*T_e?。P_abs=P_rad，即α*σ*T_s?=ε*σ*T_e?。T_e?=(α/ε)*T_s?。T_e=T_s*[(α/ε)]^(1/4)=5800K*[(0.7/0.7)]^(1/4)=5800K。答案為5800K。（注意：此處假設(shè)α=ε，實(shí)際地球溫度會(huì)略低）18.解：金屬塊吸收熱量Q=m*c*ΔT。ΔT=T_final-T_initial=500K-300K=200K。Q=0.1kg*500J·kg?1·K?1*200K=10000J。金屬塊達(dá)到平衡后，其表面溫度為500K。此時(shí)金屬塊向熱庫(kù)的輻射功率P_out=ε*σ*T_surface?=0.8*5.67×10??W·m?2·K??*(500K)?。P_out≈0.8*5.67×10??*6.25×1011≈2.84×103W。熱庫(kù)向金屬塊（視為小體）的輻射功率P_in≈P_out（因?yàn)闊釒?kù)面積遠(yuǎn)大，可視為無(wú)限大灰體）。熱庫(kù)對(duì)金屬塊凈輻射功率P_net=P_in-P_out≈0-P_out=-2.84×103W（負(fù)號(hào)表示凈失熱）。根據(jù)能量守恒，金屬塊吸收的熱量Q=-P_net=2.84×103J。（注意：此結(jié)果與Q=m*c*ΔT=10000J不符，因?yàn)楹雎粤藷釒?kù)本身溫度的微小變化。若題目?jī)H要求金屬塊吸收的熱量，則應(yīng)為10000J。若考慮熱庫(kù)溫度變化，則需聯(lián)立求解。此處按Q=m*c*ΔT計(jì)算）。答案為10000J。19.解：設(shè)腔壁溫度為T。單位時(shí)間內(nèi)從小孔輻射出的總功率P=A*ε*σ*T?，其中A是小孔面積，ε是發(fā)射率（對(duì)黑體腔口ε=1）。P=A*σ*T?。答案為P=A*σ*T?。20.解：區(qū)別在于：經(jīng)典物理學(xué)（瑞利-金斯定律）預(yù)測(cè)短波輻射功率趨于無(wú)窮大，與實(shí)驗(yàn)不符；普朗克定律預(yù)測(cè)短波輻射功率趨于零，與實(shí)驗(yàn)一致。原因在于：普朗克引入了能量量子化假設(shè)，即能量不是連續(xù)的，而是一份一份的（hν），這是經(jīng)典物理學(xué)所缺乏的。21.解：灰體是指對(duì)各種頻率的輻射的吸收率α(λ,T)相同的物體，即α(λ,T)=constant。實(shí)際物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射吸收率不同，但若這種差異相對(duì)較小，或者只對(duì)特定波段（如人眼可見光）有顯著影響，或者我們關(guān)心的不是精確的波長(zhǎng)依賴性，就可以將其近似為灰體。例如，人體、墻壁、衣物等在紅外波段的主要熱輻射特性上，其吸收率與輻射本領(lǐng)表現(xiàn)出相對(duì)一致的行