大學(xué)物理-黑體輻射-教學(xué)設(shè)計(jì)

一、授課章節(jié)及主題第十六章波粒二象性16.1黑體輻射與普朗克量子化假設(shè)二、教學(xué)目標(biāo)1.知識(shí)目標(biāo)：.了解熱輻射的定義和黑體輻射的概念；.了解經(jīng)典物理理論在說(shuō)明黑體輻射的能量分布曲線時(shí)所遇到的困難；.理解普朗克量子假設(shè)以及普朗克黑體輻射公式。.能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生分析、歸納和演繹的能力，使學(xué)生掌握必備的理論物理學(xué)中的數(shù)學(xué)模型方法及邏輯思維；.情感目標(biāo)：使學(xué)生能夠辯證地看待自然科學(xué)中的基本原理，敢于對(duì)“力學(xué)量是連續(xù)變化”這一根深蒂固的的經(jīng)典觀念提出質(zhì)疑二、教學(xué)重點(diǎn)解決黑體輻射問(wèn)題所遇到的困難，理解黑體輻射實(shí)驗(yàn)的意義。三、教學(xué)難點(diǎn)普朗克公式及普朗克的量子化概念。四、學(xué)情分析量子力學(xué)部分是一套獨(dú)立的理論體系，與之前經(jīng)典物理及相對(duì)論的學(xué)習(xí)方法完全不同，學(xué)生對(duì)量子化的概念比較陌生，學(xué)習(xí)起來(lái)較困難。所以需要利用更通俗易懂的講授方法。五、教學(xué)思路及方法本次課的教學(xué)設(shè)計(jì)思路來(lái)源于布魯姆(BenjaminBloom)的“識(shí)記、領(lǐng)會(huì)、應(yīng)用、分析、綜合、評(píng)價(jià)”的六大教學(xué)目標(biāo)。識(shí)記：對(duì)具體事實(shí)的記憶；領(lǐng)會(huì)：把握知識(shí)材料的意義，對(duì)事實(shí)進(jìn)行組織，從而搞清事物的意思；應(yīng)用：應(yīng)用信息和規(guī)則去解決問(wèn)題或理解事物的本質(zhì)；分析：把復(fù)雜的知識(shí)整體分解，并理解各部分之間聯(lián)系，解釋因果關(guān)系，理解事物的本質(zhì)；綜合：發(fā)現(xiàn)事物之間的相互關(guān)系和聯(lián)系，從而創(chuàng)建新的思想和預(yù)測(cè)可能的結(jié)果；評(píng)價(jià)：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判或選擇其他辦法。課程中我們先通過(guò)物理學(xué)關(guān)鍵概念隨時(shí)間演化的圖像，給出經(jīng)典物理遇到了前所未有的困難，也就是當(dāng)人們認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)基本建成的時(shí)候，出現(xiàn)了兩朵烏云。其中一朵烏云就是黑體輻射。于是我們提出問(wèn)題：什么是黑體輻射？黑體輻射是怎么研究的？最后怎樣解決黑體輻射問(wèn)題？這樣我們就通過(guò)啟發(fā)引導(dǎo)和問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的方式吸引學(xué)生的興趣，一步步將知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)了。這樣學(xué)生可以根據(jù)剛學(xué)過(guò)的知識(shí)對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行分析。另外也激發(fā)學(xué)生觀察其他現(xiàn)象將其與這些現(xiàn)象進(jìn)行分類綜合，從而做出正確的評(píng)價(jià)。綜上，我們通過(guò)對(duì)常見(jiàn)現(xiàn)象的分析引入本次課的內(nèi)容。講課過(guò)程中通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)、案例剖析，達(dá)到讓學(xué)生學(xué)會(huì)舉一反三、應(yīng)用所學(xué)的基本原則分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在將上一個(gè)問(wèn)題解決的同時(shí)，又引入下一個(gè)較難理解的問(wèn)題，從而引導(dǎo)學(xué)生積極思考，實(shí)現(xiàn)Bloom的六大教學(xué)目標(biāo)。七、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

