17.1物理學(xué)的新紀(jì)元：能量量子化PPT課件

1、導(dǎo)入新課導(dǎo)入新課 科學(xué)的歷史不僅是一連串事實，科學(xué)的歷史不僅是一連串事實，規(guī)則和隨之而來的數(shù)學(xué)描述，它規(guī)則和隨之而來的數(shù)學(xué)描述，它也是一部概念的歷史。當(dāng)我們進也是一部概念的歷史。當(dāng)我們進入一個新的領(lǐng)域時，常常需要新入一個新的領(lǐng)域時，常常需要新的概念。的概念。 普朗克普朗克名言名言物理學(xué)的發(fā)展歷史物理學(xué)的發(fā)展歷史 19 19世紀(jì)末頁，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都世紀(jì)末頁，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個能氣體的內(nèi)能。在

2、電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的推斷一切電磁現(xiàn)象的 MaxwellMaxwell方程。另外還方程。另外還找到了力、電、光、聲找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律等都遵循的規(guī)律-能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時許多物理學(xué)能量轉(zhuǎn)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)發(fā)展到頭了。物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。愛因斯坦愛因斯坦伽利略伽利略著名物理學(xué)家著名物理學(xué)家愛迪生愛迪生牛頓牛頓楞次楞次 麥克斯韋主要從事麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)、光學(xué)、力統(tǒng)計物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研學(xué)、彈性理

3、論方面的研究。尤其是他建立的電究。尤其是他建立的電磁場理論，將電學(xué)、磁磁場理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，是學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，是1919世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。上最偉大的綜合之一。 麥克斯韋麥克斯韋 1900年，在英國年，在英國皇家學(xué)會的新年慶皇家學(xué)會的新年慶祝會上，著名物理祝會上，著名物理學(xué)家開爾文作了展學(xué)家開爾文作了展望新世紀(jì)的發(fā)言：望新世紀(jì)的發(fā)言：“科學(xué)的大廈已經(jīng)科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一物理學(xué)家只要做一些零碎的修補工作些零碎的修補工作就行了。就行了?！遍_爾文開爾文 說明：物理學(xué)

4、已經(jīng)沒有什么新東西了，說明：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面在加幾位罷了！但開爾文數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面在加幾位罷了！但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學(xué)家，就畢竟是一位重視現(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：在上面提到的文章中他還講到：“但是，在但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安物理學(xué)晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，的烏云，-”-”這兩朵烏云是指什么呢？一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驗朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實驗有關(guān)。有關(guān)。 然而

5、，然而， 事隔不到一年（事隔不到一年（1900年底），就年底），就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著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論。年）從第二朵烏云中降生了相對論。經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動搖，物理學(xué)發(fā)展經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動搖，物理學(xué)發(fā)展到了一個更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂到了一個更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水山重水復(fù)疑無路，復(fù)疑無路， 柳暗花明又一村柳暗花明又一村”。 1、在火爐旁邊有什么感覺？、在火爐旁邊有什么感覺？ 2、投在火爐中的鐵塊剛開始是什么、投在火爐中的鐵塊剛開始是什么顏色？過一會兒又是什么顏色。顏色？過一會兒又是什么顏色。問題問題第一節(jié)物

6、理學(xué)的新紀(jì)第一節(jié)物理學(xué)的新紀(jì)元：能量量子化元：能量量子化第十七章波粒二象性第十七章波粒二象性教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)1 1、知識與技能、知識與技能 了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射了解黑體與黑體輻射 了解黑體輻射的實驗規(guī)律，了解黑體了解黑體輻射的實驗規(guī)律，了解黑體熱輻射的強度與波長的關(guān)系熱輻射的強度與波長的關(guān)系 了解能量子的概念了解能量子的概念 了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。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比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點。特點。 體會量子論的建立深化了人們對于物體會量子論的建立深化了人們對于物質(zhì)世界的認(rèn)

