3. 初识量子论（选学）公开课教案

第3节

初识量子论 【教材分析】

本节为《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理2”中第六章第2节的内容。本节“量子世界”从热辐射的规律入手，提示经典物理学理论与实验结果的严重背离，阐述普朗克的“量子假说”，初步认识玻尔理论的重要意义，同时让学生认识光的粒子性和波动性。通过实例，初步了解微观世界的量子化现象。

【学情分析】

本节学习内容是学生已通过一年的物理学习的最后一节内容，可能会出现学习不够重视、不够认真的局面。关键是本节内容也比较抽象，相关知识网又没有建立，所以本节内容的讲述和学习可能会流于形式。为了让学生引起兴趣，所以必须补充一些科学发展史。

【教学目标】

一、知识与技能目标

1、初步了解普朗克“量子假说”的背景，体会经典力学的局限性。知道普朗克“量子假说”的主要内容。

2、初步了解爱因斯坦“光量子说”的含义，了解光的微粒说与波动说之争，知道光具有波粒二象性。

3、初步了解康普顿效应在经典力学中的困难

4、初步了解量子力学中的不确定性。

二、过程与方法

1.学习体会假说的提出与论证这一近代物理学中的研究方式. 2.初步了解微观世界中的量子化现象，知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子理论的建立深化了人类对物质世界的认识. 三、情感态度与价值观

通过本节课的学习，领会实验是检验真理的唯一标准；体会我们唯有敢于向真理挑战、向传统的观念挑战，才有可能有所创新、有所发现，直至发现新的真理. 教学重点1.理解普朗克的量子假说，知道能量具有不连续性，与传统的连续性认识是不同的；

2.了解事物的连续性与分立性是相对的；

3.知道物质既具有波动性，又具有粒子性. 教学难点了解事物的连续性与分立性是相对的. 【教学方法】

通过自主学习和交流讨论的方式、上网查阅有关资料、教师讲授法结合。

教学过程

一、导入新课

从量子卫星---墨子号说起，观看墨子号视频。

物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。

1、牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。

2、对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。

3、至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。

二、推进新课

1、两朵乌云

19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。只是“物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。” 两朵乌云：迈克尔孙—莫雷实验 热辐射实验

2、普朗克定律

从经典物理学出发推导出的维恩定律在低频区域与实验数据不相符，而在高频区域，从经典物理学的能量均分定理推导出瑞利-金斯定律又与实验数据不相符，在辐射频率趋向无穷大时，能量也会变得无穷大，这结果被称作“紫外灾变”。德国物理学家普朗克用了六年的时间，在用经典理论无论如何都解释不了实验结果的情况下，他不得已提出了新的假说.这就是非常著名的量子假说，成功地解决了“紫外灾难”. 教师小结：普朗克的量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量是一份一份的，就像物质是由一个个原子组成的一样.将这样的一份份能量称为量子.而且他还给出了量子的能量与波长成反比，与频率成正比.即hvh征. 教师活动：量子化与连续性的相对性我们可以这样去理解，在宏观世界里能量体现的是连续的，在微观世界里量子化或不连续性是显著的.量子化假说的提出，使人类对世界的认识由宏观转向了微观世界，极大地开拓了我们的眼界. 既然我们已经掌握了探究微观世界的有力武器——量子，下面我们就来更深入地研究微观世界的物质体现的特性，看看和我们再熟悉不过的宏观世界有哪些不同的地方？

3、物质的波粒二象性

提问：光是什么？

（1）、牛顿是光的微粒说的创始人，认为光是高速运动的粒子流。

可以解释光的反射、光的颜色等。18世纪被大多数人说认可。

但却不能解释光的干涉、衍射等。

（2）、荷兰物理学家惠更斯认为，光像水波一样，是一种波，称为光波。

19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦又提出光是一种电磁波。即光的波动说。可以解释光的干涉、衍射等但不能解释影子的形成、传播不需要介质等问题. 说明：由于牛顿无与伦比的学术地位，他的粒子理论在一个多世纪内无人敢于挑战，而惠更斯的理论则渐渐为人淡忘。直到十九世纪初衍射现象被发现，光的波动理论才重新得到承认。而光的波动性与粒子性的争论从未平息。

c，公式中h是普朗克常量，是微观现象量子特性的表

（3）、十九世纪早期，托马斯·杨和奥古斯丁·菲涅耳分别做出重大贡献。托马斯·杨完成的双缝实验显示出，衍射光波遵守叠加原理，这是牛顿的光微粒说无法预测的一种波动行为。

