1　能量量子化优质公开课教案

第十七章

波粒二象性

第一节

能量量子化：物理学的新纪元

★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

能量子的概念

★教学难点

黑体辐射的实验规律

★教学方法

教师启发、引导，学生讨论、交流。

★教学用具：

投影片，多媒体辅助教学设备

★课时安排

1 课时

★教学过程

（一）引入新课

教师：介绍能量量子化发现的背景：（多媒体投影，见课件。）

19世纪末到二十世纪初对于物理学的发展来说是很重要的一段时期。在十九世纪末，牛顿力学、热力学、统计物理学、电磁场理论已经形成了完整的物理学体系，当时自然界中几乎所有的物理现象都能用这些经典物理学理论进行解释，因此当时的很多物理学家都认为物理学的发展已经到了尽头。

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？

一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔孙·莫雷实验有关。

迈克尔孙·莫雷实验我们在学习相对论的时候就已经提到过，这个实验证明了光速不变原理，同时也说明经典物理学理论在宏观高速领域已经不再适用。为了解决这个问题爱因斯坦提出了相对论。

那么黑体辐射实验究竟是怎么回事，实验结果又与经典物理学理论产生了怎样的矛盾，当时的物理学家又是如何解决这些矛盾的，这就是我们今天要一起来探讨的内容。

（二）新课教学

1．热辐射

教师：提出问题，在火炉旁边有什么感觉，为什么会有这种感觉？

学生：思考并回答。

教师：总结提出热辐射的概念。

①定义：我们周围一切的物体都在向外辐射电磁波，这种辐射与温度有关，我们把它叫做热辐射。

②原理：由于物体中的分子原子受到激发而发射电磁波。

③本质：内能转化为电磁能

教师：播放炉火烧铁钉的视频，请同学们观看视频并注意观察铁钉的颜色变化。

学生：看完视频后简单描述在熄灭炉火后铁钉的颜色变化。

教师总结:通过这个视频我们可以发现，当炉火熄灭后随着铁钉温度的降低，铁钉的颜色也经历了一系列变化，从刚熄灭的比较明亮的黄白色变成了红色，然后变成了暗红色最后变成了黑色。这说明铁块在不同的温度下所呈现的颜色是不同的。同理，铁块在温度升高时颜色也会发生变化，这个变化跟刚才温度降低时的变化应该是相反。

实验证明随着温度的升高，铁钉会依次呈现暗红色、赤红色、橘红色，到最后的黄白色。不同的颜色对应不同的温度，这说明在不同的温度下铁钉向外辐射的电磁波的主要成分是不同的。例如：在800K时铁钉向外辐射电磁波的主要成分是红光，而到了1400K时，它向外辐射的电磁波的主要成分就变成了黄光。由此我们可以看出随着温度的升高，铁钉向外辐射的电磁波的主要成分的波长变短了。由刚才的分析我们可以得出热辐射具有这样的特点：

④热辐射的特点：

辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同

2.黑体与黑体辐射

教师：PPT展示图片，让学生认真观察这幅图片，注意打开的窗子与关闭的窗子有什么不同？为什么？

学生：观察并回答。

教师总结：我们周围的物体不仅能辐射电磁波还会吸收和反射电磁波，常温下我们看到物体的颜色就是物体的反射光所致。有的物体吸收电磁波的能力比较强而反射电磁波的能力比较弱，看起来就比较黑。例如，我们刚才看到的那些打开的窗子。而有一种物体它能吸收所有射到表面的电磁波而不反射，这样的物体我们就把它叫做绝对黑体，简称黑体。

（1）定义：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体就

是绝对黑体，简称黑体

例如：用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔，这个小孔就成了一个绝对黑体。如下图所示：

（2）黑体辐射的特点：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。

一般物体的热辐射除了与温度有关外还与材料种类和表面情况有关，而黑体辐射只与温度有关系，所以研究黑体辐射就具有更为普遍的意义。

3.

黑体辐射的实验规律

教师：向学生展示研究黑体辐射的实验原理图，并简单介绍该实验原理及过程。

通过实验我们得到了以下的实验结果：

（1）如图所示，就是在不同温度下黑体辐射强度随波长的变化曲线，由图形我们可以得出黑体辐射具有这样的规律：

①温度升高，各波长的辐射强度都增加；

②温度升高，辐射强度的极大值向短波方向移动。

活学活用：炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理? 学生：思考并用刚才所学的知识回答。

教师总结：根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，温度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度。

（2）黑体辐射实验规律的理论解释

为了从理论上解释黑体辐射的实验规律，当时的物理学家做了很多尝试，其中最为著名的要数维恩公式和瑞利公式，但是这两个公式都没有很好的解释了实验结果。

1896年，德国的物理学家维恩从热力学理论出发，得到了一个公式。但它只是在短波部分与实验结果吻合，而在长波部分与实验结果存在明显的差异。

1900年，英国物理学家瑞利从经典电磁学理论出发推导出一个公式，其预测结果在长波部分与实验结果吻合，在短波部分偏差较大啊，尤其在紫外线一端，其波长趋于零时，辐射强度趋于无穷大，这种情况被人们称为“紫外灾难”。

4.

能量子

超越牛顿的发现

1900年底，德国物理学家普朗克做出了这样大胆的假设：

振动着的带电微粒的能量只能是某以最小能量值ε的整数倍。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。且满足



h是一个常量，后人称之为普朗克常量，6.62610-34JS

借助能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射强度按波长分布的公式，与实验吻合的非常好。

练习：以下概念中，哪些是量子化的？

A.物体的长度

B.物体所受的重力

C.物体所带的电荷量

D.人的个数

学生：思考并回答

教师：明确分离与连续的概念，并让学生举例生活中还有哪些量子化的概念。



思考与讨论：

既然一杯开水向外辐射的能量是分立的、一份份的。为何我们看到温度计的示数不是一段一段的降低呢？

先由学生思考并回答，教师根据学生回答的情况进行总结。

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

（三）巩固练习

【例1】下列叙述正确的是（

）

A.任何物体在任何温度下都在辐射电磁波

B.黑体只吸收电磁波不反射电磁波，看上去是黑的

C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关

D.如果在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经过多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体

答案：AC 【例2】下列关于辐射强度与波长的关系叙述正确的是（

）

A.物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波

B.当铁块呈现黑色时，说明它温度不太高

C.当铁块温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强

D.随温度升高，辐射强度的最大值向波长较长的方向移动

答案：BC 【例3】对应于3.4×l0-l9J的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？它是什么颜色？

解：根据公式ε=hν和ν=c/λ得

ν=ε/h=5.13×1014Hz

λ=c/ν=5.85×10-7Hz 5.13×10-14Hz的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，其波长为5.85×l0-7m。

（四）课堂小结

热辐射

黑体辐射

黑体辐射实验规律

2.温度升高，辐射强度的极值向短波方向移动

1.温度升高，各波长的辐射强度都增加

普朗克：能量子理论

ε=hν