《13.5能量量子化》教案、導(dǎo)學(xué)案、同步練習(xí)

14/14《13.5能量量子化》教案【教學(xué)目標(biāo)】一、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。二、過程與方法1．了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。2．比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。3．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)。三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1．領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧。2．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。3．體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】能量子的概念。【教學(xué)難點(diǎn)】能量子的概念?！窘虒W(xué)過程】一、復(fù)習(xí)提問、新課導(dǎo)入教師：介紹能量量子化發(fā)現(xiàn)的背景：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。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?！币簿褪钦f：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。”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”。點(diǎn)出課題：我們這節(jié)課就來體驗(yàn)物理學(xué)新紀(jì)元的到來――能量量子化。二、新課教學(xué)（一）熱輻射1．熱輻射現(xiàn)象固體或液體，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)熱輻射現(xiàn)象稱為熱輻射。（1）概念：我們周圍的一切物體，在任何溫度下都在輻射各種波長的電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫做熱輻射。教師展示鐵塊溫度升高的過程種顏色的變化：從看不出發(fā)光到暗紅到橘紅到黃白色再次舉例一個(gè)20瓦的白熾燈和一個(gè)200瓦的白熾燈，20瓦的白熾燈是昏黃色，200瓦的白熾燈接近白色。說明所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。（2）特征：輻射強(qiáng)度及波長的分布隨溫度變化；隨著溫度升高，電磁波的短波成分增加。教師強(qiáng)調(diào)：激光、日光燈發(fā)光不是熱輻射。（3）熱輻射的主要成分：室溫時(shí)，波長較長的電磁波；高溫時(shí)，波長較短的電磁波。①低溫物體發(fā)出的是紅外光。②熾熱物體發(fā)出的是可見光。③高溫物體發(fā)出的是紫外光。提問：那么物體除了輻射電磁波外，還會(huì)吸收、反射外界射來的電磁波嗎？學(xué)生回答：物體會(huì)吸收、反射外界射來的電磁波。例如物體可以反射光。2．黑體與黑體輻射教師：除了熱輻射之外，物體表面還會(huì)吸收和反射外界射來的電磁波。不同的物體吸收和反射電磁波的能力是不一樣的。概念：能全部吸收各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體，稱為絕對(duì)黑體，簡稱黑體。教師：展示黑體模型。注意：（1）黑體是個(gè)理想化的模型。（2）一般物體的輻射與溫度、材料、表面狀況有關(guān)，但黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。3．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長的關(guān)系：隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)。教師：提出問題，設(shè)置疑問。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)熱力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律來解釋。德國物理學(xué)家維恩和英國物理學(xué)家瑞利分別提出了輻射強(qiáng)度按波長分布的理論公式。結(jié)果導(dǎo)致理論與實(shí)驗(yàn)規(guī)律不符，甚至得出了非?；闹嚨慕Y(jié)論，當(dāng)時(shí)被稱為“紫外災(zāi)難”。展示：瑞利—金斯線（二）能量子教師：利用已有的理論解釋黑體輻射的規(guī)律，導(dǎo)致了荒謬的結(jié)果。必然會(huì)促使人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)新的理論。這就是能量子概念。1900年，德國物理學(xué)家普朗克提出能量量子化假說：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，諧振子的能量并不像經(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ε這個(gè)最小能量值，就叫做能量子，h為普朗克常量。借助能量子的假說，普朗克得出了黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與試驗(yàn)符合得非常好。年輕的愛因斯坦認(rèn)識(shí)到了普朗克能量子假設(shè)的意義，他把能量子假設(shè)進(jìn)行推廣，認(rèn)為電磁場本身就是不連續(xù)的。也就是說，光本身就是有一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，這些能量子被叫做光子。（三）能級(jí)原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫做能級(jí)。通常情況下，原子處于能級(jí)最低的狀態(tài)，這是最穩(wěn)定的。氣體放電管中的原子受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊，有可能躍遷到較高的能量狀態(tài)。這些狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地向能量較低的能級(jí)躍遷放出光子。原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量。等于前后兩個(gè)能級(jí)之差，由于原子的等級(jí)是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。二、課堂練習(xí)1．下列敘述正確的是()A．一切物體都在輻射電磁波B．一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波答案：ACD2．關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()A．黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的B．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無關(guān)D．如果在一個(gè)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)表面經(jīng)多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體答案：C3．紅、橙、黃、綠四種單色光中,光子能量最小的是()A．紅光 B．橙光 C．黃光 D．綠光答案：A《13.5能量量子化》導(dǎo)學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】一、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。二、過程與方法1．了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。2．比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。3．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)。三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1．領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧。