1　能量量子化优秀教学设计

《物理学的新纪元：能量量子化》教学设计

江苏省南菁高级中学

王燕

【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。

【教学用具】

多媒体辅助教学设备。

【教学过程】

一、引入新课:材料鉴赏

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。

于是1900年著名物理学家开尔文作了展望20世纪物理学的发展的文章中说到：“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！但开尔文毕尽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？一朵是“迈克尔逊－莫雷实验”，另一朵是“黑体辐射”。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，浇灌出两朵鲜花。

我们这节课就来细看其中一朵乌云落地化出一朵鲜花。。

二、进行新课

（一）热辐射

视频播放实验：加热铁

（注意铁钉在温度变化时其颜色的变化。在给铁钉加热使其温度升高时，从看不出发光到暗红到橙色到黄白色）

学生观察并描述实验现象，教师总结并解释。

（1）热辐射现象

1.任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为热辐射。

2.主要成分：室温时辐射波长较长的电磁波；高温时，辐射波长较短的电磁波

3.热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。

4．热平衡状态：向外发射的电磁波能量=从外界吸收的能量

5．一般物体辐射能量与T，λ有关;还与材料.表面积有关

教师继续引导思考：如何研究物体的热辐射规律？

注意：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。

一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，反射的电磁波很弱。

那么：在研究物体热辐射中，应如何避免反射电磁波的影响？

（二）黑体

1.什么是黑体？

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――理想化模型。

教师：课件展示黑体模型（如右图）并进行阐释。

不透明的材料制成带小孔的空腔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔可近似看作黑体。

教师：2.为什么要研究黑体？

学生：一定温度下，黑体辐射本领最大

黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料和表面状况无关－－普遍意义的客观规律

3．冶金工业的发展及对恒星研究的需要促进了对黑体辐射问题的研究

（三）黑体辐射

1.黑体辐射规律

请学生阅读教材“黑体辐射的实验规律”，稍后，课件展示（如下图）并讲解黑体辐射的实验规律。

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。

2.经典电磁理论遇到的困难

教师：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学和电磁学的知识来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别在1896年1900年提出了辐射强度按波长分布的理论公式。

课件展示：两种理论公式描绘的电磁波辐射强度按波长分布情况变化与实验规律的区别（见下图），并引导学生了解图中的信息。

维恩公式：短波与实验接近，长波区与实验偏离很大。

瑞利-金斯公式：长波区与实验基本一致，短波区与实验严重不符，当波长趋于零时，辐射强度变为无究大，在物理学史称它为“紫外灾难”。

3．能量子：超越牛顿的发现

教师：维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不相符合，明显地暴露了经典物理学的缺陷。因此，当时的物理学家开尔文认为黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。既然已有的理论不能合理解释黑体辐射的规律，这必然会促使人们去发现新的理论。这就是能量量子化理论。

教师：1900年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：黑体中振动着的带电微粒的能量只能是最小能量值ε的整数倍（即：ε， 1ε，2ε，3ε，．．． nε，n为正整数，称为量子数），这些带电微粒发射和吸收的能量也不象经典物理学所允许的可具有任意值，也只能以这个最小能量值ε为单位一份份地进行的。学

最小能量值ε叫能量子h是一个常量，后称为普朗克常量，

是电磁波的频率

教师提问、讲解：既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份的。为何我们看不到灯的亮度发生变化？

在宏观世界中我们认为能量是连续变化的？例如，把一个小球从高处落下，它的重力势能随高度变小而连续变小。在微观世界里能量是量子化的，量子化如何理解呢？可以认为一个物理系统的能量状态不是连续地变化而是以某一最小能量单位做跳跃式变化。举个例子，比如说人就是量子化的，不能说某个家庭有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，他可以一次上一阶、或二阶、或三阶，但他绝不可能上一阶半就停在那里。

4．能量量子化:物理学的新纪元（介绍相关物理学史，做好铺垫）

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(Niels Bohr)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。

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.

三、课堂练习

1．请你填空：在做全国人口普查时我们关心的是:现在全国有几___人，班级小组长在数人数时常用：一___，两___；等．

2．灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍，那么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小? 3．在白天，对面楼房的窗户看上去是黑色的，而外墙面是亮的．为什么? 4．在一杯开水中放入一枝温度计，开水静置室内，可以看到开水的温度是逐渐降低的，既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的，为什么它的温度不是一段一段地降低？

四、课堂小结

请一个同学口头回忆本节学了哪些知识，并找其它同学做补充。教师应鼓励学生主动总结所学内容，允许他们可以不按讲课的内容顺序总结，让他们自主建构物理知识、同时内化为自身的知识。

【教学反思】

本节的知识对学生来说学前相关经验较少，理解起来有一定困难。因此要以接受学习为主，教师在讲解时可以充分利用直观的图像来做说明并做好知识铺垫，同时要注意语言的生动、形象。在能量子概念教学时，要让学生体会物理发展进程中物理学家面临物理新问题的积极态度，更多的引发他们对物理学家敢于突破先前思想、先前理论束缚的创新精神的钦佩之情。