7、識。質(zhì)世界的認(rèn)識。2 2、過程與方法、過程與方法3 3、情感態(tài)度與價值觀、情感態(tài)度與價值觀 領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究對科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。的艱辛與喜悅。教學(xué)重難點教學(xué)重難點重點重點 能量子的概念能量子的概念難點難點黑體輻射的實驗規(guī)律黑體輻射的實驗規(guī)律本節(jié)知識線索本節(jié)知識線索 冶金工業(yè)的發(fā)展及對恒星研究的冶金工業(yè)的發(fā)展及對恒星研究的需要促進了對黑體輻射問題的研究需要促進了對黑體輻射問題的研究經(jīng)典理論對黑體輻射實驗規(guī)律的研究經(jīng)典理論對黑體輻射實驗規(guī)

8、律的研究難以解決的矛盾（維斯公式、瑞利公式）難以解決的矛盾（維斯公式、瑞利公式）普朗克能量子假設(shè)普朗克能量子假設(shè)數(shù)學(xué)推理（黑體輻射的強度按波長分布的公式）數(shù)學(xué)推理（黑體輻射的強度按波長分布的公式）與實驗事實的對照與實驗事實的對照本節(jié)導(dǎo)航本節(jié)導(dǎo)航一一. .黑體與黑體輻射黑體與黑體輻射二二. .黑體輻射的實驗規(guī)律黑體輻射的實驗規(guī)律三三. .能量子、超越牛頓的發(fā)現(xiàn)能量子、超越牛頓的發(fā)現(xiàn)一、黑體與黑體輻射一、黑體與黑體輻射1 1、熱輻射、熱輻射 固體或液體，在任何溫度下都在固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射發(fā)射各種波長的電磁波各種波長的電磁波，這種由于物體中的分，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射

9、電磁波的現(xiàn)象稱子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為為熱輻射熱輻射。（1 1）、所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。）、所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。 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800k1200k1200k1400k 例如：鐵塊在隨溫度升高時從看不出發(fā)例如：鐵塊在隨溫度升高時從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色。光到暗紅到橙色到黃白色。這種與溫度有關(guān)的輻射這種與溫度有關(guān)的輻射 稱為熱輻射。稱為熱輻射。（2 2）、熱輻射）、熱輻射 - - 熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程。程。 任何物體任何溫度均存在熱輻射任何物體任何溫度均存在熱輻射, , 溫度溫度升高升高，發(fā)射的能量

10、，發(fā)射的能量升高。升高。直覺直覺: : 低溫物體發(fā)出的是紅外光低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的是可見光熾熱物體發(fā)出的是可見光 高溫物體發(fā)出的是紫外光高溫物體發(fā)出的是紫外光注意注意： 激光激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射。日光燈發(fā)光不是熱輻射。 （3 3）、無論是高溫物體還是低溫物體，都）、無論是高溫物體還是低溫物體，都有熱輻射，所輻射的能量及其按波長的分布有熱輻射，所輻射的能量及其按波長的分布都隨溫度而變化。都隨溫度而變化。 （4 4）、熱輻射解釋：大量帶電粒子）、熱輻射解釋：大量帶電粒子的無規(guī)則熱運動引起的。物體中每個分的無規(guī)則熱運動引起的。物體中每個分子、原子或離子都在各自平衡位置附近子、

11、原子或離子都在各自平衡位置附近以各種不同頻率作無規(guī)則的微振動，每以各種不同頻率作無規(guī)則的微振動，每個帶電微粒的振動都會產(chǎn)生變化的電磁個帶電微粒的振動都會產(chǎn)生變化的電磁場，從而向外輻射各種波長的電磁波，場，從而向外輻射各種波長的電磁波，形成連續(xù)的電磁波譜。形成連續(xù)的電磁波譜。 思考與討論思考與討論 一座建設(shè)中的樓房還沒安裝窗子，盡一座建設(shè)中的樓房還沒安裝窗子，盡管室內(nèi)已經(jīng)粉刷，如果從遠處看，把窗內(nèi)管室內(nèi)已經(jīng)粉刷，如果從遠處看，把窗內(nèi)的亮度與樓房外墻的亮度相比，你會發(fā)現(xiàn)的亮度與樓房外墻的亮度相比，你會發(fā)現(xiàn)什么？為什么？什么？為什么？2、黑體：、黑體： 能全部吸收各種波長的輻射能而能全部吸收各種波長

