高中物理選修能量量子化

會(huì)計(jì)學(xué)1高中物理選修能量量子化17.1《能量量子化：

物理學(xué)的新紀(jì)元》第1頁/共24頁教學(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)度與波長的關(guān)系（3）了解能量子的概念2、過程與方法：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)。第2頁/共24頁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。【重點(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn):

能量子的概念2、難點(diǎn):

黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第3頁/共24頁19世紀(jì)末頁，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，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和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。第4頁/共24頁1900年，在英國皇家學(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?！?/p>

--開爾文--也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實(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，----”第5頁/共24頁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)。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)疑無路,柳暗花明又一村第6頁/共24頁

固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，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1400K800K1000K1200K1.熱輻射現(xiàn)象黑體與黑體輻射第7頁/共24頁一、熱輻射及其特點(diǎn)1.熱輻射由于分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致物體輻射電磁波溫度不同時(shí)輻射的波長分布不同

例如：鐵塊溫度

從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射熱輻射---熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程第8頁/共24頁2.對(duì)熱輻射的初步認(rèn)識(shí)任何物體任何溫度均存在熱輻射溫度

發(fā)射的能量電磁波的短波成分如一個(gè)20瓦的白熾燈和一個(gè)200瓦的白熾燈昏黃色賊亮刺眼第9頁/共24頁直覺:

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)光不是熱輻射第10頁/共24頁二、平衡熱輻射加熱一物體物體的溫度恒定時(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第11頁/共24頁能全部吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡稱黑體2.黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律

不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。黑體模型

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)。第12頁/共24頁黑體模型空腔上的小孔煉鋼爐上的小洞向遠(yuǎn)處觀察打開的窗子近似黑體平衡態(tài)時(shí)黑體輻射只依賴于物體的溫度,與構(gòu)成黑體的材料形狀無關(guān)第13頁/共24頁實(shí)驗(yàn)裝置T平行光管三棱鏡T第14頁/共24頁0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K實(shí)驗(yàn)結(jié)果第15頁/共24頁o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。第16頁/共24頁3.能量子假說：輻射黑體分子、原子的振動(dòng)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)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。

對(duì)于頻率為ν的諧振子最小能量為能量量子經(jīng)典第17頁/共24頁λ(μm)123568947普朗克實(shí)驗(yàn)值第18頁/共24頁普朗克的能量子假說和黑體輻射公式1.黑體輻射公式1900.10.19

普朗克在德國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出一個(gè)黑體輻射公式M.Planck

德國人1858－1947第19頁/共24頁

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)。

他的墓碑上只刻著他的姓名和第20頁/共24頁

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，但真理與謬誤之爭就此平息了嗎？第21頁/共24頁物理難題：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.Th