1　能量量子化教案1

物理学的新纪元---能量量子化

教学目标

1、知识与技能：

（1）了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射 （2）了解黑体辐射的实验规律，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

2、过程与方法：

了解微观世界中的量子化现象。比较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。

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: 能量子的概念

教学难点: 黑体辐射的实验规律

导入：

请同学观察：

1、用酒精喷灯加热刀片时其颜色如何变化。

2、观看电磁场加热铁块的视频：随温度升高，铁块颜色如何变化。（学生：发红）

生活中也有类似的情景，如打铁，如果涉及到工业大规模生产的话，我们需要知道它的准确温度，在19世纪工业大革命时期，没有精确测量温度的仪器，铁水温度太高，不能用温度计去测，也只能由经验丰富的工人根据铁水的颜色来判断是否可以铸造了。因此人们急需知道物体发光的颜色与其温度的关系。

新课

一、热辐射

1、常温下的物体有明有暗，看到的为反射光，但是它也存在辐射，为不可见光，可借

助红外探测仪观察：

2、高温下时物体辐射的光为可见光，不同温度下显现出不同颜色，如铁块：暗红、赤

红、橘红、黄白色（图片）。

引出热辐射定义：科学研究表明我们周围所有物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，称为热辐射，热辐射的强度与温度有关。

二、黑体与黑体辐射

一般物体的热辐射强度除了与温度相关以外，还与材料的种类、表面情况有关，如此多的因素要考虑，给我们的研究带来很大的困难，因此科学家肯定会试图寻找简便的模型。于是他们做进一步研究：物体除了辐射电磁波，还会吸收、反射电磁波，吸收电磁波的能力会与什么因素有关呢？----------通过火柴实验探究：黑白两金属片上分别用蜡烛油固定一根火柴棒，用取暖器加热，请同学观察实验现象，同时用摄像头将实验过程直播到屏幕，并引导学生分析：从能量角度分析，单位时间传到金属片的总能量基本相同，黑色先掉，吸收和反射的能量关系是怎样的？------说明黑色吸收辐射能力强，反射能力弱。例如夏天的穿衣颜色、头发、电瓶车坐垫、汽车遮阳挡等。

如果有一种物体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不反射或透射，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。比如：在一个空腔上开一个小孔，电磁波进入小孔后经过多次反射、吸收，最终不能从小孔射出，这个小孔就成了一个黑体。由于生活中找不到完全吸收电磁波的物体，因此黑体是理想化模型。但我们身边也有很多类似黑体的物质：车厢、房子的玻璃

黑体向外发出的辐射称为“黑体辐射”，并且辐射强度只与T有关，因此，科学家在研究热辐射规律时，会特别关注黑体辐射。

1、黑体辐射规律

在1889年，卢默与鲁本斯通过分光技术+热电偶设备，测出黑体辐射的电磁波强度按波长的分布情况的数据，介绍横纵坐标。

学生活动：思考、讨论并分析随温度升高，辐射强度、峰值对应波长如何变化。----随温度升高，辐射强度增强、辐射强度极大值所对应的波长变短。

这是通过实验得到的数据，在19世纪末很多科学家都试图通过经典物理学去推导与试验结果相符的公式，其中比较著名的是维恩和瑞利。

2、黑体辐射理论解释

（1）维恩公式

德国物理学家维恩根据经典热力学，通过半理论、半经验的方法，得到了一个公式，请大家观察它与实验值的符合程度-----短波区域符合的较好。尽管有所偏差，但维恩得出了一个规律，峰值对应的波长与T乘积是一个常数b，称为维恩常量，这个公式称为维恩位移定律。我们可以利用此公式估算物体的温度，比如太阳的温度：太阳辐射强度峰值所对应的波长约为500纳米。

虽然不能很好地解释实验数据，维恩的研究对热辐射做出了巨大贡献，因而在1911年获得了诺贝尔物理学奖。

（2）瑞利---金斯公式

1900年英国物理学家瑞利根据经典统计力学推导出了一个公式，在1905年英国物理学家金斯修正了瑞利辐射公式中的一个错误数值，得到了如下公式，称为瑞利---金斯公式。请

同学分析它与实验值的符合程度-----长波区域符合的较好，按照理论得出在紫外波段的辐射强度接近无穷大，当时物理学界称此荒谬的结论为“紫外灾难”。

总结：维恩和瑞利都是基于经典物理推导出的公式，但理论与实验不符，也就说明经典理论在热辐射问题上所遇到的巨大困难。

（3）普朗克能量量子化：

德国物理学家普朗克为了能够从理论上导出与实验相符的黑体辐射公式，做了很多种尝试，经过好几年艰苦的努力，结合维恩经验公式和瑞利---金斯公式的特点，利用内插法终于导出了一个新的公式，它兼具了两个公式的优点。