12、的輻射能而不發(fā)不發(fā)生反射生反射，折射折射和和透射透射的物體稱為的物體稱為絕對黑絕對黑體體。簡稱黑體。簡稱黑體。 對于一般材料的物體，輻射電磁波的對于一般材料的物體，輻射電磁波的溫度除了與溫度有關(guān)外，還與材料的種溫度除了與溫度有關(guān)外，還與材料的種類以及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁類以及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。有關(guān)。二、黑體輻射的實驗二、黑體輻射的實驗規(guī)律規(guī)律 19世紀(jì)后半葉，歐洲的冶金工業(yè)迅世紀(jì)后半葉，歐洲的冶金工業(yè)迅速發(fā)展，技術(shù)人員渴望了接熱輻射的規(guī)速發(fā)展，技術(shù)人員渴望了接熱輻射的規(guī)律。如果知道了輻射強度，波長分布與

13、律。如果知道了輻射強度，波長分布與輻射體的溫度的關(guān)系，就可以通過光譜輻射體的溫度的關(guān)系，就可以通過光譜推知鋼水的溫度。這種需求推動了黑體推知鋼水的溫度。這種需求推動了黑體輻射的研究。輻射的研究。 如果在一個空墻壁上開一個很小的孔，如果在一個空墻壁上開一個很小的孔，那么攝入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生那么攝入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和吸收。最終不能從空腔射出，這多次反射和吸收。最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個絕對黑體。個小孔就成了一個絕對黑體。說明：說明： (1)(1)黑體是個理想化的模型。黑體是個理想化的模型。 例：開例：開孔的空腔，遠處的窗口等可近似看作黑體?？椎目涨?，

14、遠處的窗口等可近似看作黑體。 (2)(2)對于黑體，在相同溫度下的輻射對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。規(guī)律是相同的。 如果加熱小孔，空腔內(nèi)的溫度升高，如果加熱小孔，空腔內(nèi)的溫度升高，小孔就成了不同溫度下的黑體了，從小小小孔就成了不同溫度下的黑體了，從小小孔向外輻射的就是黑體輻射。利用分光技孔向外輻射的就是黑體輻射。利用分光技術(shù)和熱電偶等設(shè)備，測出它所輻射的電磁術(shù)和熱電偶等設(shè)備，測出它所輻射的電磁波強度按波長的分布情況。波強度按波長的分布情況。 下圖為四種溫度下黑體熱輻射的強度與下圖為四種溫度下黑體熱輻射的強度與波長的關(guān)系。波長的關(guān)系。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500

15、K1300K1100K),(0Te 實驗結(jié)果實驗結(jié)果 從中可以看出，隨著溫度的升高，從中可以看出，隨著溫度的升高，各種波長的強度有所增加，而且，輻射強各種波長的強度有所增加，而且，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。度的極大值向波長較短的方向移動。o實驗值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難普普朗朗克克線線12345678o實驗值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難普普朗朗克克線線12345678實驗值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難普普朗朗克克線線12345678 公式只適用于長波段公式只適用于長波段,

16、 , 而在紫外區(qū)與實驗而在紫外區(qū)與實驗不符不符 - - 紫外災(zāi)難。紫外災(zāi)難。 黑體輻射實驗是物理學(xué)晴朗天空中一朵令黑體輻射實驗是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。人不安的烏云。三、能量子、超越牛三、能量子、超越牛頓的發(fā)現(xiàn)頓的發(fā)現(xiàn)1、普朗克能量子假說、普朗克能量子假說 輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。允許的

17、可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最相應(yīng)的能量是某一最小能量小能量稱為能量子。稱為能量子。能量子的整數(shù)倍，即：能量子的整數(shù)倍，即：, 1, 2, 3, . n. n為正整數(shù)，稱為為正整數(shù)，稱為量子數(shù)量子數(shù)。 德國物理學(xué)家，德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，和奠基人，1918年諾年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得貝爾物理學(xué)獎的獲得者。者。 普朗克的偉大成普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學(xué)史理論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。學(xué)一統(tǒng)天下的局面。普朗克普朗克2、普朗克常數(shù)、普朗克常數(shù) 對