2．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.3．體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。【學(xué)習(xí)重點(diǎn)】能量子的概念。【學(xué)習(xí)難點(diǎn)】能量子的概念?！緦W(xué)習(xí)過程】一、新課學(xué)習(xí)（一）熱輻射1．熱輻射現(xiàn)象思考1：當(dāng)你坐在火爐旁時(shí)有什么感覺？為什么會(huì)有這種感覺？思考2：投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？過一會(huì)兒是什么顏色？（1）概念：我們周圍的一切物體，在任何溫度下都在輻射各種波長的電磁波，這種輻射與_______________________有關(guān)，所以叫做___________。鐵塊在加熱的過程中從______________到________到________到________。20瓦的白熾燈是________，200瓦的白熾燈________。以上都說明所輻射電磁波的特征與________有關(guān)。（2）特征：輻射強(qiáng)度及波長的分布隨________變化；隨著溫度升高，電磁波的短波成分________。激光、日光燈發(fā)光________熱輻射。（3）熱輻射的主要成分：室溫時(shí)，主要是___________________的電磁波；高溫時(shí)，主要是___________________的電磁波。①低溫物體發(fā)出的是____________；②熾熱物體發(fā)出的是____________；③高溫物體發(fā)出的是____________。思考3：那么物體除了輻射電磁波外，還會(huì)吸收、反射外界射來的電磁波嗎？2．黑體與黑體輻射不同的物體吸收和反射電磁波的能力是____________。概念：能全部吸收各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體，稱為____________，簡稱____________。注意：（1）黑體是個(gè)________________________。（2）一般物體的輻射與溫度、材料、表面狀況有關(guān)，但黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與________________________有關(guān)。3．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長的關(guān)系：隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度________________________，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長____________的方向移動(dòng)。（二）能量子1900年，德國物理學(xué)家____________提出能量量子化假說：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，諧振子的能量并不像經(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____________）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____________這個(gè)最小能量值，就叫做能量子，h為________________________。愛因斯坦認(rèn)識(shí)到了普朗克能量子假設(shè)的意義，他把能量子假設(shè)進(jìn)行推廣，認(rèn)為電磁場本身就是不連續(xù)的。也就是說，光本身就是有一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，這些能量子被叫做____________。（三）能級(jí)原子的能量是____________的。這些量子化的能量值叫做____________。通常情況下，原子處于能級(jí)____________的狀態(tài)，這是____________的。氣體放電管中的原子受到高速運(yùn)動(dòng)的電子的撞擊，有可能躍遷到____________能量狀態(tài)。這些狀態(tài)的原子是____________的，會(huì)自發(fā)地向能量____________能級(jí)躍遷放出光子，原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量。等于前后兩個(gè)能級(jí)之差，由于原子的等級(jí)是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。二、課堂練習(xí)1．下列敘述正確的是()A．一切物體都在輻射電磁波B．一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波2．關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()A．黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的B．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無關(guān)D．如果在一個(gè)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)表面經(jīng)多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體3．紅、橙、黃、綠四種單色光中,光子能量最小的是()A．紅光 B．橙光 C．黃光 D．綠光《13.5能量量子化》同步練習(xí)1.對(duì)黑體輻射電磁波的波長分布的影響因素是()A.溫度 B.材料C.表面狀況 D.以上都正確解析影響黑體輻射電磁波的波長分布的因素是溫度,故選項(xiàng)A正確。答案A2.(多選)以下宏觀概念中,哪些是“量子化”的()A.物體的帶電荷量 B.物體的質(zhì)量C.物體的動(dòng)量 D.學(xué)生的個(gè)數(shù)解析所謂“量子化”應(yīng)該是不連續(xù)的,而是一份一份的,故選A、D。答案AD3.(多選)下列敘述正確的是()A.一切物體都在輻射電磁波B.一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D.黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波解析根據(jù)熱輻射定義知A正確;根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外,還與材料種類和表面狀況有關(guān),而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān),B錯(cuò)誤、C正確;根據(jù)黑體定義知D正確。答案ACD4.(多選)對(duì)于帶電微粒輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn),以下說法正確的是()A.以某個(gè)最小能量值一份一份地輻射或吸收B.輻射或吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C.吸收的能量可以是連續(xù)的D.輻射和吸收的能量是量子化的解析帶電微粒輻射和吸收能量時(shí)是以最小能量值ε的整數(shù)倍一份一份地輻射或吸收,是不連續(xù)的。答案ABD5.一個(gè)氫原子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),該氫原子()A.吸收光子,吸收光子的能量等于兩能級(jí)之差B.吸收光子,能量減少C.放出光子,能量增加D.放出光子,能量減少解析氫原子能級(jí)越高對(duì)應(yīng)的能量越大,當(dāng)氫原子從較低能級(jí)向較高能級(jí)躍遷時(shí)吸收光子,能量增加,吸收光子的能量等于兩能級(jí)之差,A正確,B、C、D錯(cuò)誤。答案A6.影響黑體輻射強(qiáng)度的因素是()A.只有溫度 B.只有波長C.與波長和溫度都有關(guān) D.與波長和溫度都無關(guān)解析黑體輻射與波長和溫度都有關(guān)系,故C正確。答案C7.能正確解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是()A.能量是連續(xù)的經(jīng)典理論B.普朗克提出的能量量子化理論C.以上兩種理論體系任何一種都能解釋D.牛頓提出的能量微粒說解析根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,隨著溫度