1　能量量子化教学设计及课堂实录

能量量子化

【教学目标】

一、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。

二、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。

三、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】

黑体辐射的实验规律；能量子的概念。

【教学难点】

黑体辐射的实验规律

【教学过程】

一、引入新课

前面的学习中我们深入了解了了牛顿运动定律，大家都知道，19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面发现了万有引力定律和牛顿运动定律。他把地面上的运动推广到天体运动等等，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(麦克斯韦)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。”

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远见的科学家，就在上面提到的讲话中他话锋一转：

“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，也就是光速的问题。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。我们这节课就来体验物理学新纪元的到来――能量量子化的发现

二、进行新课

（一）．黑体与黑体辐射

1、热辐射

思考与讨论：

(1)在炉火旁边有什么感觉？（发热，而且温度越高越热）

(2)投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？（观看视频）

(3)上面两种现象又说明了什么？

教师：指导学生阅读教材第一段并思考回答为上面两个问题。

【设计意图】身边的情景使学生“似明未明，欲说未说”，滋生了无限的想象激发学生的求知欲，启动

“内驱力”，

让学生自觉、主动地寻找知识的真谛. 1

教师：通过阅读大家知道我们周围的任何物体在任何温度下都在辐射电磁波，而且这种辐射与物体的温度有关,因此叫热辐射。（注：激光 日光灯发光不是热辐射）

根据上面实验中随温度升高铁块颜色从看不出发光到暗红到橙色到黄白色的变化说明：热辐射与温度有关系，并且低温时辐射波长较长的电磁波，而高温时辐射波长较短的电磁波。

小结：

1.热辐射

(1)定义：我们周围的任何物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。

(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。

思考与讨论：

势辐射的物体温度一定很高吗？

点评：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。因此，热辐射不一定需要高温，任何温度的物体都存在热辐射，只是温度影响热辐射的强弱。

2.黑体 思考与讨论：

既然所有物体都辐射，也就意味着各物体又都处在其他物体电磁波的笼罩中，因此，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。例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。研究辐射就应该让反射的影响降到最小，那么：在研究物体热辐射规律中，应如何避免反射电磁波的影响？

【设计意图】通过讨论可以培养学生的归纳总结能力，让学生明白建立黑体模型的意义。

德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。

请同学们阅读课本第二段并回答：什么是绝对黑体？

(1)定义：在热辐射的同时，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波．如果一些物体能够完全吸收投射到其表面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．（右图是团体模型）

思考与讨论：

（1）.绝对黑体在生活中实际存在吗？

点评：绝对的黑体实际上是不存在的，是一个理想化的模型。但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个不透明的空腔壁上开一个小孔，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，这个小孔就成了一个绝对黑体，简称黑体。

课件展示黑体模型：开孔空腔的小孔，远处的窗口等

一座建设中的楼房还没有安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处观察，把室内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？

点评：从远处看没有安装窗户的大楼时，一方面由于射入的光线反射出来的较少；另一方面由于人站的远，能反射进入的眼睛的光线与外墙相比更少，所以即使墙已经粉刷，看起来也比外墙暗的多。

（2）.黑体一定是黑色的吗？

点评：我们说的黑体并不是指物体的颜色，黑体看上去不是一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，例如：炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被看作黑体来处理。

【设计意图】用身边的现象解释物理概念，学生可以借助已有的经验加深对黑体概念的理解。

3.黑体辐射

根据黑体的定义，我们知道，黑体虽然能把入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射，但黑体仍然要向外辐射电磁波。我们叫黑体辐射。

思考与讨论：

阅读第三段并回答问题

（1）.黑体辐射与一般物体的热辐射有什么不同？

小结：

2

一般材料辐射的特点：一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关之外还与材料的种类及表面状况有关。同时还会对外来的电磁波既吸收反射。

黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长分布只与温度有关，并且，团体对外来的电磁波完全吸收而不透射也不反射。

点评：在研究热辐射时人们特别注意研究黑体辐射，它是最简单的辐射，是了解一般物体热辐射性质的基础。

思考与讨论：

至此，同学们想想在宇宙中还有一个和黑体一样的天体是什么？（黑洞，黑洞其实也是个天体，只不过它的密度非常非常大, 靠近它的物体都被它的引力所约束，不管用多大的速度都无法脱离。对于地球来说，以第二宇宙速度（11.2km/s）来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说，它的第二宇宙速度之大，竟然超越了光速，所以连光都跑不出来，于是射进去的光没有反射回来，它自身辐射的电磁波也跑不出来，我们的眼睛就看不到任何东西，只是黑色一片。）

