人教版高中物理選修3-5第17章第一節(jié)能量量子化（共24張PPT）

1、19世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了 很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動方面獲得巨大成就。很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動方面獲得巨大成就。 在熱學(xué)方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣在熱學(xué)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，建立了能推斷一體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了能推斷一 切電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程。另外還找到了切電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程。另外還找到了 力、電、光、聲力、電、光、聲-等都遵循的規(guī)律：能量轉(zhuǎn)等都遵循的規(guī)律：能量轉(zhuǎn) 化與守恒定律。當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于化與守恒定律。當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于 這些成績和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)這些成績和勝利

2、之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng) 發(fā)展到頭了。發(fā)展到頭了。 材料鑒賞材料鑒賞: 1900年，在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上年，在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上,著名物理學(xué)家開爾文著名物理學(xué)家開爾文 勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言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，科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成， 后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎 的修補(bǔ)工作就行了。的修補(bǔ)工作就行了?！?-開爾文開爾文- 也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩 科學(xué)家只要把做過的實驗再精確一下，在實驗數(shù)據(jù)科學(xué)家只要把做過的實驗再精確一下，在實驗數(shù)據(jù) 的小數(shù)點后面再加

3、幾位罷了！的小數(shù)點后面再加幾位罷了！ 但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學(xué)家，但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學(xué)家， 就在上面提到的文章中他還講到：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，令人不安的烏云，-” 這兩朵烏云是指什么呢？這兩朵烏云是指什么呢？ 黑體輻射實驗黑體輻射實驗 邁克爾遜邁克爾遜莫莫 雷實驗雷實驗 后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革后來的事實證明，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，澆灌著兩朵鮮命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮 花。

4、花。 普朗克量子力學(xué)的誕生普朗克量子力學(xué)的誕生相對論問世相對論問世 這兩朵烏云到底是什么回事呢？這兩朵烏云到底是什么回事呢？ 經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué) 量子力學(xué)量子力學(xué) 相對論相對論 微觀領(lǐng)域微觀領(lǐng)域 高速領(lǐng)域高速領(lǐng)域 第一節(jié)：第一節(jié)： 思考與討論 1 1，在爐火旁邊有什么感覺？，在爐火旁邊有什么感覺？ 2 2，投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？，投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？ 過一會兒又是什么顏色？過一會兒又是什么顏色？ 800K 1000K 1200K 1400K 固體在溫度升高時顏色的變化：固體在溫度升高時顏色的變化： 熱輻射現(xiàn)象：熱輻射現(xiàn)象：一切物體在任何溫度下都一切物體在任何溫度下都 在輻射

5、電磁波，這種輻射與物體的溫度在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度 有關(guān)，所以叫做熱輻射。有關(guān)，所以叫做熱輻射。 輻射規(guī)律：輻射規(guī)律： 1.輻射的電磁波中包含各種波長的電磁波，輻射的電磁波中包含各種波長的電磁波， 不同波長，輻射強(qiáng)度不同。不同波長，輻射強(qiáng)度不同。 2. 溫度升高，輻射強(qiáng)度增大，同時輻射溫度升高，輻射強(qiáng)度增大，同時輻射 電磁波的頻率和波長也在變化。電磁波的頻率和波長也在變化。 注意：除了熱輻射外，物體表面還會吸收和反射外注意：除了熱輻射外，物體表面還會吸收和反射外 界射來的電磁波，界射來的電磁波， 例如：常溫下我們看到的物體顏色就是物體反射了例如：常溫下我們看到的物體顏色就是物體反射

6、了 該頻率的電磁波，吸收了其他頻率的電磁波。一些該頻率的電磁波，吸收了其他頻率的電磁波。一些 物體看起來很黑，其實是它吸收所有電磁波，反射物體看起來很黑，其實是它吸收所有電磁波，反射 的電磁波很弱。的電磁波很弱。 那么：在研究物體熱輻射中，應(yīng)如何避那么：在研究物體熱輻射中，應(yīng)如何避 免反射電磁波的影響？免反射電磁波的影響？ 一，黑體及黑體輻射一，黑體及黑體輻射 理想的熱輻射體是理想的熱輻射體是“絕對黑體絕對黑體”，簡稱，簡稱“黑黑 體體”。它在任何溫度下都能全部吸收。它在任何溫度下都能全部吸收入射的各入射的各 種波長的電磁波而不發(fā)生反射。種波長的電磁波而不發(fā)生反射。 德國物理學(xué)家基爾霍夫首先提

7、出了絕對黑體的模型。德國物理學(xué)家基爾霍夫首先提出了絕對黑體的模型。 說明：說明： 黑體是個黑體是個理想化的模型理想化的模型。例：開孔的空腔，。例：開孔的空腔， 遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。 實驗表明：對于一般材料的物體，輻射實驗表明：對于一般材料的物體，輻射 電磁波的情況除與電磁波的情況除與溫度溫度有關(guān)外，還與有關(guān)外，還與材料的材料的 種類及表面狀況種類及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的有關(guān)，而黑體輻射電磁波的 規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)，因而可以反映某種規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)，因而可以反映某種 具有普通意義的客觀規(guī)律。于是，在研究具有普通意義的客觀規(guī)律。于是，在研究熱