18、于頻率為對于頻率為的能量子最小能量：的能量子最小能量： =h h=6.626 10-34焦耳。焦耳。普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) 比喻比喻：電磁波就好象是機關(guān)槍發(fā)射子彈，：電磁波就好象是機關(guān)槍發(fā)射子彈，子彈是一顆一顆向前運動的，每一顆子彈子彈是一顆一顆向前運動的，每一顆子彈就好象是一份電磁波。就好象是一份電磁波。 能量能量量子量子經(jīng)典經(jīng)典3、振子只能一份一份地按不連續(xù)、振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量方式輻射或吸收能量4、意義：、意義： Planck拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連拋棄了經(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續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點，提出

19、了能量子、物體輻射意值的舊觀點，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)的方或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進行的新觀點。這不僅成功地解決了熱式進行的新觀點。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)律的認(rèn)識已經(jīng)從面，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)域進入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。誕生奠定了基礎(chǔ)。5、黑體輻射公式：、黑體輻射公式： 1900.10.19 普朗克在德國物理學(xué)會會議上普朗克在德國物理學(xué)會會議上提出一個黑體輻射公式提出一個黑體輻射公式12

20、)(/32kThechTM 普朗克后來又為這種與經(jīng)典物理格格不入普朗克后來又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經(jīng)過十多年的努力的觀念深感不安，只是在經(jīng)過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，他才堅定地相信告終之后，他才堅定地相信h的引入確實反映的引入確實反映了新理論的本質(zhì)。了新理論的本質(zhì)。 ( m)1 2 3 5 6 8 947普普 朗朗 克克實實 驗驗 值值),(0Te 普朗克公式與實驗結(jié)果的比較。曲線是普朗克公式與實驗結(jié)果的比較。曲線是根據(jù)普朗克的公式做出的，小圓代表實驗值根據(jù)普朗克的公式做出的，小圓代表實驗值課堂小結(jié)

21、課堂小結(jié)1、熱輻射、熱輻射 固體或液體，在任何溫度下都在固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各發(fā)射各種波長的電磁波種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、，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)象稱為原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱熱輻射輻射。 任何物體任何溫度均存在熱輻射任何物體任何溫度均存在熱輻射, 溫度溫度升高升高，發(fā)射的能量，發(fā)射的能量升高。升高。激光、日光燈激光、日光燈發(fā)發(fā)光不是熱輻射。光不是熱輻射。2、黑體：、黑體： 能全部吸收各種波長的輻射能而能全部吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生不發(fā)生反射反射，折射折射和和透射透射的物體稱為的物體稱為絕對黑體絕對黑體。簡稱黑體。簡稱黑體。

22、 (1)黑體是個理想化的模型。黑體是個理想化的模型。 (2)對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。是相同的。3、普朗克常數(shù)、普朗克常數(shù) 對于頻率為對于頻率為的能量子最小能量：的能量子最小能量： =hh=6.626 10-34焦耳。焦耳。普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)。4、黑體輻射公式：、黑體輻射公式： 1900.10.19 普朗克在德國物理學(xué)會會普朗克在德國物理學(xué)會會議上提出一個黑體輻射公式議上提出一個黑體輻射公式12)(/32kThechTM課堂練習(xí)課堂練習(xí) 1我們周圍的一切物體都在輻射我們周圍的一切物體都在輻射_，這種輻射與物體的這種輻射與物體的_有關(guān)，所以叫有關(guān)，所以叫_。除了這種輻射以外，物體表面還。除了這種輻射以外，物體表面還會會_和和_外界射來的電磁波，外界射來的電磁波，若某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電若某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生磁波而不發(fā)生_，這種物體就叫，這種物體就叫_。電磁波電磁波溫度溫度熱輻射熱輻射吸收吸收反射反射反射反射黑體