1　能量量子化优质课教案

高中物理教学设计：《选修3-5》

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17.1 能量量子化

内容简析

本节课是“光的本性”问题研究的延续，在光的波动性学习的基础上研究光的粒子性，对没有选修《3-4》的学生来说有点突然，知识和思维都衔接不上，作好课前引导非常重要。

本节课是光的粒子性学习的第一节课，除了对本节课内容进行教学外一定要作好对后续章节教学的铺垫。

本节课重点在于对实验现象的分析，不可能对中学生从理论上对实验进行严格的分析和讨论，只能通过介绍维恩、瑞利和普朗克三位科学家对实验的分析，让学生理解物理学是一门实验科学，体会任何规律的得出都是建立在实验基础上的，要尊重实验事实。

通过本节课对实验的观察和分析，感受科学研究的乐趣，体会科学研究的严谨性，培养学生科学探究的兴趣和意志力。

目标定位

一、知识目标

1、了解黑体辐射的实验规律；

2、了解能量子的概念及提出的科学过程。

3、了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。

二、能力目标

1、通过观察热辐射的强度与波长的关系图象培养学生观察和分析能力。

2、通过黑体辐射实验分析，学会实验探究的研究方法，感悟以实验为基础的科学研究思想。

3、通过能量子概念提出的过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想。

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

三、情感目标

通过对黑体辐射实验分析，理解实验在科学研究中的重要作用，感受科学研究的乐趣，体会科学研究的严谨性，培养学生科学探究的兴趣和意志力。

方法阐释

实验探究法；理论研究法；比较法；

“黑体辐射实验”很好地体现了实验探究的重要性，是科学探究思维的完善体现，对培养学生实验能力、观察能力、分析能力，养成良好的科学素养有重要意义。因此整个教学采用科学探究法来进行设计和教学。

对“黑体辐射实验”的分析需要很高深的理论知识，中学生不可能具备这样的的能力，但是

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通过对维恩、瑞利和普朗克三位科学家对实验分析的介绍，让学生体会理论研究的重要作用，激发学习兴趣、树立科学研究的伟大志向。

宏观物体和微观粒子的能量变化特点不同，通过对比，体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

教学流程

环节一：重温历史、引入思考

19世纪末页，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。”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再加几位罢了！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．

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．”

【问题1】黑体辐射实验究竟是一个怎样的实验？它是怎样引起物理学中的巨大变革的呢？

黑体辐射实验是研究能量传递规律的实验，黑体辐射实验否定了人们对能量传递连续性的认识，建立了能量量子化理论，使人们的认识发生了质的飞跃：微观世界具有不同于宏观世界的规律，在宏观世界看视对立的、矛盾的在微观世界却是和谐、统一的，人们研究微观世界规律时不再受宏观世界规律的束缚。以黑体辐射、光电效应等实验为基础建立的量子理论将人类社会推进到了一个微型化、信息化、智能化的时代。

【设计意图】通过对物理发展史的回顾，让学生重温经典理论的伟大成就，感受科学研究对推动人类社会进步的伟大贡献，激发科学研究的积极性，同时，让学生理解科学探究没有终点，任何理论随着社会的进步、科学的发展都将面临新的难题，这既是挑战、也是机遇。通过对物理发展史的回顾，让学生理解“黑体辐射实验”在物理学发展中的地位和作用，为后续学习作好铺垫。

环节二：观察实验、提出问题

【问题2】什么是热辐射?热辐射有什么特点? 〖实验1〗：观察小灯泡发光时，灯丝的变化。

〖实验2〗：观察电烙铁，判断电烙铁是否已经加热。

思考1．什么是热辐射?

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一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射．热辐射是由于物体中的分子、原子受到激发而产生．热辐射过程就是热能转化为电磁能的过程．

思考2．热辐射有什么特点? 在室温下，大多数物体辐射不可见的红外线，但当物体被加热到500℃左右时，开始发出暗红色的可见光．随着温度的不断上升，辉光逐渐亮起来，而且波长较短的辐射越来越多．大约在1500℃时就变成明亮的白炽光．这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量，在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高光谱中能量最大的辐射相对应的频率也最高．

在实验中还发现：到一定温度下，不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同．例如，将钢加热到约800℃时，就可以观察到明亮的红光，但在同一温度下，熔化的水晶却不辐射可见光，必须注意，热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射．

例如：太阳、白炽灯中光的发射就属于热辐射．

任何物体任何温度均存在热辐射。

热辐射电磁波的特征与温度有关．温度不同辐射的波长分布不同．温度升高，辐射能量增强，电磁波中短波成分增大．颜色从红向紫移动．低温物体发出的是红外光，

炽热物体发出的是可见光，

高温物体发出的是紫外光．

思考3．我们周围的物体都在进行热辐射．为什么我们只能观察到部分物体的热辐射? 室温下辐射的电磁波的波长较长，不能引起人的视觉，随着温度的升高，热辐射中较短波长的成分越来越强．因此辐射强度按波长的分布情况随物体的温度有所不同．

