1　能量量子化教学设计第二课时

第一节 能量量子化

★教学目标：

1、知识与技能：

（1）了解黑体辐射

，感悟以实验为基础的科学探究方法；

（2）了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想；

（3）通过观察热辐射的强度与波长的关系图象培养学生观察能力；

（4）了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

2、过程与方法：

本节内容是按物理学史的发展展开的，目的是使学生能从前辈大师的工作中体会科学探究的真实过程，感受科学家进行探究的科学方法与科学精神。

3、情感态度与价值观：

领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

★教学重点:

对黑体辐射能量在不同温度下与波长的关系的研究。

★教学难点: 如何让学生理解能量量子化假说。

★教学过程：

（一）引入新课

19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。

在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。

另外还找到了力、电、光、声----等都遵循的规律---能量转化与守恒定律。

当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文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”。

--开尔文-- 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----” 这两朵乌云是指什么呢？ 一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。

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后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 普朗克量子力学的诞生、相对论问世

然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村”。 （二）新课导学

一、黑体与黑体辐射

思考与讨论：

1.在火炉旁边有什么感觉？ 2.投在炉中的铁块开始是什么颜色？过一会又是什么颜色？

（点评：通过“思考与讨论”让学生明确热辐射就在我们身边，学生可能回答会感到“热”，教师追问“热”是怎样传到人身上的，从而引出热辐射的概念。对于辐射的本质可让学生结合电磁学的知识和物质结构的知识讨论，认识到这是一种电磁波。）

1、热辐射现象 热辐射：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。

任何物体任何温度均存在热辐射。其实，我们周围的一切物体都在进行热辐射，只是我们没有察觉。因为温度不高，大部分物体在辐射红外线，所以我们不易察觉。通过红外照片可以看到；人体红外热辐射成像是将不可见得红外热辐射转化为为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。这是一个人不同时期的照片，你能猜测出哪个是病态，哪个是正常吗？ 当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强。例如给一段铁丝不断加热，铁丝依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。这表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。这是热辐射的一个特性。

固体在温度升高时颜色的变化

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即: 室温时 波长较长的电磁波

高温时 波长较短的电磁波

注意： 热辐射与温度有关

激光 日光灯发光不是热辐射

热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。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作无规则的微振动，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，形成连续的电磁波谱。

2、黑体与黑体辐射： 物体在热辐射之外，还会吸收、反射外界射来的电磁波。常温下物体的颜色就是反射光所致。不同物体吸收、反射电磁波的能力也不同，白色反射的最多，黑色吸收的最多。

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。

思考与讨论: 从远处观察我们上课的教学楼，打开的窗子与关闭的窗子有什么不同？为什么？

讨论后：从远处观察打开窗子的教学楼时，一方面由于射入的光线反射出来的较少；另一方面由于人站得远，能够反射进入人眼的光线与外墙相比较少，看起来也比外墙暗的多。

思考与讨论:1、为什么要研究黑体？

2、生活中有黑体吗？ 研究黑体的意义：一般物体热辐射的辐射强度除了与物体的温度有关外，还

与材料的种类、表面情况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关；而且黑体材料在加热到同样温度时，发出的热辐射比其他物体强，因此黑体是用来建立热辐射定律的理想辐射体。为了理论研究的需要，基尔霍夫提出了绝对黑体的理想模型，从而促进了黑体辐射研究。在生活中煤烟是很接近理想黑体的材料。

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二、黑体辐射的实验规律

1、背景：19世纪后半叶，欧洲的冶金工业迅速发展，技术人员渴望了解热辐射的规律。如果知道了辐射强度、波长分布与辐射体的温度的关系，就可以通过钢水的光谱推知钢水的温度。这种需求推动了黑体辐射的研究。

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础 2、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。

3、辐射强度：单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。 思考与讨论:

