高中物理 人教版 選修三 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性 第四單元第一課時(shí)

原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性第一節(jié)普朗克黑體輻射理論靈璧縣第一中學(xué)郭慧慧〖教材分析〗本節(jié)由黑體與黑體輻射、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和能量子三部分內(nèi)容組成。教材著重介紹了在研究不同溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系時(shí)，經(jīng)典理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)事實(shí)之間產(chǎn)生的矛盾。為了解決這個(gè)矛盾，普朗克提出了能量子的假說。教學(xué)中要注意引導(dǎo)學(xué)生感受科學(xué)家進(jìn)行探究的科學(xué)方法與科學(xué)精神?！紝W(xué)情分析〗本節(jié)的知識(shí)對(duì)學(xué)生來說幾乎沒有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，理解起來有一定困難，比如對(duì)黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律、為什么要研究黑體、黑體理想模型有什么用、“量子化”和“連續(xù)性”到底有什么差別等問題的理解。〖教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)〗物理觀念∶了解黑體輻射以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論，知道能量量子化的內(nèi)涵?？茖W(xué)思維∶對(duì)比經(jīng)典能量觀和微觀能量子的特點(diǎn)，體會(huì)量子化物理模型的建立過程?？茖W(xué)探究：通過觀察熱輻射的強(qiáng)度波長(zhǎng)的關(guān)系圖培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，感悟以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任∶了解能量子概念的提出的科學(xué)過程，領(lǐng)會(huì)這一科學(xué)突破過程中科學(xué)家的思想，體會(huì)量子論的建立深化了人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)?！冀虒W(xué)重難點(diǎn)〗教學(xué)重點(diǎn)：黑體輻射和能量量子化。教學(xué)難點(diǎn)：理解能量量子化假說。〖教學(xué)準(zhǔn)備〗多媒體課件等?！冀虒W(xué)過程〗教學(xué)準(zhǔn)備教師準(zhǔn)備：多媒體課件。學(xué)生準(zhǔn)備：預(yù)習(xí)新課，回顧以前所學(xué)的熱輻射的相關(guān)知識(shí)；查閱資料，了解能量子的有關(guān)知識(shí)。教學(xué)設(shè)計(jì)導(dǎo)入新課導(dǎo)語(yǔ)：在物理學(xué)的發(fā)展史中，每一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)都是建立在之前的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上的，新的觀念和理論都不會(huì)是憑空一蹴而就的。今天我們會(huì)認(rèn)識(shí)物理學(xué)的哪個(gè)新的知識(shí)點(diǎn)呢？請(qǐng)同學(xué)們觀看視頻。播放視頻。導(dǎo)語(yǔ)：這節(jié)課我們將學(xué)習(xí)普朗克黑體輻射理論。二、新課教學(xué)環(huán)節(jié)一:問題：右圖為陽(yáng)光下的鳥窩，如果從遠(yuǎn)處觀察，把窗內(nèi)的亮度與鳥窩外的亮度相比，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？為什么？從遠(yuǎn)處觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)窗內(nèi)很暗。這是因?yàn)閺耐饨缟鋪淼墓饩€，經(jīng)窗口射入室內(nèi)，大部分光線要在室內(nèi)經(jīng)過多次反射，才可能有機(jī)會(huì)射出窗口。在多次反射的過程中，大部分光線被吸收掉了，再?gòu)拇翱谏涑龅墓饩€將是很少的。思考：如果射入鳥窩內(nèi)的光線全部被吸收掉，沒有任何光線從窗口射出，我們看到的鳥窩內(nèi)將是什么情況？將看不到鳥窩內(nèi)的任何物體。板書（1）：黑體：如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。思考：在空腔壁上開一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出。這個(gè)帶小孔的空腔能否看成黑體？能近似看成黑體。黑體是理想化的物理模型。黑體看上去不一定是黑的，有些看作是黑體的物體由于自身較強(qiáng)的輻射，還會(huì)很亮，如太陽(yáng)，白熾燈絲。2、（加強(qiáng)對(duì)黑體概念的理解，去抽象化。由學(xué)生回答）黑體、黑色的物體、紅色的物體在顏色上的區(qū)別？黑體：吸收了射向它的全部電磁波,黑色的物體：吸收了射向它的全部可見光而不反射紅色的物體：吸收了射向它的可見光中的除紅光外的其他顏色的光，紅光反射，從而人們看到該物體時(shí)紅色的環(huán)節(jié)二：下面是我們生活中的實(shí)例，他們說明了什么？問題1：圍坐在火爐旁邊會(huì)有什么感覺？為什么？圍坐在火爐旁會(huì)感到很熱。這是由于火爐不斷地向外輻射電磁波。問題2：蛇是老鼠的天敵，你知道它是通過什么方式來發(fā)現(xiàn)老鼠的呢？它是通過接收老鼠熱輻射的方式來發(fā)現(xiàn)老鼠的問題3：投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？過一會(huì)兒又是什么顏色？說明了什么？隨著溫度的升高，投在爐中的鐵塊逐漸由暗紅色，變?yōu)槌嗉t，變?yōu)殚偌t，最后變?yōu)辄S白色。說明同一物體輻射電磁波的波長(zhǎng)隨溫度的升高，較短波長(zhǎng)的部分越來越強(qiáng)。思考后：說明它們可以向外輻射電磁波（注意語(yǔ)氣要變化）既然一般的物體可以向外輻射電磁波，那么作為黑體，它不能反射電磁波，可以向外輻射電磁波嗎？（引導(dǎo)學(xué)生看教材P67～P68）然后通過提問學(xué)生，進(jìn)行黑體輻射的教學(xué)板書（2）:黑體雖然不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，這樣的輻射叫作黑體輻射板書（3）:黑體輻射有哪些特點(diǎn)：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)，而對(duì)于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除了與溫度有關(guān)，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)。