高中物理人教版 (2019)必修 第三册5 能量量子化教案

能量量子化

【教学目标】

一、知识与技能

1．了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射。

2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。

3．了解能量子的概念。

二、过程与方法

1．了解微观世界中的量子化现象。

2．比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。

3．体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

三、情感、态度与价值观

1．领略自然界的奇妙与和谐。

2．发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘。

3．体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

【教学重点】

能量子的概念。

【教学难点】

能量子的概念。

【教学过程】

一、复习提问、新课导入

教师：介绍能量量子化发现的背景：

19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声……等都遵循的规律——能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。

1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言：“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”

也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！

但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”

这两朵乌云是指什么呢？

一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。

然而，事隔不到一年（1900年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（1905年）从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。

点出课题：我们这节课就来体验物理学新纪元的到来――能量量子化。

二、新课教学

（一）热辐射

1．热辐射现象

固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现热辐射现象称为热辐射。

（1）概念：我们周围的一切物体，在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。

教师展示铁块温度升高的过程种颜色的变化：

从看不出发光到暗红到橘红到黄白色

再次举例一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯，20瓦的白炽灯是昏黄色，200瓦的白炽灯接近白色。

说明所辐射电磁波的特征与温度有关。

（2）特征：辐射强度及波长的分布随温度变化；随着温度升高，电磁波的短波成分增加。

教师强调：激光、日光灯发光不是热辐射。

（3）热辐射的主要成分：室温时，波长较长的电磁波；高温时，波长较短的电磁波。

①低温物体发出的是红外光。

②炽热物体发出的是可见光。

③高温物体发出的是紫外光。

提问：那么物体除了辐射电磁波外，还会吸收、反射外界射来的电磁波吗？

学生回答：物体会吸收、反射外界射来的电磁波。例如物体可以反射光。

2．黑体与黑体辐射

教师：除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。

概念：能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。

教师：展示黑体模型。

注意：（1）黑体是个理想化的模型。

（2）一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。

3．黑体辐射的实验规律

黑体热辐射的强度与波长的关系：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

教师：提出问题，设置疑问。怎样解释黑体辐射的实验规律呢？

在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。结果导致理论与实验规律不符，甚至得出了非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难”。

展示：瑞利—金斯线

（二）能量子

教师：利用已有的理论解释黑体辐射的规律，导致了荒谬的结果。必然会促使人们去发现新的理论。这就是能量子概念。

1900年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：，1，2，3，…，n，n为正整数，称为量子数。

对于频率为的谐振子最小能量为

这个最小能量值，就叫做能量子，为普朗克常量。

借助能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与试验符合得非常好。

年轻的爱因斯坦认识到了普朗克能量子假设的意义，他把能量子假设进行推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说，光本身就是有一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被叫做光子。

（三）能级

原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。

通常情况下，原子处于能级最低的状态，这是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁放出光子。

原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量。等于前后两个能级之差，由于原子的等级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。

二、课堂练习

1．下列叙述正确的是(    )

A．一切物体都在辐射电磁波

B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关

C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关

D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波

答案：ACD

2．关于对黑体的认识，下列说法正确的是(    )

A．黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的

B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关

C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关

D．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体

答案：C

3．红、橙、黄、绿四种单色光中,光子能量最小的是(    )

A．红光   B．橙光   C．黄光   D．绿光

答案：A