1、量子世界教案 一教学目标： 1、初步了解经典物理观点被量子观点取代的原因，及一些科学家在其中所起的 重要作 用。从而了解量子论的主要思想，了解量子论涉及的一些相关的现象。 2、认识经典力学的适用范围和局限性，知道量子论对人类认识世界的影响，体 会科学研究方法和尊重实验事实的科学态度对人们认识自然的重要作用。 重点和难点： 重点：通过指导学生研习，了解经典物理在热辐射研究领域中面临的困境，从 而了解微观世界的量子化现象，了解量子论的思想。难点：弄清经典物理学与 黑体辐射等实验结果矛盾的具体表现。 二、教学案例设计： （一）引入新课 师：通过前面的学习，我们知道在 19 世纪与 20 世纪之交（
2、1900 年前后） ，许 多人认为物理学这座庄严雄伟、动人心弦的科学殿堂已经基本建成了。只是“ 物 理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。 ”这两朵“乌云”是什么 同学们能说说吗？ 生：这两朵“乌云” 是：1、迈克尔逊莫雷实验：研究光沿不同方向传播速度的 差异。2、热辐射实验：研究热辐射的能量与温度的关系。这两个实验所观测到 的现象用当时已有的物理学理论无法进行合理的解释。 师：这两朵“乌云” 给物理学的发展带来了什么影响？ 生 1：正是这两朵的乌云，后来酿成了物理学中一场巨大的变革。 生 2：在研究第一朵 “乌云”后爱因斯坦了开创了相对论。 师：好，现在我们再来看看当年物理学的
3、天空中这令人不安的第二朵“乌云”： 热辐射的能量与温度的关系有什么规律？ （二） 【板书】量子世界： 【板书】一、 “紫外灾难” 师：我们知道，燃烧的物体都会发光，后来人们发现那是因为燃烧使物体温度 升高的缘故。同学们能不能举出一些高温物体发光的例子呢？ 生：烧红的铁块、通电后的白炽灯里高温的灯丝、火山口流出的高温岩浆、 师：白炽灯里的灯丝在正常发光时有没有在燃烧呢？ 生：没有，否则灯丝就烧断了。 师：我们来做一个实验。 【实验观察一】通过调压器给白炽灯通电，逐渐增大电压，让学生观察灯丝亮 度和颜色的变化。并请学生感受灯的热辐射的变化。 （如果有条件也可以将这个 实验设计成一个观察性的学生的分
4、组实验） （学生们几个人一组进行观察、讨论和交流，教师巡视，并参与小组探讨，几 分钟后） 师：通过实验观察一，同学们想一想，金属灯丝的温度与灯两端所加的电压有 什么关系？你所感觉到的金属灯丝热辐射的强度与灯丝的温度有什么关系？金 属灯丝辐射光的颜色与灯丝的温度有什么关系 生 1：灯两端加的电压越大，通过灯的电流也越大，灯丝 发的热功率越大，灯 丝的温度就越高。 生 2：金属灯丝的温度越高我们感觉到金属灯丝的热辐射就越强。 生 3：金属灯丝的温度越高，金属灯丝辐射的光颜色就越白，温度越低，灯光 就偏红色。 师：对，我们看到的光其实是金属中的原子在高温下受到激发而发出的电磁波， 能引起人们视觉的电
5、磁波就是可见光。通过研究发现不同颜色的光，波长是不 同的。灯光变白是因为它发出的各种波长的电磁波中波长短电磁波变得更强了， 灯光较红是因为它发出的电磁波中波长短的较弱，而波长长的电磁波相对较强 的缘故。 【板书】温度高灯光白短波长光较强； 温度低灯光较红短波长光较弱，长波长光相对较强。 把电丝两端的电压调得很小，使灯丝不发光，这时金属灯丝有没有热辐射呢？ 【实验观察二】把一金属块挂在酒精灯上烧，在没有烧红之前移去酒精灯，然 后用手靠近金属块，感受它的热辐射。 （学生们几个人一组进行实验观察、讨论和交流，教师巡视，并参与小组探讨， 几分钟后） 通过实验观察二，同学们定性地说一说，如果金属温度并没
