1　能量量子化名师教学实录

17.1 物理学的新纪元:能量量子化

教学设计

【教学目标】

一、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。

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。

【教学重点】

黑体辐射的实验规律；能量子的概念。

【教学难点】

理解能量量子化假说。

【教学方法】

教师启发、引导，学生自学、讨论、交流。

【教学用具】

PPT。

【课时安排】

1课时。

【教学过程】

一、引入新课

教师：19世纪后半叶，欧洲的冶金工业迅速发展，技术人员渴望知道钢水的温度。

如果知道了辐射强度、波长分布与辐射体的温度的关系，就可以通过钢水的光谱推知钢水的温度。这种需求推动了热辐射的研究。

点出课题：本节课我们就从热辐射开始研究。

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。

二、进行新课

1．黑体与黑体辐射

一切物体都在辐射、吸收、反射电磁波。

比如，铁块不断加热，铁块依次呈现红褐色、橙红等颜色，直至成为黄白色。

实验表明：

一般材料的物体，辐射电磁波的情况与温度、材料的种类、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。

什么是黑体呢？

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。

比如：不透明的材料制成带小孔的空腔，此小孔可近似看作黑体。

课件展示黑体模型。

不透明的材料制成带小孔的空腔，此小孔可近似看作黑体。如图所示。

2．黑体辐射的实验规律

教师：研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。

黑体辐射的实验规律：

1)

随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加。

2)

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。

依据热学和电磁学的知识，物体中存在着不停运动的带电微粒，每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。

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：瑞利线、维恩线。

3．普朗克对黑体辐射的解释

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。

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：

u,T8hc51ehckT1

仅仅猜出黑体辐射公式的形式，不理解其深层次的物理内涵，这个公式的意义也很有限。接下来的2个月时间里，普朗克深刻思考黑体辐射公式的内涵。

1900年底，普朗克提出了大胆的假设：

振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值e的整数倍。当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或者吸收的。

这个不可再分的最小能量值e叫做能量子。

eh

其中，

是电磁波的频率，h是一个常量，后被称为普朗克常量，

h6.62610

普朗克借助能量子的假说，得到了普朗克公式。

普朗克的公式与实验吻合得让人拍案叫绝！

4.量子理论的颠覆性

34Js

在经典物理中，宏观物体的能量是连续的。如一个宏观的弹簧振子的能量。

能量可以是连续的值。

在量子物理中，微观粒子的能量是分立的，即量子化的。

只能是能量子的整数倍。

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。

5.

普朗克提出能量子的伟大意义

普朗克在1900年把能量子引入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观点，成为了新物理学思想的基石之一。开创了物理学的一个新纪元。

1918年，普朗克得到了诺贝尔物理学奖。

普朗克的墓碑上，只刻了他的名字和普朗克常数，这也是对他毕生最大贡献：提出量子假说的肯定。

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？要知后事如何？请听下回分解。

二、想一想

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？

答疑：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。

在研究微观粒子时必需考虑能量量子化。而且，我们的眼镜无法精确感受到一份能量子大小的光能。

【布置作业】

“问题与练习”1、2、3题。

【教学体会】

本节课中涉及到较多物理概念，学生自学有较大难度。主要采用教师引导讲解的课堂模式，结合物理学史，充分调动学生的积极。