1　能量量子化公开课教案

17.1

能量量子化

【教学目标】

1．了解什么是热辐射及热辐射的特性。

2．了解黑体辐射，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。

3．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。

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。

【教学重点】

能量子的概念。

【教学难点】

黑体辐射的实验规律。

【教学方法】

讲授为主，启发、引导。

【教学过程】

一、引入新课

师：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。”“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。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”。

我们这节课就来学习能量量子化的发现。

二、进行新课

1．黑体与黑体辐射

什么是热辐射，物体的热辐射有什么特性？

（1）热辐射现象

师：我们周围的一切物体都在辐射各种波长的电磁波，这种辐射与由于物体中的分子、原子受到激发而造成的，它与温度有关，因此称为热辐射。

所辐射电磁波的特征与温度有关。当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强。。例如：在给铁块加热使其温度升高时，从看不出发光到暗红到橙色到黄白色，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。

（2）黑体

教师：除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。

能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。

教师：课件展示黑体模型（如下图）并进行阐释。

不透明的材料制成带小孔的空腔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔可近似看作黑体。

2．黑体辐射的实验规律

教师：一般材料的物体和黑体辐射电磁波的情况有什么不同呢？

学生：一般材料的物体辐射电磁波的情况除与温度有关，还与材料的种类和表面状况有关，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。

教师：研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础，请阅读教材“黑体辐射的实验规律”，稍后，课件展示（如下图）并讲解黑体辐射的实验规律。

黑体热辐射的强度与波长的关系：

随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

3．对黑体辐射的研究

教师：怎样解释黑体辐射的实验规律呢？

在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热学和电磁学的知识来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别在1896年1900年提出了辐射强度按波长分布的理论公式。

课件展示：三种理论公式描绘的电磁波辐射强度按波长分布情况变化与实验规律的区别（见下图），并引导学生了解图中的信息。

维恩公式：短波与实验接近，长波区与实验偏离很大。

瑞利-金斯公式：长波区与实验基本一致，短波区与实验严重不符，当波长趋于零时，辐射强度变为无究大，在物理学史称它为“紫外灾难”。

普朗克公式：与实验完全一致。

4．能量子：超越牛顿的发现

教师：维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不相符合，明显地暴露了经典物理学的缺陷。因此，当时的物理学家开尔文认为黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。既然已有的理论不能合理解释黑体辐射的规律，这必然会促使人们去发现新的理论。这就是能量量子化理论。

教师：1900年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：黑体中振动着的带电微粒的能量只能是最小能量值的整数倍（即：， 2，3．．．．．．），这些带电微粒发射和吸收的能量也不像经典物理学所允许的可具有任意值，也只能以这个最小能量值ε为单位一份份地进行的。

科网最小能量值叫能量子。

是电磁波的频率，

，叫普朗克常量。

教师提问、讲解：对能量量子化如何理解呢？

在宏观世界中我们认为能量是连续变化的？例如，把一个小球从高处落下，它的重力势能随高度变小而连续变小。在微观世界里能量是量子化的，量子化如何理解呢？可以认为一个物理系统的能量状态不是连续地变化而是以某一最小能量单位做跳跃式变化。举个例子，比如说人就是量子化的，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、或二阶、或三阶，但他绝不可能上一阶半就停在那里。

借助于能量子的假说，1900年10月19日普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射的强度按波长分布的公式，这公式与实验非常符合。

普朗克提出的能量子概念与当时认同的能量是连续变化的、自然过程也是连续变化的传统观念格格不入。很长时间内普朗克本人也为他的这种能量子假说深感不安。但是物理学后来的发展表明，能量子引入物理学是完全合理的，它成为了新物理学思想的基石。1918年普朗克也因此荣获了诺贝尔物理学奖。

三、作业：课后“问题与练习”1、2、3题