观察图中横、纵坐标轴表示的物理量，回答下面的问题：

•

每一条图线都有起伏，说明什么问题？

•

几条图线对比，在同一波长附近，辐射强度与温度什么关系？

•

几条图线对比，辐射强度的最大值有什么特点？

特点：

①说明在相同的加热温度下，黑体辐射的强度是变化的，但不与波长成正比，中间有一个峰值；

②不同的温度辐射强度不同，随温度的升高各种波长的辐射强度都在增加； ③温度越高，辐射强度的极大值越大；辐射强度的极大值随温度升高向短波方向移动。

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4、经典物理学所遇到的困难 解释实验曲线——

一朵令人不安的乌云

1)维恩的经验公式：

短波符合;长波不符合 2)瑞利----金斯公式：

长波符合;短波荒唐 ----紫外灾难

（波长很小的辐射处在紫外线波段）

三、能量子---超越牛顿的发现

1、普朗克能量子假说：

①辐射物体中包含大量振动着的带电微 粒，它们的能量是某一最小能量的整数 倍 E=ne n=1,2,…（e叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数——能量量子化） ②谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量

③对于频率为n 的谐振子，最小能量为：



=h ν

普朗克常量h=6.62610-34J·s 2、怎么理解“量子化”？

例如一个宏观的弹簧振子，把小球推离平衡位置后开始振动，能量为E。下一次我们可以把它推得稍远一些，使它振动的能量稍多一些，例如1.2E或1.3E，也可以把它推得更远，能量更大，例如2.7E或3.3E。弹簧振子的能量不一定是某个最小值的整数倍。只要在弹性限度以内，我们可以把小球推到任何位置，它的能量可以是任意值。对于弹簧振子的情况，我们说能量值是连续的。

量子化---分立：比如我们知道了一个箱子的体积，里面装满了苹果，如果我们用苹果的密度乘以箱子的体积（用连续性的观点处理），其重量会大于实际重量，我们只有把苹果想成量子化的，才能与实际吻合。又比如，人就是量子化的，不能说某个家庭有2.2个小孩，因为一个小孩就是一个基本单位；楼梯也是量子化的，一个人上楼梯，他可以一次上一阶、二阶或三阶，但他绝不可能上一阶半定在那里……

3、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射：普朗克借助于能量子的假说，，得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合之好令人击掌叫绝。

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4、意义： Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。

黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？

5、物理难题：

1888年，霍瓦(Hallwachs)发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近10年以后，1897年，J.Thomson发现了电子

，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？ 6、（播放视频）①有“绝技”有“怪癖”神奇的量子

②墨子号量子通讯卫星--厉害了我的国

（三）课堂练

【例1】下列叙述正确的是（ACD ）

A、一切物体都在辐射电磁波

B、一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关

C、黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关

D、黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波

【例2】对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是( ABD ) A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收 B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍 C.吸收的能量可以是连续的 D.辐射和吸收的能量是量子化的 【例3】光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400~700 nm。求400 nm、700 nm电磁辐射的能量子的值各是多少?

解析:根据公式ν=和ε=hν可知: 400nm对应的能量子ε1=h=6.63×10-34×J=4.97×10-19J

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700nm对应的能量子ε2=h=6.63×10-34×J=2.84×10-19J （四）课堂小结

本节课的知识线索： 冶金工业的发展及对恒星研究的需要促进了对黑体辐射问题的研究

经典理论对黑体辐射实验规律的

解释

难以解决的矛盾（维恩公式在长波区、瑞利公式在短波区）

普朗克能量子假设

数学推理（黑体辐射的强度按波长分布的公式）

与实验事实的对照 （五）作业：

小资料库 能量量子化:物理学的新纪元

1900年12月14日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他42岁。普朗克把能量子引入物理学,正确地破除了”能量连续变化”的传统观念,成为现代物理学思想的基石之一, 为我们打开了量子之门,就在1900年，一个名叫爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业，正在为将来的生活发愁。5年后他受量子化启发提出了光量子,成功的解释了光电效应。

就在那一年,在丹麦，15岁的玻尔(NielsBohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名。 13年后他提出了原子轨道量子化。

德布罗意(Louis de Broglie)当时8岁，还正在家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波。

再过12个月，维尔兹堡(Wurzberg)的一位著名希腊文学教授就要喜滋滋地看着

他的宝贝儿子小海森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。

以上人物都将在我们的课文中出现,请同学们记住他们的名字。

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