人教版選修35 能量量子化 第1課時(shí) 教案.docVIP

教學(xué)課題： 第一節(jié) 能量量子化教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能：（1）了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射 （2）了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，了解黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系（3）了解能量子的概念2、過(guò)程與方法：了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。體會(huì)量子論的建立深化了人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。教學(xué)重點(diǎn): 能量子的概念教學(xué)難點(diǎn): 黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律教學(xué)過(guò)程：材料鑒賞： 19世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說(shuō)，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲-等都遵循的規(guī)律-能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。 1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上,著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言: “科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了”。 -開爾文-也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！ 但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，-” 這兩朵烏云是指什么呢？ 一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)。后來(lái)的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。 普朗克量子力學(xué)的誕生、相對(duì)論問(wèn)世然而, 事隔不到一年(1900年底)，就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著(1905年)從第二朵烏云中降生了相對(duì)論。經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動(dòng)搖，物理學(xué)發(fā)展到了一個(gè)更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水復(fù)疑無(wú)路, 柳暗花明又一村”。 一、熱輻射現(xiàn)象 1、熱輻射：固體或液體，在任何溫度下都在輻射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變化例如，鐵塊隨著溫度升高： 現(xiàn)象：直覺(jué):低溫物體發(fā)出的是紅外光熾熱物體發(fā)出的是可見光高溫物體發(fā)出的是紫外光注意： 熱輻射與溫度有關(guān)激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射2、特點(diǎn)： 輻射強(qiáng)度及波長(zhǎng)的分布隨溫度變化； 隨著溫度升高,電磁波的短波成分增加。3、熱平衡狀態(tài)：物體的溫度恒定時(shí)，物體所吸收的能量等于在同一時(shí)間內(nèi)輻射的能量，這時(shí)得到的輻射稱為平衡熱輻射。 二、黑體與黑體輻射思考與討論:一座建設(shè)中的樓房還沒(méi)安裝窗子，盡管室內(nèi)已經(jīng)粉刷，如果從遠(yuǎn)處看窗內(nèi)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？ 為什么？ 幾點(diǎn)說(shuō)明：黑體是個(gè)理想化的模型。例：開孔的空腔，遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。 對(duì)于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。一般物體的輻射與溫度、材料、表面狀況有關(guān)，但黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)。三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ) 1、測(cè)量黑體輻射的實(shí)驗(yàn)原理圖：加熱空腔使其溫度升高，空腔就成了不同溫度下的黑體，從小孔向外的輻射就是黑體輻射。 三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 2、輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從物體單位面積上所發(fā)射的各種波長(zhǎng)的總輻射能，稱為輻射強(qiáng)度。 特點(diǎn)：隨溫度的升高各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都在增加； 絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，輻射強(qiáng)度的最大值向短波方向移動(dòng)。三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 3、經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難 解釋實(shí)驗(yàn)曲線 一朵令人不安的烏云1)維恩的半經(jīng)驗(yàn)公式：短波符合;長(zhǎng)波不符合 2)瑞利-金斯公式：長(zhǎng)波符合;短波荒唐 -紫外災(zāi)難 四、能量子：超越牛頓的發(fā)現(xiàn)1、普朗克能量子假說(shuō)2、輻射物體中包含大量振動(dòng)著的帶電微 粒，它們的能量是某一最小能量的整數(shù) 倍 e=ne n=1,2,（e叫能量子，簡(jiǎn)稱量子，n為量子數(shù)，它只取正整數(shù)能量量子化） 3、諧振子只能一份一份按不連續(xù)方式輻射或吸收能量4、對(duì)于頻率為n 的諧振子，最小能量為：e =h n 普朗克常量h=6.62610-34js 意義：（閱讀書本p29）planck拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點(diǎn)，提出了能量子、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進(jìn)行的新觀點(diǎn)。這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。黑體輻射公式： 1900年10月19日，普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出一個(gè)黑體輻射公式：五、普朗克能量子理論成功解釋黑體輻射黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)在人們的眼前，紫外災(zāi)難的疑點(diǎn)找到了，為人類解決了一大難題。使熱愛科學(xué)的人們又一次倍感欣慰，但真理與謬誤之爭(zhēng)就此平息了嗎？物理難題：1888年，霍瓦(hallwachs)發(fā)現(xiàn)一個(gè)帶負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電。