1　能量量子化教案和学案内容

教学课题： 第一节 能量量子化

课 时：一课时 教 师：黄凯涛 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

教学过程：

材料鉴赏： 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”。

--开尔文-- 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。

后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 普朗克量子力学的诞生、相对论问世

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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”。

一、热辐射现象 1、热辐射：固体或液体，在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。

固体在温度升高时颜色的变化

例如，铁块随着温度升高： 现象：

直觉: 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

注意： 热辐射与温度有关

激光 日光灯发光不是热辐射

2、特点： ①辐射强度及波长的分布随温度变化；

②

随着温度升高,电磁波的短波成分增加。

3、热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。 二、黑体与黑体辐射

思考与讨论: 一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？

为什么？

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几点说明：

①黑体是个理想化的模型。

例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。 ②对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。

③一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但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。

三、黑体辐射的实验规律

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础 1、测量黑体辐射的实验原理图：

加热空腔使其温度升高，空腔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。

三、黑体辐射的实验规律 2、辐射强度：单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。 特点：随温度的升高①各种波长的辐射强度都在增加； ②绝对黑体的温度升高时，辐射强度的最大值向短波方向移动。

三、黑体辐射的实验规律 3、经典物理学所遇到的困难 解释实验曲线——

一朵令人不安的乌云

1)维恩的半经验公式：

短波符合;长波不符合

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2)瑞利----金斯公式：

长波符合;短波荒唐 ----紫外灾难 四、能量子：超越牛顿的发现

1、普朗克能量子假说

2、辐射物体中包含大量振动着的带电微 粒，它们的能量是某一最小能量的整数 倍 E=ne n=1,2,…（e叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数——能量量子化） 3、谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量

4、对于频率为n 的谐振子，最小能量为：

e

=h n 普朗克常量h=6.626´10-34J·s 意义：（阅读书本p29）

Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。

黑体辐射公式： 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公式：

五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射

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

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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？

物理难题：

1888年，霍瓦(Hallwachs)发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近10年以后，1897年，J.Thomson发现了电子

，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？ 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。 1918年他荣获诺贝尔物理学奖。

死后他的墓碑上只刻着他的姓名和 h=6.626×10-34Js普朗克理论:能量在发射和吸收的时候， 不是连续不断，而是分成一份一份的。 能量是h

的整数倍。 每份能量为: E=hν

问题: 压缩或拉伸弹簧振子，我们可以随意改变弹簧振子的能量，也就是说它的能量是连续的，这与普朗克理论不符合，如何理解？

结论：

1、在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化

2、在研究微观粒子时必需考虑能量量子化

能量量子化:物理学的新纪元

1900年12月14日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他42岁。普朗克把能量子引入物理学,正确地破除了”能量连续变化”的传统观念,成为现代物理学思想的基石之一, 为我们打开了量子之门,就在1900年，一个名叫爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业，正在为将来的生活发愁。5年后他受量子化启发提出了光量子,成功的解释了光电效应。

就在那一年,在丹麦，15岁的玻尔(NielsBohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名。 13年后他提出了原子轨道量子化。

德布罗意(Louis de Broglie)当时8岁，还正在家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波。

再过12个月，维尔兹堡(Wurzberg)的一位著名希腊文学教授就要喜滋滋地看着 他的宝贝儿子小海森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。

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以上人物都将在我们的课文中出现,请同学们记住他们的名字。

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