設(shè)計(jì)意圖：通過簡(jiǎn)單實(shí)例引出黑體和黑體輻射的概念，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)黑體和黑體輻射概念的理解。環(huán)節(jié)三：黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律問題：利用分光技術(shù)和熱電偶等設(shè)備，可以測(cè)出黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的情況，如圖所示為四種溫度下黑體輻射電磁波的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系，根據(jù)下圖說一說黑體輻射的規(guī)律有哪些？（1）隨著溫度的升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加。（2）隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。思考：怎樣解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律呢？在新的理論誕生之前，人們很自然地要依據(jù)熱學(xué)和電磁學(xué)的知識(shí)來解釋。德國(guó)物理學(xué)家維恩和英國(guó)物理學(xué)家瑞利分別在1896年1900年提出了輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的理論公式。他們提出的公式都只能解釋一部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。維恩公式在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)非常接近，在長(zhǎng)波區(qū)則與實(shí)驗(yàn)偏離較大；瑞利公式在長(zhǎng)波區(qū)與實(shí)驗(yàn)基本一致，但在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符。(如圖所示)。普朗克的解釋：1900年10月，普朗克找到了一個(gè)數(shù)學(xué)公式，它與實(shí)驗(yàn)吻合得非常完美。于是，普朗克嘗試從電磁學(xué)、力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)等物理學(xué)的基本理論出發(fā)，把這個(gè)公式推導(dǎo)出來。請(qǐng)同學(xué)們對(duì)比分析課本的這兩幅插圖，你能發(fā)現(xiàn)什么問題？提示：若圖4.1-2中1700K的溫度時(shí)，黑體輻射強(qiáng)度的極大值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)2微米，那么圖4.1-3中1600K時(shí)輻射強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是不是應(yīng)該大于2微米？觀察結(jié)果：圖4.1-3中1600K溫度時(shí)，黑體輻射強(qiáng)度的極大值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)小于2毫米。查閱相關(guān)資料后，確認(rèn)：圖4.1-3是對(duì)的，圖4.1-2有誤。但圖4.1-2所反應(yīng)的溫度越高，輻射強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)越短，是對(duì)的，只是數(shù)值有誤！設(shè)計(jì)意圖:了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和科學(xué)家對(duì)這些規(guī)律的探索。環(huán)節(jié)四：能量子問題1：宏觀物體的能量是連續(xù)的。如重力勢(shì)能：，由于h是連續(xù)的，因而重力勢(shì)能是連續(xù)的。作為“微觀粒子”的能量是否也是連續(xù)的？問題2:閱讀教材第69頁(yè)“能量子”的相關(guān)內(nèi)容，了解普朗克的觀點(diǎn)。問題3：由能量量子化假說可知，能量是一份一份的，而不是連續(xù)的。但我們平時(shí)見到的宏觀物體的溫度升高或降低，為什么是連續(xù)的，而不是一段一段的？問題4：結(jié)合生活實(shí)際，談?wù)勀銓?duì)量子化的理解。問題5：能量子假說的意義是什么？普朗克的能量子假說，提出了能量量子化的觀點(diǎn)，打破了“能量是連續(xù)變化的”的傳統(tǒng)觀念，使人們對(duì)微觀世界有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。環(huán)節(jié)五：例題講解【例題】光是一種電磁波，可見光波長(zhǎng)的大致范圍是400~700nm。求波長(zhǎng)為400nm和700nm的電磁輻射的能量子的值各是多少？解析：求解本題的關(guān)鍵是根據(jù)已知條件求出每一個(gè)能量子的能量。這類題中數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)比較大，注意運(yùn)算當(dāng)中提高運(yùn)算準(zhǔn)確率。根據(jù)公式ν=和ε=hν可知：400nm對(duì)應(yīng)的能量子為:700nm對(duì)應(yīng)的能量子為:課后作業(yè)1、自2020年以來，“新冠肺炎”席卷全國(guó)?！靶鹿诜窝住钡牡湫桶Y狀就是持續(xù)發(fā)燒，因此測(cè)溫是“新冠肺炎”防控的重要環(huán)節(jié)。為方便測(cè)溫，人們一般使用如圖所示的額溫槍。額溫槍是通過傳感器接收紅外線，得出感應(yīng)溫度數(shù)據(jù)，使用時(shí)只要將額溫槍放于距兩眼中間部位5~6cm處，修正額頭與實(shí)際體溫的溫差便能顯示準(zhǔn)確的體溫。額溫槍測(cè)量溫度的原理是什么？原理：額溫槍是根據(jù)人體輻射紅外線的強(qiáng)度和波長(zhǎng)工作的，輻射規(guī)律與黑體相同。因?yàn)闇囟炔煌娜梭w輻射的紅外線存在差異。2、查閱資料：近幾年國(guó)際上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”的成功發(fā)射，世界上首條量子保密通信網(wǎng)“京滬干線”的建成開通，量子計(jì)算原型機(jī)“九章”的橫空出世。板書設(shè)計(jì)第1節(jié)普朗克黑體輻射理論1.黑體與黑體輻射（1）黑體、(2)黑體輻射、（3）黑體輻射的特點(diǎn)。2.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律3.能量子教學(xué)評(píng)價(jià)本節(jié)由黑體與黑體輻射、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和能量子三部分內(nèi)容組成。對(duì)黑體輻射的研究及由此引發(fā)的“紫外災(zāi)難”是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)天空中的“第二朵烏云”，然而正是在撥開這“第二朵烏云”的過程中，物理學(xué)終于迎來了量子力學(xué)的曙光。本節(jié)的重點(diǎn)是對(duì)黑