到了十九世纪中期，光波动说开始主导科学思潮，因为它能够说明偏振现象的机制，这是光微粒说所不能够的。

（4）、光电效应

光电效应指的是，照射光束于金属表面会使其发射出电子的效应，发射出的电子称为光电子。为了产生光电效应，光频率必须超过金属物质的特征频率，称为其“极限频率”。举例而言，照射辐照度很微弱的蓝光束于钾金属表面，只要频率大于其极限频率，就能使其发射出光电子，但是无论辐照度多么强烈的红光束，一旦频率小于钾金属的极限频率，就无法促使发射出光电子。根据光波动说，光波的辐照度或波幅对应于所携带的能量，因而辐照度很强烈的光束一定能提供更多能量将电子逐出。然而事实与经典理论预期恰巧相反。

1905年，爱因斯坦对于光电效应给出解释。他将光束描述为一群离散的量子，现称为光子，而不是连续性波动。从普朗克黑体辐射定律，爱因斯坦推论，组成光束的每一个光子所拥有的能量

等于频率

乘以一个常数，即普朗克常数，他提出了“爱因斯坦光电效应方程”，其中，

Wo是逃逸电子的最大动能，

是逸出功。

1916年，美国物理学者罗伯特·密立根做实验证实了爱因斯坦关于光电效应的理论。

（5）、汤姆孙原子模型

到了1890年，人们发现在高电压的作作用下，阴极射线管的阴极会发出一种看不见的射线，这种射线向阳极移动，但如果在玻璃质的射线管表面徐一层硫化锌，则阴极射线会以绿色荧光的形式展现在人们面前，进一步通过该射线与磁场相互作用的实验发现，这种射线是由带负电荷的粒子流组成的，如图所示，人们把这种带负电

荷的粒子叫做电子在此基础上，汤姆孙（Tomson，英国）于1904年提出了新的原子模型，即原子是球形胶冻状的颗粒，其中均匀分布着一定数量的正电荷，并且在这个球形胶冻状的颗粒上镶嵌着一定数量的电子，但是原子作为一个整体是电中性的，其中包含的正电荷数目和负电荷数目相等。

（6）、卢瑟福的含核原模型

20世纪初，物理学家卢瑟福（Rutherford，英国）等人做了多次α粒子（即氦原子核He）散射实验，如图7所示。

结果是α粒子受到铂薄膜散射时，绝大多数的散射角在2“~3”之间，但是约有1/8000的α粒子的散射角大于90°，其中还有接近180°的，该实验结果用汤姆孙原子模型是无法解释的，因此，卢瑟福于1911年提出了含核原子模型，他认为在原子中心，有一个带正电的、体积很小的，几乎集中了全部原子质量的原子核。在原子核外有与原子核所带正电荷数目相同的电子，这些电子在原于核外绕核高速旋转。原子核的直径大约在10^-15~10^-14m之间，而原子直径通常约为10^-10m。

（7）、玻尔原子模型

卢福的含核原子模型虽然简单易懂，但是用该模型无法解释随后不久发现的线状氢光谱，我们们知道，当日光通过一个棱镜时，会得到如同彩虹一样的色带。随着透射光的颜色依红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的

根据经典的电磁理论，电子绕原子核高度旋转时必然会发射电磁波，与此同时电子的能量会逐渐减小，最终电子会落到原子核上，这时原子就毁灭了，用经典电磁理论分析得到的这种结论显然与事实不符，其根本原因在于卢瑟福的含核原子模型仍有不足之处，为了说明氢原子光谱的实验结果，玻尔（Bohr，丹麦）于1913年结合已有的实验结果，并引用普朗克

的量子理论即徽观粒子不能以连续的电磁波形式吸收或发射能量，而只能不连续地，一份一份地吸收或发射能量，提出了玻尔原子模型，玻尔原子模型要点如下：

（1）核外电子只能在一些特定的具有一定能量的圆形轨道上运动，这种运动不吸收也不放出能量，即在电子运动过程中原子的能量不变。把这种运动状态叫做定态

（2）当电子在离核最近的轨道上运动时电子的能量最低，把这种定态称为基态（groundstate），通常各原子都处于基态，当外界供给能量时，处于基态的电子就有可能吸收能量而被激发跳跃到离核较远的、能量较高的轨道上运动，把这种能量较高的定态叫做液发态。