6、有升高到使金属发 光的程度，这时有没有热辐射呢？ 生：有。 师：对，这时金属温度不高，其中的原子发出的电磁波波长较长，不能引起人 眼的视觉，所以我们没有看到它发光，但我们仍然可以感觉到它的热辐射。人 们用更精确的观测仪器发现，其实任何温度的物体都有热辐射， 只是常温和低 温的物体热辐射较弱，辐射的电磁波波长较长，难被我们的身体直接感觉到。 这种常温和低温物体辐射的电磁波波长比红光还长，称为红外线，可以用一些 特殊的仪器探测到。同学们有没有见过在没有可见光的黑暗中利用红外线感光 拍摄到的照片呢？ 【演示】课前收集到和各种红外线感光照片。 【板书】物体中的分子、原子在任何温度下都会发射出各种波长的
7、电磁波，这 种现象称为热辐射。 师：一般的物体不但会发出热辐射，也会吸收和 反射从别的物体射来 的热辐射。 为了进一步研究物体的热辐射强度的定量规律，物理学家们设想了一种理想的 物体：能够发射热辐射，也能完全吸收热辐射，但是完全不反射任 何热辐射的 物体，叫做黑体。 炼钢炉炉膛上开的观察小孔就是可以看成是一个黑体。在炉膛是冷的时，这个 小孔是黑洞洞的，通过小孔射入其中的光和各种电磁辐射完全被炉膛中吸收掉 了，没有任何辐 射被反射回来。当炉膛中的温度很高时，这个小孔就会有很强 的热辐射发射出来。 通过精确的实验观测，发现黑体热辐射强度与温度和波长都有关系，可以把某 一温度下测得各种波长的辐射强度
8、的实验数据描绘成如右图所示的曲线。从曲 线可以看出，不同的温度下热辐射的强弱有什么变化呢？热辐射的波长又有什 么变化呢？ （学生 们几个人一组进行分析讨论和交流，教师巡视， 并参与小组探讨，几分钟后） 生 1：可以看出温度越高，热辐强度越大。 生 2：在同一温度下，不同波长的电磁辐射强度不同， 有某一种波长的电磁辐射最强。 生 3：温度越高，辐射最强的电磁波波长变短。 【板书】黑体温度越高，热辐强度越大； 在同一温度下，不同波长的电磁辐射强度不同，有某一种波长的电磁辐射最强； 温度越高，辐射最强的电磁波波长变短。 师：这个规律与我们前面观察到的高温的金属灯丝光辐射的规律是类似的。是 吗？ 生
9、1：是的。 生 2：为什么要定义黑体呢？直接研究灯丝等物体的辐射不行吗？ 师：这个问题提得好，这是因为一般的物体会反射别的物体的辐射，这样观测 到的就不全是这个物体本身辐射的能量了。 生：噢，原来是要观测物体本身的热辐射规律。 师：右上图中是一条奇妙的曲线，黑体的热辐射为什么会有这样的规律呢？许 多物理学家根据经典物理学的理论进行分析，试图从当时经典的物理学理论中 推导出一个描述黑体辐射规律的公式，比较著名的有两个用不同方法推导出的 公式：一个是维恩公式还有一个是瑞利-琼斯公式， 【板书】维恩公式： 瑞利-琼斯公式： 但是这用两个公式算出各种同波长的辐射强度，都与实验观测到的结果不完全 符合。
10、维恩公式算得的结果在短波区域与实验较吻合，但长波区域与实验结果 偏差较大；而瑞利-琼斯公式算得的结果则在长波区域与实验较吻合，在短波区 域却与实验结果相差较大，更糟的是瑞利-琼斯公式算得随着波长变短即辐射在 紫外波长区域时，辐射强度会变成无限大，但实验测得在波长很短的紫外区域 的辐射强度却是趋于零。当时科学界称其为“紫外灾难”，这就是第二朵“乌云”的 由来。面对这样令人不安局面，同学们想 想看，怎么办呢？ 生：维恩公式和瑞利-琼斯公式是怎么推导的呀？会不会是推导错了呢？ 师：由于我们的物理知识不够，所以暂时没有办法了解他们公式推导的过程和 方法，不过当时的确有不少的物理学家按照经典的物理学原理