8、輻熱輻 射射的規(guī)律時人們特別注意對的規(guī)律時人們特別注意對黑體輻射黑體輻射的研究的研究。 0 1 2 3 4 5 6 (m) 1700K 1500K 1300K 1100K 輻射強(qiáng)度 二：黑體輻射的實驗規(guī)律二：黑體輻射的實驗規(guī)律 隨著溫度的升高：隨著溫度的升高： 1，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加； 2，輻射強(qiáng)度的極大值輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動。向波長較短的方向移動。 你能由圖找到黑體你能由圖找到黑體 輻射的實驗規(guī)律嗎？輻射的實驗規(guī)律嗎？ 瑞利公式在長波部分與實驗結(jié)果比較吻合。但在瑞利公式在長波部分與實驗結(jié)果比較吻合。但在 紫外區(qū)紫外區(qū)(波長范圍在紫外線附近

9、波長范圍在紫外線附近)竟算得輻射強(qiáng)度竟算得輻射強(qiáng)度 為無窮大，這個荒謬的結(jié)論被認(rèn)為是物理學(xué)理論為無窮大，這個荒謬的結(jié)論被認(rèn)為是物理學(xué)理論 的災(zāi)難，當(dāng)時稱為的災(zāi)難，當(dāng)時稱為“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”。 瑞利理論值瑞利理論值 維恩理論值維恩理論值 0 (,)MT 實驗實驗 T=1646k 維恩公式在維恩公式在 短波部分與短波部分與 實驗結(jié)果吻實驗結(jié)果吻 合得很好，合得很好， 但長波卻不但長波卻不 行。行。 三、能量子三、能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn)超越牛頓的發(fā)現(xiàn) 微觀世界的某微觀世界的某 些規(guī)律，在我們些規(guī)律，在我們 宏觀世弄看來可宏觀世弄看來可 能非常奇怪。能非常奇怪。 普朗克能量子理論普朗克能量子理論 *

10、微觀粒子的能量只能是某一最小能量值微觀粒子的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍的整數(shù)倍， E=n （n=1,2,），這個不可再分的最這個不可再分的最 小能量值小能量值叫能量子，簡稱量子。叫能量子，簡稱量子。n n為正整數(shù)，稱為為正整數(shù)，稱為 量子數(shù)。量子數(shù)。 * 帶電微粒吸收和輻射能量時，也是以這個最小能帶電微粒吸收和輻射能量時，也是以這個最小能 量值為單位一份一份地輻射和吸收的。量值為單位一份一份地輻射和吸收的。 h=6.626 10-34 J*S -普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) *能量子的能量：能量子的能量：=h （ 是輻射吸收的電磁波的頻率） (m)1 2 3 5 6 8 947 普朗克理論普朗克

11、理論 實驗值實驗值 ),( 0 Te 理論與實驗符合的讓人擊掌叫絕理論與實驗符合的讓人擊掌叫絕 1800K 宏觀世界中：能量可以是任意值，可以連續(xù)變化。宏觀世界中：能量可以是任意值，可以連續(xù)變化。 例如：物體的重力勢能，彈簧振子的彈性勢能。例如：物體的重力勢能，彈簧振子的彈性勢能。 微觀世界中：微觀粒子的能量只能是一個一個的微觀世界中：微觀粒子的能量只能是一個一個的 特定值，不能連續(xù)變化。（特定值，不能連續(xù)變化。（能量量子化能量量子化），例如：），例如： 物體的帶電量，電子繞原子核運(yùn)動的軌道半徑。物體的帶電量，電子繞原子核運(yùn)動的軌道半徑。 量子化：只能取一系列分立值，不能連續(xù)變化量子化：只能取

12、一系列分立值，不能連續(xù)變化 你能舉出生活中你能舉出生活中“量子化量子化”例子嗎？例子嗎？ 普朗克的量子化理論改變了人們對世界的根本認(rèn)識。普朗克的量子化理論改變了人們對世界的根本認(rèn)識。19001900年不僅成為新世紀(jì)年不僅成為新世紀(jì) 的開始，也成為物理學(xué)的一個新紀(jì)元。的開始，也成為物理學(xué)的一個新紀(jì)元。1818年后，普朗克為此獲得了諾貝爾物年后，普朗克為此獲得了諾貝爾物 理學(xué)獎。理學(xué)獎。 問題與練習(xí)問題與練習(xí) 在一杯開水中放入一枝溫度計，在一杯開水中放入一枝溫度計， 開水靜置室內(nèi)，可以看到開水的溫度開水靜置室內(nèi)，可以看到開水的溫度 是逐漸降低的，既然從微觀的角度來是逐漸降低的，既然從微觀的角度來

