1　能量量子化教学活动设计方案

《能量量子化教学设计》

揭阳市空港区渔湖中学

孙茂亮

【

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、引导为辅。

【教学用具】

多媒体辅助教学设备。

【教学过程

】

【思考1】坐在火炉旁，我们有什么感觉呢？

我们会感觉到热

【思考2】“热”是怎么传到人身上的呢？

热辐射，辐射电磁波

一、黑体和黑体辐射

1、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

热辐射所辐射电磁波的特征与温度有关

物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强

不断加热铁块，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色

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。随温度的升高，辐射强度在增大，同时辐射电磁波的频率或波长也在变化

从能量转化的角度看，是热能转化为电磁能的过程

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

常温下我们看到的物体的颜色就是反射光所致。一些物体在光线照射下看起来比较黑，那是因为它吸收电磁波的能力较强，而反射电磁波的能力较弱

不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的

2、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

具有普遍意义的客观规律，研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础

二、黑体辐射的实验规律

加热右图所示的空腔，空腔内的温度不断升高，小孔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

利用分光技术和热电偶等设备，能够测出它所辐射的电磁波强度按波长的分布情况

四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系

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

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力学和电磁学规律来解释。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

维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则实验偏离较大；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，辐射强度竟变成无穷大，这显然是荒谬的

由于波长很小的辐射处在紫外线波段，故而由理论得出的这种荒谬结果

被认为是物理学理论的灾难，当时称为“紫外灾难”

用经典电磁理论无法解释黑体辐射实验规律，为了得出同实验相符的黑体辐射公式，普朗克认为：微观世界的某些规律，在我们宏观世界看来可能非常奇怪

三、能量子

1900年，普朗克提出能量量子化假说：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……nε（n为正整数，叫做量子数

），当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子

ν是电磁波的频率，h是普朗克常量，其数值为

h

h6.62610Js

34

【连续性和量子化】

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退得稍远一些，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，它的能量可以是任何值。对于弹簧振子的情况，我们说能量值是连续的。而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或说微观粒子的能量是分立的

人就是量子化的，我们不能说某个家庭有2.2个小孩，因为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且定在那里

借助于能量子的假说，普朗克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

普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地

相信h的引入确实反映了新理论的本质

普朗克的能量子假说，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征，架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁

【光的能量子——光子】

光实际上就是电磁波，光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的

频率ν为的光的能量子为hν，这些能量子称为光子，即ε=hν

光子不是电子，无处不在，看不见，且没质量

1nm10m

9