11、对推导过 程做过 各种修正，但总是顾此失彼无法得到能与实验结果完全吻合的公式。后来德国 的物理学家普朗克，经过长时间的研究，在百思不得其解的困境中，迫不得已 做了一个大胆的假设，他发现只有做这个假设，得到的公式 才会与实验结 果完 全吻合。这个假设在今天看起来具有划时代的意义，叫做量子假说。认为物质 辐射或吸收能量不是经典物理理论中认识的那种可以任意大小连续不断的。而 是不连续的、一份一份的，物质辐射或吸收的能量只能是某个最小能量的整数 倍。这个最小的能量 叫做一个量子 【板书】二、量子假说：物质辐射或吸收的能量是不连续的，只能是一种最小 能量的整数倍。 E=n （n=0,1,2,3,） =h
12、=hc/ ( h 称为普朗克常数 ) 经典电磁理论中电磁波的能量是由波的振幅决定的，但在量子假说中最小能量 却是与辐射的频率成正比的。做这样的假设后，普朗克推导得出了一个描述黑 体辐射规律的公式： 【板书】普朗克公式： 用这个公式算得的各种波长下的辐射强度与实验测得的结果竟然完全吻合，获 得了极大的成功。同学们想一想，讨论一下，这件事意味着什么？ （学生们几个人一组进行分析讨论和交流，教师巡视，并参与小组探讨，几分 钟后） 生 1：觉得有点不可思议，这给人一种生搬硬套，拼凑答案的感觉。 生 2：如果真的没有别的办法，也只好这样了。 生 3：根据经典的物理理论总得不到与实验完全符合公式，就说明经
13、典的物理 学理论有局限性，不能认为一定是永远正确的。 生 4：我认为可以接受普朗克的假设，因为科学就是要尊重事实，既然普朗克 的得到的结果与实验结果能符合得那么好，就表明他所做的假设是符合客观实 际的，也就是说能量辐射其实就真的是一份一份的不连续的。 师：嗯，同学说得都很好，普朗克提出他的量子观点后，在当时的科学界也和 同学们现在一样发生了激烈的争论，真理必须能经受时间的考验，对量子观点 觉得不可思议的同学可以持保留态度。随着我们今后的学习，同学们将会看到， 量子观点不断表现出它强大的生命力，最终被科学界所广泛认可了，并且由此 开始了一场物理学的巨大变革。下一次的课我们就要来进一步了解量子观点
14、如 何成功地解决了此后物理学研究中又遇到的的一系列难题。 【板书】量子观点开创了一场物理学的巨大变革。 （三）小结： 师：通过前面的学习，同学们可不可以把能量量子化的观点与经典物理的能量 观点列表作一个比较呢？请同学们把这作为今天的小组作业回去讨论完成。 参考答案：量子观点与经典物理的能量观点列表比较 经典物理能量观 量子观 能量的大小可以是连续的任意值 能量的大小是不连续的，只能是最小能量子的整数倍。 电磁辐射的能量由电磁波的振幅决定。 电磁辐射的最小能量值与频率成正比。 三、案例评析： 这个教学案例的设计将要研习的内容逐层递进展开。教学中考虑到学生的学习 基础和生活经验，加上两个定性体验的
15、小实验，增强了学生对物体热辐射的体 验，通过这个体验从具体到抽象地逐渐展开学习过程，使学生真正体悟热辐射 问题的物理意义。 揭示经典物理学理论与黑体辐射规律的矛盾，是本节课的关键。限于学生的知 识局限，不可能在这节课中做详细的定量分析，因此通过举例把黑体的概念定 性地剖析清楚，通过实验的体验引导学生把黑体辐射的基本规律定性地弄清楚 是十分必要的，这样学生的思考才有具体事实为依托。尽量避免把这个课上成 纯粹的接受性学习的课。 最后对普朗克的量子论观点，让学生充分思考讨论，让学生自由地发表自已对 这个观点的看法，并允许他们暂时保留自己对这个观点的不同意见。科学以事 实为依据，教师要避免渲染对量子观点的崇拜气氛，科学更需要的是探索精神， 而不是简单的崇拜。让学生看到科学家是人而不是神，体会到科学研究方法和 尊重实验事实的科学态度对人们认识自然的重要作用。
