寧夏回族自治區(qū)銀川市六盤山高級(jí)中學(xué)高中物理人教版選修3-5課件第十七章波粒二象性第1節(jié)能量量子化（共31張）

物理選修3-5第十七章

波粒二象性第1節(jié)能量量子化

物理學(xué)的發(fā)展階段時(shí)期發(fā)展階段主要研究方法及特點(diǎn)17世紀(jì)以前經(jīng)驗(yàn)物理直覺觀察與哲學(xué)的猜想思辨17世紀(jì)初至19世紀(jì)末經(jīng)典物理觀察實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)20世紀(jì)初至今現(xiàn)代物理研究對(duì)象由低速到高速、由宏觀到微觀，物理學(xué)思想產(chǎn)生重大變革1900年，在英國(guó)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?！?.....

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？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。黑體輻射邁克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)1900年1905年量子論相對(duì)論長(zhǎng)江后浪推前浪，浮事新人換舊人。背景知識(shí)電磁波波速、波長(zhǎng)、頻率的關(guān)系1.在火爐旁邊有什么感覺？2.投在爐中的鐵塊開始是什么顏色？過一會(huì)有是什么顏色?（觀看視頻）思考與討論1400K1200K固體在溫度升高時(shí)顏色的變化800K1000K一切物體（溫度）電磁波定義：內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁能一、熱輻射特點(diǎn)：本質(zhì)：拓展：物體表面還會(huì)吸收和反射電磁波輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同新課講授室溫波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波高溫波長(zhǎng)較短的電磁波經(jīng)典理論對(duì)熱輻射現(xiàn)象的解釋：熱輻射是由大量帶電粒子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的。物體中每個(gè)分子、原子或離子都在各自平衡位置附近以各種不同頻率作無(wú)規(guī)則的微振動(dòng)，每個(gè)帶電微粒的振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，從而向外輻射各種波長(zhǎng)的電磁波，形成連續(xù)的電磁波譜。常見的熱輻射現(xiàn)象任何物體任何溫度均存在熱輻射蠟燭、酒精燈的外焰、內(nèi)焰顏色與溫度有什么關(guān)系？淡黃溫度低明亮溫度高？思考與討論生活經(jīng)驗(yàn)：

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：激光日光燈發(fā)光不是熱輻射。

一座建設(shè)中的樓房還沒安裝窗子，室內(nèi)已經(jīng)粉刷為白色，如果從遠(yuǎn)處看，把窗內(nèi)的亮度與樓房外墻的亮度相比，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？想一想為什么？觀察與思考1、完全吸收；2、各種；3、黑洞？二、黑體與黑體輻射定義：能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體就是絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。理解：新課講授用不透明材料制成一空心容器，壁上開一小孔，可看成絕對(duì)黑體。幾點(diǎn)說明：①黑體是個(gè)理想化的模型。例：開孔的空腔，遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。②對(duì)于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。③一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(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)。物體溫度材料種類表面情況熱輻射黑體輻射結(jié)論：黑體輻射反映某種更具普遍意義的客觀規(guī)律。輻射的客觀規(guī)律是什么？0123456λ/μm1700K1500K1300K1100K輻射強(qiáng)度黑體輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.T升高，輻射強(qiáng)度增加2.T升高，輻射強(qiáng)度極值向短波方向移動(dòng)新課講授o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線12345678新課講授黑體輻射規(guī)律的理論解釋紫外災(zāi)難1900年普朗克假設(shè)：

振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。

E=ne

n=1、2、…

（e叫能量子，簡(jiǎn)稱量子，n為量子數(shù)，它只取正整數(shù)——能量量子化）

能量子

ε=hυ

普朗克常量h=6.626×10-34J·s四、能量子：牛頓以來(lái)物理學(xué)的最偉大發(fā)現(xiàn)之一新課講授

諧振子只能以這個(gè)最小能量值為單位，一份一份按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。λ(μm)123568947普朗克實(shí)驗(yàn)值普朗克的黑體輻射公式普朗克線關(guān)于連續(xù)與分立（量子化）