【设计意图】创设情景，用类比的方法深化巩固概念。

（二）．黑体辐射的实验规律

1、黑体辐射的实验规律

教师：物理学家通过实验得出了它的实验规律，请同学们阅读教材“黑体辐射的实验规律”相应内容并总结出黑体辐射的实验规律

。

引导学生观察：（17.1－2图反应了黑体辐射的实验规律）

（1）从1100K图线看起，图线的起伏说明了什么问题？

说明在相同的加热温度下，黑体辐射的不同波长的电磁波的强度是变化的，中间有一个峰值。

（2）不同温度的图线比较，可以看出辐射强度与温度有什么关系？

不同的温度辐射强度不同，温度越高各种波长的辐射强度都有增加。

（3）辐射强度的极大值是怎样变化的？

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的升高向波长较短的方向移动。

小结： 黑体辐射的实验规律：(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加；（2）随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．

【设计意图】让学生从直观的图像得出黑体辐射的实验规律。从而达到突破重点的效果。学生在经历探究过程中，获取了知识，很好地培养了学生的良好思维习惯、合作意识、交流与分享的意识。

2、黑体辐射实验规律的理论解释

阅读课本第6、7段

教师：黑体辐射仅仅是实验结论，为什么会是这样的规律？又怎样从理论上解释黑体辐射的实验规律呢？物理学家又碰到了怎样的困难？

点评：大家知道，物体中存在着不停运动的带电微粒，因为按照当时物理学的理论认识，每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。于是，在新的理论诞生之前，物理学家总是力图用已有的热力学和电磁学规律来解释新发现的规律和现象。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。但维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区与实验偏差很大；而瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，不但不符，而且当波长趋于0时，辐射强度无穷大，这显然是荒谬的。由于波长很小的辐射发生在紫外线波段，所以，这种非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难”。

3

（三）

．能量子

1、能量子

教师：利用已有的经典物理理论解释黑体辐射的规律，导致了荒谬的结果。这就说明，实验上一系列新发现，跟经典物理学的理论体系产生了尖锐的矛盾，暴露了经典物理理论中的隐患，指出了经典物理学的局限性。这就说明，物理学只有从观念上、从基本假设上、以及从理论体系上来一番彻底的变革，才能适应新的形势。能量子的概念就是在这种背景下提出来的。

请同学们阅读教材p28第5段至p29第2段。回答以下内容。

1.什么是能量子？

2.能量子的能量大小是多大？

3.什么是能量的量子化

【设计意图】围绕文本及问题，学生既可以提出自己的问题，也可以发表自己对问题的看法，积极参与平等对话，交换解读的信息与方法，交流解读所获得的个性化体验。从而完成知识框架的构建。

点评：为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家，普朗克做了多种尝试，进行了激烈的思想斗争。1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，提出了一个大胆的假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。2ε、3ε而且带电微粒辐射或吸收的能量也是以这个最小能量值为单位一份一份地不连续的辐射或吸收。普朗克把这一最小能量值称为“能量子” ，简称量子。用

ε表示。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，ε=h v . h为普朗克常数h=6．626×10-34j·s。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。

小结：

(1)能量子的定义．

振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍．例如，可能是ε或2ε、3ε……当带电微粒辐射或吸收能量时，也就是以这个最小能量为单位一份一份地辐射或吸收时．这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子．

(2)能量子大小．

ε＝hν

ν是电磁波的频率，h是一个常量，后被称为普朗克常量(Planck constant)，其值为

h6.631034Js

(3)能量的量子化．

在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化．

2．量子化假设的实验证实．

至此，我们就想普朗克的量子化假设能成功的解释黑体辐射的实验规律吗？我们来看看普朗克公式与实验结果比较，比较图线如下图所示，曲线是根据普朗克的公式作出的，小圆代表实验值。发现它与实验结果“令人满意地相符”．

这种结果充分证实了能量量子化假设的正确性，同时也充分体现了量子化假设的意义重大。

思考讨论：

1、根据你的理解举例说说你周围的量子化实例？（突破难点）

点评：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、或者两阶，但他绝不可能上一阶半且固定在哪里。

2、我们知道，字母f和v都表示频率，在物理学中如何区别它们？

点评：在电工学和电子技术中，频率常用f表示，而在研究微观世界的物理学中，频率常用v表示。

3、在一杯开水中放入一支温度计，开水静置室内，可以看到水的温度是逐渐降低的。既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的，为什么它的温度不是一段一段了降低？