13、看能量是一份一份向外輻射的，為什看能量是一份一份向外輻射的，為什 么它的溫度不是一段一段地降低？么它的溫度不是一段一段地降低？ 1.1.在宏觀尺度內(nèi)研究物體的能量變化時我們可在宏觀尺度內(nèi)研究物體的能量變化時我們可 以認(rèn)為：物體的運(yùn)動是連續(xù)的以認(rèn)為：物體的運(yùn)動是連續(xù)的, ,能量變化是連能量變化是連 續(xù)的續(xù)的, ,不必考慮量子化不必考慮量子化。（因為每個能量子的能因為每個能量子的能 量很小，宏觀物體的能量不連續(xù)變化非常不明顯，量很小，宏觀物體的能量不連續(xù)變化非常不明顯， 可以忽略不計。）可以忽略不計。） 2.2.在研究微觀粒子時必需考慮能量量子化在研究微觀粒子時必需考慮能量量子化 意義：意義： 普

14、朗克拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化、普朗克拋棄了經(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，物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點， 提出了提出了能量量子化、物體輻射或吸收能量只能能量量子化、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。一份一份地按不連續(xù)的方式進(jìn)行的新觀點。這這 不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)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)志著人類對自然規(guī)律的物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對自然規(guī)律的 認(rèn)識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子認(rèn)識已經(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)。力

15、學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。 19001900年年1212月月1414日普朗克在德國物理學(xué)會上報告了自日普朗克在德國物理學(xué)會上報告了自 己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子 假說，卻受到冷遇，當(dāng)時沒有人相信他的假說。假說，卻受到冷遇，當(dāng)時沒有人相信他的假說。 能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學(xué)界幾百年能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學(xué)界幾百年 來信奉的來信奉的“自然界無跳躍自然界無跳躍”的原則直接矛盾，因此的原則直接矛盾，因此 量子論出現(xiàn)之后，許多物理學(xué)家不予接受量子論出現(xiàn)之后，許多物理學(xué)家不予接受, ,物理學(xué)界物理學(xué)界 最初的反應(yīng)是極其冷淡的。

16、人們只承認(rèn)普朗克那個最初的反應(yīng)是極其冷淡的。人們只承認(rèn)普朗克那個 同實驗一致的經(jīng)驗性的輻射公式，而不承認(rèn)他的理同實驗一致的經(jīng)驗性的輻射公式，而不承認(rèn)他的理 論性的量子假說。論性的量子假說。 遺憾的是，普朗克雖然發(fā)現(xiàn)了能量子，但他不能遺憾的是，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，對自己的發(fā)現(xiàn)長期惴惴不理解這一發(fā)現(xiàn)的意義，對自己的發(fā)現(xiàn)長期惴惴不 安。在發(fā)現(xiàn)能量子之后的長達(dá)年時間，他總安。在發(fā)現(xiàn)能量子之后的長達(dá)年時間，他總 想退回到經(jīng)典物理學(xué)的立場。他曾在散步時對兒想退回到經(jīng)典物理學(xué)的立場。他曾在散步時對兒 子說：子說：“我現(xiàn)在做的事情，要么毫無意義，要么我現(xiàn)在做的事情，要么毫無意

17、義，要么 可能成為牛頓以后物理學(xué)上最大的發(fā)現(xiàn)。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時已年過四十。他受過嚴(yán)普朗克在做出量子假說時已年過四十。他受過嚴(yán) 格的經(jīng)典物理學(xué)訓(xùn)練，對經(jīng)典物理學(xué)十分熟悉和格的經(jīng)典物理學(xué)訓(xùn)練，對經(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，只是迫于事熱愛。他不愿意同經(jīng)典物理學(xué)決裂，只是迫于事 實的壓力，才不得不做出能量子的假說。他的能實的壓力，才不得不做出能量子的假說。他的能 量子理論是不徹底的，他的理論還是以承認(rèn)電磁量子理論是不徹底的，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波本身的連續(xù)性為基礎(chǔ)的。他把自己的量子假說

18、 僅僅局限于粒子對電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性僅僅局限于粒子對電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性 上。上。 年，愛因斯坦提出光量子假說，成功地年，愛因斯坦提出光量子假說，成功地 解釋了光電效應(yīng)；年，他又將量子理論解釋了光電效應(yīng)；年，他又將量子理論 運(yùn)用到固體比熱問題，獲得成功；年，運(yùn)用到固體比熱問題，獲得成功；年， 玻爾將量子理論引入到原子結(jié)構(gòu)理論中，克服了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，建立了他的原經(jīng)典理論解釋原子穩(wěn)定性的困難，建立了他的原 子結(jié)構(gòu)模型，取得了原子物理學(xué)劃時代的進(jìn)展；子結(jié)構(gòu)模型，取得了原子物理學(xué)劃時代的進(jìn)展； 年，康普頓通過實驗最終使物理學(xué)家們年，康普頓通過實驗最終使物理學(xué)家們 確認(rèn)光量子圖景的實在性，從而使量子理