（3）当电子在不同定态之间跃迁时，会随能量的吸收或放出。如果是以电磁波的形式吸收或放出能量，则电磁波的频率v与两个定态间的能量差△E的关系如下：

虽然用玻尔原子模型可以说明简单的氢原子光谱，但这只是其成功的一面。实际上，用分辨率很高的仪器时，上述图所示的每一条氢原子谱线都是由波长很接近的几条谱线组成的，用玻尔原子模型无法说明这种氢原子光谱的精细结构，也不能说明多电子原子光谱，这说明玻尔原子模型也有它的不足之处。尽管如比，玻尔理论第一次把光谱实验事实纳人了一个理论体系中，在含核原子模型的基上提出一种动态的原子结构轮席。该理论指出了经典物理学不能完全适用于微观粒子，提出了微观粒子运动特有的量子规律，开辟了当时原子物理学向前发展的新途径. （8）、康普顿效应

1922～1923年康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。康普顿将0.71埃的X光投射到石墨上，然后在不同的角度测量被石墨分子散射的X光强度。

①、经典解释（电磁波的解释）

单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波。经典理论解释频率不变的一般散射可以，但对康普顿效应不能作出合理解释! ②、光子理论解释

X射线为一些e=hν的光子，与自由电子发生完全弹性碰撞，电子获得一部分能量，散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。这过程设动量守恒与能量守恒仍成立，

（6）、德布罗意与物质波

在光具有波粒二象性的启发下，法国物理学家德布罗意（1892～1987）在1924年提出一个假说，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都具有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上，指出：具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性，这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比，即λ= h/（mv）。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。

三年后，通过两个独立的电子衍射实验，德布罗意的方程被证实可以用来描述电子的量子行为。在阿伯丁大学，乔治·汤姆孙将电子束照射穿过薄金属片，并且观察到预测的干涉样式。在贝尔实验室，克林顿·戴维森和雷斯特·革末做实验将低速电子入射于镍晶体，取得电子的衍射图样，这结果符合理论预测。

4、薛定谔方程

薛定谔方程（Schrodinger equation）在量子力学中，体系的状态不能用力学量（例如x）的值来确定，而是要用力学量的函数Ψ（x,t），即波函数（又称概率幅，态函数）来确定，因此波函数成为量子力学研究的主要对象。力学量取值的概率分布如何，这个分布随时间如

何变化，这些问题都可以通过求解波函数的薛定谔方程得到解答。这个方程是奥地利物理学家薛定谔于1926年提出的，它是量子力学最基本的方程之一，在量子力学中的地位与牛顿方程在经典力学中的地位相当，超弦理论试图统一两种理论。

5、海森堡不确定性原理

1927年，维尔纳·海森堡提出海森堡不确定性原理。

海森堡原本解释他的不确定性原理为测量动作的后果：准确地测量粒子的位置会搅扰其动量，反之亦然。他并且给出一个思想实验为范例，即著名的海森堡显微镜实验，来说明电子位置和动量的不确定性。这思想实验关键地倚靠德布罗意假说为其论述。但是现今，物理学者认为，测量造成的搅扰只是其中一部分解释，不确定性存在于粒子本身，是粒子内秉的性质，在测量动作之前就已存在。

课堂小结

通过本节课的学习，我们初步了解了微观世界中的量子化现象，知道了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类对物质世界的认识；理解了普朗克的量子假说，知道能量具有不连续性，与传统的连续性认识是不同的；了解事物的连续性与分立性是相对的；知道物质既具有波动性，又具有粒子性；了解物质的波粒二象性在实践中的应用. 三、布置作业

课本作业

四、板书设计

一、紫外灾难

人类对黑体辐射的研究遇到了困难

二、不连续的能量

普朗克提出了量子假说，即hvhc，认为辐射中的能量是一份一份的，而不是连续的.在微观世界里，量子化或不连续性是很显著的. 三、物质的波粒二象性

不仅光具有波粒二象性，物质也同样具有波粒二象性；