變化的最小份額稱為量子。量子化是微觀體系基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之一，它與經(jīng)典力學(xué)是不相容的。

以下宏觀概念中，哪些是量子化的？A.物體的長(zhǎng)度B.物體所受的重力C.物體的動(dòng)能D.人的個(gè)數(shù)能量量子化的意義：

普朗克拋棄了經(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意值的舊觀點(diǎn)，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)的方式進(jìn)行的新觀點(diǎn)。

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)研究新局面，標(biāo)志著人類對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。他的墓碑上只刻著他的姓名和

普朗克后來(lái)又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念深感不安，他對(duì)兒子說，自己的發(fā)現(xiàn)“要么是荒誕無(wú)稽的，要么也許是牛頓以來(lái)物理學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一?！蔽锢韺W(xué)后來(lái)的發(fā)展表明，普朗克把能量子引入物理學(xué)，正確地破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，成為新物理學(xué)思想的基石之一。1918年普朗克因此榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

科學(xué)的歷史不僅是一連串事實(shí)、規(guī)則和隨之而來(lái)的數(shù)學(xué)描述，它也是一部概念的歷史。當(dāng)我們進(jìn)入一個(gè)新的領(lǐng)域時(shí)，常常需要新的概念。

——普朗克聯(lián)想根據(jù)物理課本知識(shí)，物體的所帶電量是基本電荷的整數(shù)倍，但現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)：有的基本粒子所帶電量是基本電荷的分?jǐn)?shù)倍。普朗克提出了能量是最小能量hν的整數(shù)倍，那么該最小能量還能再分嗎？如果能分，又是按怎樣的規(guī)律分呢?問題1:既然燈向外輻射的光能是分立的、一份份的。為何我們看不到燈的亮度發(fā)生變化？問題2:既然一杯開水向外輻射的能量是分立的、一份份的。為何我們看到溫度計(jì)的示數(shù)不是一段一段的降低呢？思考與討論問題3:既然一杯開水向外輻射的能量是分立的、一份份的。為何我們看到溫度計(jì)的示數(shù)不是一段一段的降低呢？結(jié)論：1、在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)我們可以認(rèn)為：物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化2、在研究微觀粒子時(shí)必需考慮能量量子化新的物理難題：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.Thomson發(fā)現(xiàn)了電子，此時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到那就是從金屬表面射出的電子，后來(lái)，這些電子被稱作光電子。物理學(xué)中將這種效應(yīng)叫做光電效應(yīng)。人們本著對(duì)光的完美理論（光的波動(dòng)性、電磁理論）進(jìn)行解釋會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？【例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(zhǎng)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(zhǎng)的電磁波鞏固練習(xí)【例2】煉鋼工人通過觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色，就可以估計(jì)出爐內(nèi)的溫度，這是根據(jù)什么道理?[答案]根據(jù)熱輻射的規(guī)律可知，當(dāng)物體的溫度升高時(shí)，熱輻射中較短波長(zhǎng)的成分越來(lái)越強(qiáng)，可見光所占份額增大，溫度越高紅光成分減少，頻率比紅光大的其他顏色的光，為橙、黃、綠、藍(lán)、紫等光的成分就增多。因此可根據(jù)爐內(nèi)光的顏色大致估計(jì)爐內(nèi)的溫度。鞏固練習(xí)【例3】對(duì)應(yīng)于3.4×l0-l9J的能量子，其電磁輻射的頻率和波長(zhǎng)各是多少？它是什么顏色？解：根據(jù)公式ε=hν和ν=c/λ得

ν=ε/h=5.13×1014Hz

λ=c/ν=5.85×10-7Hz

5.13×10-14Hz的頻率屬于黃光的頻率范圍，它是黃光，其波長(zhǎng)為5.85×l0-7m。鞏固練習(xí)能量量子化:物理學(xué)的新紀(jì)元1900年12月14日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論文，宣告了量子的誕生。那一年他42歲。

為我們打1900年，愛因斯坦(AlbertEinstein)從蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)(ETH)畢業(yè)。5年后他受