引入：1900年物理學(xué)晴朗天空中的兩朵小烏云中的一朵。（2分）導(dǎo)入新課一、熱輻射（10'）采用啟發(fā)式“如何了解一個(gè)物體的輻射特征呢？”引出“熱輻射”概念。熱輻射：帶電粒子作熱運(yùn)動(dòng)（變速）輻射電磁波按波長(zhǎng)分布：?jiǎn)紊浒l(fā)射本領(lǐng)e（九,T）=%（單位表面單位波長(zhǎng)的輻射功率）d入單位表面輻射功率：與溫度有關(guān)：全發(fā)射本領(lǐng)E（T）=fe（九,T）d單位表面輻射功率：入0問(wèn)題引入式通過(guò)演化圖像引入，先抓住學(xué)生的興趣，讓學(xué)生有所感、有所思講解

問(wèn)答問(wèn)題引入式通過(guò)演化圖像引入，先抓住學(xué)生的興趣，讓學(xué)生有所感、有所思講解

問(wèn)答二、黑體模型的提出提問(wèn)：冬天為什么穿黑色衣服會(huì)暖和？回答：輻射吸收引出黑體概念，現(xiàn)實(shí)中不存在絕對(duì)黑體，引出人工黑體模型，通過(guò)Flash動(dòng)畫(huà)講解人工黑體。多媒體+講解三、黑體輻射實(shí)驗(yàn)多媒體+講解0 1 5 10A動(dòng)畫(huà)講解與推導(dǎo)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，發(fā)揮他們的思考能力通過(guò)對(duì)黑體輻射實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)背景的探究，理解黑體輻射實(shí)驗(yàn)。然后通過(guò)“先思考，后討論”，結(jié)合Flash動(dòng)畫(huà)的方式，尋找規(guī)律，推演出斯忒藩―玻爾茲曼規(guī)律（如下圖所示），并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例解釋該定律的應(yīng)用及其含義。0 1 5 10A動(dòng)畫(huà)講解與推導(dǎo)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，發(fā)揮他們的思考能力啟發(fā)式引出理論推導(dǎo)提問(wèn)：斯忒藩―玻爾茲曼的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如何用理論數(shù)學(xué)表達(dá)，方便應(yīng)用呢？啟發(fā)式引出理論推導(dǎo)引出黑體輻射實(shí)驗(yàn)的理論解釋四、黑體輻射實(shí)驗(yàn)的理論解釋：維恩公式和瑞利-金斯公式、普朗克公式1.維恩公式根據(jù)斯忒藩―玻爾茲曼規(guī)律，通過(guò)“先觀察，后討論”，結(jié)合Flash動(dòng)畫(huà)的方式，尋找規(guī)律，推演出維恩位移定律（如下圖所示），并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例解釋該定律的應(yīng)用及其含義。

一、斯-波

定律EaOff小n-dQnnok板書(shū)數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析一、斯-波

定律EaOff小n-dQnnok板書(shū)數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析綜合探究0.1O.3結(jié)論：短波（高頻）部分與實(shí)驗(yàn)符合得很好，長(zhǎng)波（低頻）部分與實(shí)驗(yàn)則明顯不一致。2.瑞利-金斯公式基于電磁理論（駐波法）和能量均分定理推演出瑞利-金斯定律板書(shū)數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析綜合探究啟發(fā)式，深入探討3.普朗克的量子化假設(shè)（15'）引入量子化假設(shè)可以解釋普朗克公式:構(gòu)成黑體的帶電諧振子的能量E不連續(xù)，只能基元能量啟發(fā)式，深入探討3.普朗克的量子化假設(shè)（15'）引入量子化假設(shè)可以解釋普朗克公式:構(gòu)成黑體的帶電諧振子的能量E不連續(xù)，只能基元能量￡=h丫的整數(shù)倍，Em=nhy,（n為量子數(shù)）e（k,T尸2;h2 1 （可推出推得：° 九5 ?呢加-1斯一波律維恩位移律板書(shū)數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析綜合探究采用經(jīng)典物理中的諧振子模型，揭示公式背后的物理意義，得到普朗克公式的提出必須要建立在能量量子化的基礎(chǔ)上。黑體可看作一組振動(dòng)的諧振子黑體內(nèi)頻率在 輻射能量密度=單位體積諧振子的個(gè)數(shù)X每個(gè)諧振子

