1、171 能量量子化：物理学的新纪元 新课标要求 （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
2、件。 ） 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
3、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 （二）进行新课 1黑体与黑体辐射 教师：在了解什么
4、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
5、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。 【例 1】 下列叙述正确的是 ( ) A一切物体都在辐射电磁波 B一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 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黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 黑体模型 解析 根据热辐射的定义，A 正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物 体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状态有关，而黑体 辐射只与黑体的
6、温度有关，B 错误，C 正确；由黑体的定义知 D 正确。 答案 ACD 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
7、称为“紫外灾 难” 。 课件展示：瑞利-金斯线。见课件。 【例 2 】 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? 解析 本题考查热辐射的规律，解题时要注意辐射的能量与温度的关系。 答案 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 点评 用学习的物理知识解释物理现象或者把握判断其特征，体现了学以致 用的原则。 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
8、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 （称为能量子）的整数倍， 0 1 2 3 4 5 6 (m) 1700K1500K 1300K 1100 K ),(0Te实验结果 即：， 1，2，3，. n，n 为正整数，称为量子数。 对于频率为 的谐振子最小能量为 这个最小能量值，就叫做能量子 课件展示：普朗克的能量子假
9、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 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。 他的墓碑上只刻着他的姓名和 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
10、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” 【例 3】 对应于 34xl0 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? 解析 根据公式 o =h 和 =c/ 得 =/h=5.13x10 14Hz =c/=5.85x10 -7Hz 513x10 -14Hz 的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，其波长为 585xl0 7m。 答案 513x10 l4Hz 585x10 -7m 黄色 点评 要熟练掌握 E=Pt=n，o =h 和 =c/ 等关系，这是解题的关键。 教学体会 h12)(/3kThecMsJ105.634h秒焦 341062.h 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。