1900年10月下旬，在德国的一个物理学学术会议上公布了题目是《论维恩光谱方程的完善》论文，第一次提出了这个黑体辐射公式，正好鲁本斯也在场，他正好大幅度提高了测量精度，手上有最新的实验数据还没公布，于是当晚他就拿着普朗克的公式跟自己的最新实验数据一对照，发现符合得太完美了，于是鲁本斯激动地通知了普朗克，这时普朗克的公式还没有理论依据，由于符合得太过完美，使得普朗克下定决心：不惜一切代价，一定要找到理论依据！

于是他从经典物理学中不断去搜寻答案，在经过2个多月的艰苦努力，但毫无结果，普朗克不得不承认，微观世界的某些规律，在我们宏观世界看来可能非常奇怪，比如有一箱苹果，用苹果的密度乘以箱子的体积会不会等于苹果的总质量？于是他提出了一个大胆假设：假设物体辐射的能量是不连续的，而是一份一份的，吸收或辐射的能量只能取某个最小数值的整数倍，这个最小数值就叫能量子，辐射频率是v的能量的最小值数值E=hv，其中h=6.63×10-34J·S，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常量，这一大胆假设我们称之为能量量子化。他再结合经典热力学和统计学的能量均分定理，就可以导出他的黑体辐射公式。

在1900年的12月14日，在德国物理学学会上，普朗克作了《论正常光谱的能量分布定律的理论》的报告，他激动地阐述了自己的这个最惊人的发现。并强调即只有在量子化的

前提下，公式才成立。

学生活动：举出生活中量子化的例子。（人、楼梯等）

但是量子化的假设严重偏离了经典物理，没有人愿意接受，因为当时整个科学界乃至哲学界都认为，一切自然过程都是连续的，这也使普朗克自己深感不安！在这以后的许多年里，普朗克自己也感觉很后悔当时的提法，并且做了近7年的努力，希望把量子化的假设给取消掉，当1905年爱因斯坦提出光量子假说后，普朗克调侃爱因斯坦是“在思辨中迷失了方向”。再后来到1913年，尼尔斯·玻尔将量子理论引入原子结构理论中，至此带领大家进入了微观世界，慢慢使量子理论得到科学界的承认。

1900年12月14日这一天被看做是量子论的诞生日。在1918年普朗克获得了诺贝尔物理学奖。在他去世后墓碑上留下了他的名字和普朗克常量，以表达对他的无限敬仰。

三、科技发展

普朗克量子概念的提出，冲击了经典物理学，使人类对微观领域的本质有了新的认识，对现代科技的发展产生了革命性的影响，比如：

1、催生了扫描隧穿显微镜，可以观察到物体表面原子级别的精细结构。

2、解释了半导体导电原理，应用于各种电器内。

3、阐明了激光的原理，用于激光照明和激光测距。

4、军事上用于量子雷达探测隐形飞机、2016年我国发射世界首颗量子通信卫星。

思考题：

既然能量是一份一份的，那么当我们用温度计去测量一杯开水的温度时，为什么看到温度计示数不是一段一段降低的呢？------温度计精度不够

讨论与交流：（学生思考讨论）

我们回顾普朗克的探究历程，从1900年--1915年间，普朗克一直试图调和基本作用量子与经典理论，但最后徒劳无功。你会作何感想？面对权威的经典物理学，普朗克做了何种选择？继续坚持？选择放弃？既不是无畏地坚持，也不是果断地放弃。

他并不是全盘否定经典物理学，而是科学地去否定。他抛弃了经典物理学中能量可连续变化的旧观点，提出了能量量子化的新观点？

科学的否定是包容，而不是全盘否定，普朗克提出的能量量子化理论并不是说经典理论一无是处，在经典理论所适用的条件范围内，它永远是对的，只是当超出经典理论所适用范围时，它要被更先进、更精确、适用条件更广的量子理论所取代，而在经典理论适用条件范围内，经典理论与量子理论是完全一致的。因此，探究真理是一个漫长而艰辛的过程，面对权威，我们应该自省、自信，要有敢于质疑的勇气，要科学地否定。

科学否定观

四、小结：

请学生从板书的这几个维度出发，总结本节课的主要内容。

五、作业：

1、查找量子理论发展历程

2、阅读《普朗克传记》