is*-,ranDkA^nonkK3hv總結(jié)歸納習(xí)題訓(xùn)練，加深知識(shí)理解的平均能量普朗克引入了“能量子”的概念，假設(shè)黑體輻射中振子的振動(dòng)能量并不呈連續(xù)變化，而是和振子的頻率成正比并且只能取分立值普朗克的貢獻(xiàn)：變革經(jīng)典物理學(xué)，開(kāi)創(chuàng)現(xiàn)代量子論五、小結(jié)回到物理學(xué)概念與時(shí)間演化圖像，揭示量子論的誕生。六、思考題實(shí)驗(yàn)曲線T 2就fci可足老is*-,ranDkA^nonkK3hv總結(jié)歸納習(xí)題訓(xùn)練，加深知識(shí)理解的平均能量普朗克引入了“能量子”的概念，假設(shè)黑體輻射中振子的振動(dòng)能量并不呈連續(xù)變化，而是和振子的頻率成正比并且只能取分立值普朗克的貢獻(xiàn)：變革經(jīng)典物理學(xué)，開(kāi)創(chuàng)現(xiàn)代量子論五、小結(jié)回到物理學(xué)概念與時(shí)間演化圖像，揭示量子論的誕生。六、思考題實(shí)驗(yàn)曲線T 2就fci可足老Jq/二泌匕々3/中方二6,02559x10白（稱為Planck常數(shù)）用普朗克黑體犒射公式如何推導(dǎo)出維恩核移定律能量密度極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)九m與溫度T成反比入mT=b6=28977xl(T3w.^維恩位移定律本次課程主要討論的是黑體輻射定律，是課程中學(xué)習(xí)難度較大的一部分，因此堅(jiān)持“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)原則，采用“問(wèn)”、“講”和“推”的方法，讓學(xué)生積極思考，使他們?cè)谒伎贾袕?qiáng)化知識(shí)的理解與掌握。課程內(nèi)容安排合理，由淺入深，在回顧之前相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)提問(wèn)、討論等形式引出問(wèn)題，引出本課程的內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮他們的思考能力；然后以Flash動(dòng)畫(huà)與應(yīng)用案例相結(jié)合的形式解決問(wèn)題，引出本次課程的相關(guān)知識(shí)。并通過(guò)實(shí)例加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和理解，達(dá)到融會(huì)貫通。本微課程在基礎(chǔ)理論知識(shí)教學(xué)的基礎(chǔ)上，注重知識(shí)的實(shí)踐和應(yīng)用，力求理論與實(shí)踐相聯(lián)系，將原理與實(shí)際有機(jī)結(jié)合。并通過(guò)問(wèn)題的方式，引出下節(jié)知識(shí)點(diǎn)，提出了預(yù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊。八、作業(yè)布置九、教學(xué)改革和教學(xué)反思本次課程主要討論的是黑體輻射定律，是課程中學(xué)習(xí)難度較大的一部分，因此堅(jiān)持“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)原則，采用“問(wèn)”“講”和“推”的方法，讓學(xué)生積極思考，使他們?cè)谒伎贾袕?qiáng)化知識(shí)的理解與掌握。課程內(nèi)容安排合理，由淺入深，在回顧之前相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)提問(wèn)、討論等形式引出問(wèn)題，引出本課程的內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)