1　能量量子化国家优质课一等奖

能量量子化:物理学的新纪元

河北宁晋中学

鲁丽敬

【教学目标】

（一）知识与能力

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。

【教学重难点】

1.教学的重点及其教学的策略

重点：能量子的概念

教学策略：这部分是本节课的精华所在,应尽量让学生感受在科学转折的关头科学家们是怎样思考的。用通俗易懂的例子让学生理解能量子的概念,比如知道了一个箱子的体积,里面装满了苹果,如果我们用苹果的密度乘以箱子的体积(用连续性的观点处理),其重量会大于实际重量,我们只有把苹果想成量子化的,才能与实际吻合。又比如,人就是量子化的,不能说家庭有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,他一次可以上一阶、二阶、或三阶,但他绝不可能上一阶半且定在那里.还可以让学生自己举例,让学生对量子化这一概念有所感悟。

2.教学的难点及其教学的策略

难点：黑体辐射的实验规律

教学策略：重点培养学生观察图像并总结规律的能力,这个实验图对学生来说难度大,教师应该做好学生观察这一图像的引导,具体做法是引导学生观察,提醒学生看懂横坐标和纵坐标所表示的物理量,从1100K图线看起,图线的起伏说明了什么问题?说明在相同加热温度下,黑体辐射的强度是变化的,但不与波长成正比,中间有一个峰值。

由图线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。

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升高向波长较短的方向移动。

通过向学生解释和提问,让学生能够观察图像和总结规律。

【教学器材】

投影片，多媒体辅助教学设备

【教学过程】

◆新课导入

教师：介绍能量量子化发现的背景：（多媒体投影，见课件。）[来源:Z.xx.k.Com] 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？[来源:学科网ZXXK] 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”。

点出课题：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

1．黑体与黑体辐射

教师：能量量子化的提出其实是基于黑体辐射规律的研究，在了解什么是黑体与黑体辐射之前，请同学们先阅读教材，了解一下什么是热辐射。

学生：阅读教材关于热辐射的描述。

教师：通过课件展示，加深学生对热辐射的理解。并通过课件展示，使学生进一步了解热辐射的特点，为黑体概念的提出准备知识。

（1）热辐射现象

固体或液体，在任何温度下都在发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。

例如：铁块

温度↑

从看不出发光到暗红到橙色到黄白色

从能量转化的角度来认识，是热能转化为电磁能的过程。

（2）黑体

教师：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。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。

概念：能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。

教师：课件展示黑体模型。

不透明的材料制成带小孔的的空腔，可近似看作黑体。如图所示。

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。

黑体模型

2．黑体辐射的实验规律

教师：引导学生阅读教材“黑体辐射的实验规律”，接合课件展示，讲解黑体辐射的实验规律。如图所示。

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。

教师：提出问题，设置疑问。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。结果导致理论与实验规律不符，甚至得出了非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难”。

课件展示：瑞利--金斯线。见课件。

实验结果

e0(,T)

1500K1700K

1300K

1100K λ

(μm)0

1

2

3

4

5 3．能量子：超越牛顿的发现

教师：利用已有的理论解释黑体辐射的规律，导致了荒谬的结果。必然会促使人们去发现新的理论。这就是能量子概念。

1900年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε，

1ε，2ε，3ε，... nε，n为正整数，称为量子数。

对于频率为ν的谐振子最小能量为

h这个最小能量值，就叫做能量子

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。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。

课件展示：普朗克的能量子假说和黑体辐射公式

（1）黑体辐射公式1900.10.19 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式

2πh3M(T)2h/kTce1h6.551034Js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年普朗克荣获了诺贝尔物理学奖。

-34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？

没有。

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，汤姆孙发现了电子

，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？明天，我们就继续学习“科学的转折：光的粒子性”。

◆反馈练习

1. 以下宏观概念中,哪些是“量子化”的? A.物体的长度

B.物体所受的重力

C.物体的动能

D.人的个数

2．一座建设中的房子还没有安装窗子,尽管室内已经粉刷,如果从远处观察,把窗内的亮度与楼房的亮度相比,你会发现什么?为什么? ◆课堂总结

教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。

总结: 总结课堂内容，培养学生概括总结能力。

◆家庭作业与活动

1.思考课前的“思考与讨论”；

2.完成问题与练习（2）、（3）

【教学小结】

1.本教案把教材内容深化、细化，目的是着力拓展结论的建立过程，使学生在创设的问题情境中，通过自主学习和探究的过程逐渐达成对知识点深入、全面的认识，从中体会基本的物理思想方法。

2.贯彻《课程标准》“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念，注意从学生身边或社会实际活动中选取典型事例，并紧密联系学生已有的直接经验，使枯燥的物理推导过程变成生动、具体的过程，从而有效地降低了学习的难度。

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。