点评：开水向外辐射的每一份能量是很小的（微观量）而水释放1℃度的能量很大（宏观量），由于温度计的精度不够，所以观察到温度不是一段一段了降低。在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们可以认为：物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化。（因为每个能量子的能量很小，宏观物体的能量不连续变化非常不明显，可以忽略不计。）在研究微观粒子时必需考虑能量量子化。

4

【设计意图】在学生的思考与讨论中，给学生一个冲突，让他们自己去得出结论，给学生一个空间，让他们自己往前走。这里没有答案，但会留下学生合作探究的足迹，有利于知识的生成。

三、课堂小结

1、归纳相关知识点

2、扩展阅读:变革的困难

因为在很长的历史时期内，整个科学和哲学界都认为，一切自然过程都是连续的。所以，普朗克提出能量子假设后，遭到坚持经典理论的物理学家的怀疑、非难。例如，作为物理学泰斗的洛伦兹竟在罗马第四届国际数学大会上发表演讲，对普朗克的能量子假设表示怀疑。还有数学家、哲学家莱布尼兹曾经说过：“自然界不会突变。如果要对此提出疑问，那么世界将会出现许多间隙，这就迫使我们去乞求神灵来解释自然现象了。间断性同科学格格不入。”就连普朗克本人也为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，他对自己的儿子说，自己的发现“要么是荒诞无稽的，要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一”。不过经过十多年的努力，证明能量子的引入确实反映了新理论的本质，开辟了物理学的一个新纪元。

-341918年普朗克荣获了诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和h=6．626×10j·s

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？要知后事如何？请听下回分解。

我们应该对物理发展进程中物理学家在面临物理新问题时所表现出的积极态度表示崇高敬意和学习。更应该对物理学家敢于突破先前思想、先前理论束缚的创新精神表示由衷的钦佩。

四、布置作业

“问题与练习”1、2、3题。

【教学反思】

本节的知识对学生来说学前相关经验较少，理解起来有一定困难。因此要以接受学习为主，教师在讲解时可以充分利用直观的图像来做说明并做好知识铺垫，同时要注意语言的生动、形象。在能量子概念教学时，要让学生体会物理发展进程中物理学家面临物理新问题的积极态度，更多的引发他们对物理学家敢于突破先前思想、先前理论束缚的创新精神的钦佩之情。

能量量子化习题

1.以下宏观概念,哪些是“量子化”的(

)

A.木棒的长度

C.物体的动量

有连续性。

答案:D 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(

) 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

解析:根据普朗克能量子假说,带电粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,能量的辐射、吸收要一份份地进行,故选项A、B、D正确。

5

B.物体的质量

D.学生的个数

解析:所谓“量子化”是指不连续的情况,而选项A、B、C作为宏观物体的特性,具有连续性,学生个数不具

答案:ABD 3.关于对热辐射的认识,下列说法中正确的是(

) A.热的物体向外辐射电磁波,冷的物体只吸收电磁波

B.温度越高,物体辐射的电磁波越强

C.辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关,与材料种类及表面状况无关

D.常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色

解析:一切物体都不停地向外辐射电磁波,且温度越高,辐射的电磁波越强,选项A错误,选项B正确;选项C是黑体辐射的特性,选项C错误;常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色,选项D错误。

答案:B 4.2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家,以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中正确的是(

) A.微波是指波长在10 m到10 m之间的电磁波

B.微波和声波一样都只能在介质中传播

C.黑体的热辐射实际上是电磁辐射

D.普朗克在研究黑体的热辐射问题时提出了能量子假说

解析:微波的波长范围是1 mm到10 m,选项A正确。微波能在真空中传播,选项B不正确。黑体热辐射实际上是电磁辐射,选项C正确。普朗克在研究黑体的热辐射问题时提出了能量子假说,选项D正确。

答案:ACD 5.黑体辐射的实验规律如图所示,由图可知(

) A.随温度升高,各种波长的辐射强度都有所增加

B.随温度降低,各种波长的辐射强度都有所增加

C.随温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动

D.随温度降低,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动

解析:由题图可知,随温度的升高,各种波长的辐射强度都有所增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,当温度降低时,上述变化相反。故正确选项为A、C、D。

答案:ACD

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