【要点提炼】热辐射

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，所以叫热辐射．

2、特点：

任何物体任何温度均存在热辐射．

物体辐射出的电磁波与物体的温度有关．

温度不同辐射的波长分布不同．

温度升高，辐射能量增强，电磁波中短波成分增大．

颜色从红向紫移动．

【设计意图】让学生了解热辐射，知道温度高低与辐射能量大小、波长分布的关系，为后面分析实验作铺垫。

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环节三：制定计划，设计实验

【问题3】什么是黑体？黑体辐射有什么特点？

能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体，简称黑体．不透明的材料制成带小孔的的空腔，可近似看作黑体．

思考1．炼钢炉上的小洞能否看成黑体模型？

思考2．远观打开的窗子能否看成黑体模型? 思考3．研究热辐射的规律时，为什么人们特别注意黑体辐射?

一般材料的物体，辐射电磁波的情况与温度和材料的种类及表面状况有关，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，因而反映了某种具有普遍意义的客观规律．于是，在研究热辐射规律时，人们特别注意对黑体辐射的研究．

【要点提炼】黑体

1、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．

2、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．

【设计意图】通过本环节实验的设计，让学生明白研究问题要抓主要因素，排除不必要的因素干扰，理解实验探究的研究方法。

环节四：进行实验，分析论证

【问题4】黑体辐射有什么规律？如何解释？

黑体辐射实验

思考1．黑体辐射实验发现黑体辐射具有什么规律？

答案：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．

思考2．维恩和瑞利基于能量连续性对黑体辐射解释是否取得了成功？

1896年德国物理学家维恩(W.Wien)从热力学理论出发，得到一个公式，但它只是在短波部分与实验相符，而长波部分与实验存在明显的差异．

1900年，英国物理学家瑞利(L.Ray Leigh)从经典电磁

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理论出发推导出一个公式，其预测结果在长波部分与实验吻合，在短波部分偏差较大，尤其在紫外线一端，当波长趋于0时，辐射本领将趋于无穷大，这种情况被人们称为“紫外灾难”．

思考3．普朗克对黑体辐射现象的解释的基本观点是什么？

1900年底，普朗克大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，所辐射或吸收的能量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．

对于频率为ν的电磁波，能量子ε＝hν，其中ν是电磁－波的频率，h是普朗克常量，h＝6.626×1034J·s. 借助能量子假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布有公式，与实验符合的非常好. 【要点提炼】能量子

1、定义：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，所辐射或吸收的能量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．

2、大小：不可再分的最小能量值ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h是普朗克常量，h＝6.626－×1034J·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，这种现象叫做能量的量子化．

【设计意图】通过对“黑体辐射实验”的分析，让学生体会理论研究和科学实验的重要作用，对培养学生观察能力、分析能力，养成良好的科学素养有重要意义。

环节五：思维延伸，

激发兴趣

【问题5】普朗克能量子观点有什么意义? 普朗克后来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1900年把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念，开创了物理学研究的新纪元．

1918年，普朗克荣获诺贝尔物理学奖．

－他的墓碑上只刻着他的姓名和h＝6.626×1034 J·s. 思考1．举例生活中量子化现象？

人就是量子化的，不能说一个家庭由2.2个人组成；楼梯也是量子化的；…

思考2．网上阅读量子理论成果给我们生活带来了哪些影响? 晶体管、集成电路、半导体、关于材料科学的一切都是在量子场论上建立起来的。电脑CPU、IPHONE、光纤传导，这些玩意的存在都是受益于量子论，是这些技术的理论基石。

【设计意图】通过生活中的量子化现象，削除量子化的神秘感。通过能量量子化理论的伟大成就激发学生对后续知识学习的兴趣和动力，为后续知识的学习作好铺垫。

教有所思

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本节课肩负承上启下的重要作用，要让学生明白“为什么要学这一节课”、“学习这节课有什么用”，因此课前引入和课后延伸很重要，让学生明白物理学习的目的和意义，了解物理研究和生活实际的紧密联系。“怎样才能学好这节课”，重点在于对于黑体辐射能量在不同温度下与波长关系的研究，就是让学生认识并理解“能量相对大小与波长关系图”，教学过程要突出对“能量相对大小与波长关系图”的理解；难点是如何让学生理解能量量子化假说，可以通过生活中量子化实例来帮助学生对量子化的理解。

本节课的教学设计体现实验在物理学研究中的重要作用，突出科学和研究方法，体现教师在整个教学过程中的引导作用，发挥学生的主体地位；备课时既要根据教学内容的目的要求来制定教学目标，又要深人了解学生的认识水平，精心设计教学流程；教学中不应只关注掌握知识结论，更要关注学生对知识形成过程的理解。从能量传递的连续性到能量量子化的认识，让学生理解物理学的每一项重大发现都改变着人类的自然观、科学观和思维方式。通过对“黑体辐射实验”的分析，让学生学会科学的研究方法，引导学生像科学家那样去思考。

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