近10年以后，1897年，j.thomson發(fā)現(xiàn)了電子 ，此時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到那就是從金屬表面射出的電子，后來(lái)，這些電子被稱作光電子(photoelectron)，相應(yīng)的效應(yīng)叫做光電效應(yīng)。人們本著對(duì)光的完美理論（光的波動(dòng)性、電磁理論）進(jìn)行解釋會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？ 普朗克后來(lái)又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經(jīng)過(guò)十多年 的努力證明任何復(fù)歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅(jiān)定地相信 h 的引入確實(shí)反映了新理論的本質(zhì)。 1918年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。死后他的墓碑上只刻著他的姓名和 普朗克理論:能量在發(fā)射和吸收的時(shí)候， 不是連續(xù)不斷，而是分成一份一份的。 能量是hn 的整數(shù)倍。 每份能量為: e=h 問(wèn)題: 既然燈向外輻射的光能是分立的，一份份的。 為何我們看不到燈的亮度發(fā)生變化？結(jié)論：1、在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)我們可以認(rèn)為：物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化2、在研究微觀粒子時(shí)必需考慮能量量子化【例1】下列敘述正確的是（acd ）a、一切物體都在輻射電磁波b、一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)c、黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)d、黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波【例2】煉鋼工人通過(guò)觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色，就可以估計(jì)出爐內(nèi)的溫度，這是根據(jù)什么道理? 答案根據(jù)熱輻射的規(guī)律可知，當(dāng)物體的溫度升高時(shí)，熱輻射中較短波長(zhǎng)的成分越來(lái)越強(qiáng)，可見光所占份額增大，溫度越高紅光成分減少，頻率比紅光大的其他顏色的光，為橙、黃、綠、藍(lán)、紫等光的成分就增多。因此可根據(jù)爐內(nèi)光的顏色大致估計(jì)爐內(nèi)的溫度【例3】對(duì)應(yīng)于3.4l0-l9j的能量子，其電磁輻射的頻率和波長(zhǎng)各是多少？它是什么顏色？解：根據(jù)公式=h和=c/得 =/h=5.131014hz =c/=5.8510-7hz 5.1310-14hz的頻率屬于黃光的頻率范圍，它是黃光，其波長(zhǎng)為5.85l0-7m。能量量子化:物理學(xué)的新紀(jì)元1900年12月14日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論文，宣告了量子的誕生。那一年他42歲。普朗克把能量子引入物理學(xué),正確地破除了”能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念,成為現(xiàn)代物理學(xué)思想的基石之一, 為我們打開了量子之門,就在1900年，一個(gè)名叫愛因斯坦(albert einstein)的青年從蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)(eth)畢業(yè)，正在為將來(lái)的生活發(fā)愁。5年后他受量子化啟發(fā)提出了光量子,成功的解釋了光電效應(yīng)。就在那一年,在丹麥，15歲的玻爾(nielsbohr)正在哥本哈根的中學(xué)里讀書。玻爾有著好動(dòng)的性格。學(xué)習(xí)方面，他在數(shù)學(xué)和科學(xué)方面顯示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齒和慘不忍睹的作文卻是全校有名。 13年后他提出了原子軌道量子化。德布羅意(louis de broglie)當(dāng)時(shí)8歲，還正在家里接受良好的幼年教育。后來(lái)他提出了物質(zhì)波。再過(guò)12個(gè)月，維爾茲堡(wurzberg)的一位著名希臘文學(xué)教授就要喜滋滋地看著 他的寶貝兒子小海森堡(werner karl heisenberg)呱呱墜地。以上人物都將在我們的課文中出現(xiàn),請(qǐng)同學(xué)們記住他們的名字。 課堂練習(xí)：1、燈向外輻射的能量是最小能量的整數(shù)倍。那么紅光的最小能量比紫光的最小能量大還是小?2、光源發(fā)出的光能是一份一份的，那么每份光能是怎樣傳到你的眼睛里呢？是均勻分布在兩只眼睛里？還是每份只傳給一只眼睛上的某一處呢？聯(lián)想根據(jù)物理課本知識(shí)，物體的所帶電量是基本電荷的整數(shù)倍，但現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)：有的基本粒子所帶電量是基本電荷的分?jǐn)?shù)倍。 普朗克提出了能量是最小能量h的整數(shù)倍，那么該最小能量還能再分嗎？如果能分，又是按怎樣的規(guī)律分呢? 小資料庫(kù) 1900年12月14日普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上報(bào)告了自己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子假說(shuō)，卻受到冷遇，當(dāng)時(shí)沒(méi)有人相信他的假說(shuō)。能量子假說(shuō)的提出，給經(jīng)典物理學(xué)打開了一個(gè)缺口，為量子物理學(xué)安放了一塊奠基石，宣告量子物理學(xué)的誕生。能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學(xué)界幾百年來(lái)信奉的“自然界無(wú)跳躍” 的原則直接矛盾，因此量子論出現(xiàn)之后，許多物理學(xué)家不予接受。量子論的出現(xiàn)，物理學(xué)界最初的反應(yīng)是極其冷淡的。人們只承認(rèn)普朗克那個(gè)同實(shí)驗(yàn)一致的經(jīng)驗(yàn)性的輻射公式，而不承認(rèn)他的理論性的量子假說(shuō)。遺憾的是，普朗克雖然發(fā)現(xiàn)了能量子，但他不能理解這一發(fā)現(xiàn)的意義，對(duì)自己的發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期惴惴不安。在發(fā)現(xiàn)能量子之后的長(zhǎng)達(dá)年時(shí)間，他總想退回到經(jīng)典物理學(xué)的立場(chǎng)。他曾在散步時(shí)對(duì)兒子說(shuō)：“我現(xiàn)在做的事情，要么毫無(wú)意義，要么可能成為牛頓以后物理學(xué)上最大的發(fā)現(xiàn)。”普朗克在做出量子假說(shuō)時(shí)已年過(guò)四十。他受過(guò)嚴(yán)格的經(jīng)典物理學(xué)訓(xùn)練，對(duì)經(jīng)典物理學(xué)十分熟悉和熱愛。他不愿意同經(jīng)典物理學(xué)決裂，只是迫于事實(shí)的壓力，才不得不做出能量子的假說(shuō)。他的能量子假說(shuō)是不徹底的，他的理論還是以承認(rèn)電磁波本身的連續(xù)性為基礎(chǔ)的。他把自己的量子假說(shuō)僅僅局限于振子對(duì)電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性上。1905年，愛因斯坦提出光量子假說(shuō)，成功地解釋了光電效應(yīng)；1906年，他又將量子理論運(yùn)用到固體比熱問(wèn)題，獲得成功；1912年，玻爾將量子理論引入到原子結(jié)構(gòu)理論中，克服了經(jīng)典理論解釋原子穩(wěn)定性的困難，建立