1.量子概念的诞生 (2)

1、 19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家威廉.汤姆生(即开尔文男爵)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道:动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，历史的困惑：近代物理学中的两朵乌云 第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。威廉.汤姆生在1900年4月曾发表过题为19世纪热和光的动力学理论上空的乌云的文章。 他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说

2、相矛盾; 迈克尔逊莫雷实验，是依据经典物理的理论，试图通过采用光的干涉方法证实“以太”存在的一项著名的物理实验。这项实验由于没有达到预期的目的，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个发端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。这项实验工作，是由一位名叫迈克尔逊的美国年轻科学家于1881年在德国开始搞起来的。 美国物理学家迈克耳逊(后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者)和莫雷共同所做的企图证明“以太”存在的实验。以前人们认为光是由无质量、绝对静止的“以太”这种媒质传播的。 由于地球在运动，所以在地面上做实验，向不同方向发出的光线的传播速度应不同。迈克耳逊和莫雷在1887年用精确度很高的干涉

3、仪多次测定，得到的光速大小均相同，从而确立了“光速不变原理”；并为进一步实验否定以太的存在奠定了基础。( 迈克尔逊-莫雷实验在经典物理大厦的地下室找到了现代物理的入口) 这一否定结果引起物理学界的震惊，让人不得不认识到“以太风”根本不存在。实验的结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此确定了光速不变原理，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个发端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。 迈克尔逊和莫雷测定“以太漂移速度”的实验虽然“失败”了，但却创造了一种精密度可达四亿分之一的测长仪器。迈克尔逊因在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的基本量度”研究工作中的卓著成绩，荣获19

4、07年诺贝尔物理学奖 他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的紫外灾难最为突出。 开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家，是一位颇有影响的物理学权威，他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况，反映了当时物理学界的主要思潮。第一节 量子概念的诞生课标解读课标解读1 热辐射（1）定义：一切在物体都辐射电磁波，而且温度不同时，物体发出的电磁波的波长（频率）、强度也不同这种辐射与物体的温度高低有关，所以叫热辐射物体发生热辐射不只与温度有关，还与材料种类、表面状况有关.2 、黑体（1）定义：如果

5、某种物体完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体（2）说明：黑体是为研究热辐射而假想的一个理想化模型；物体看作黑体的条件是它能吸收所有其它物体的发出的电磁波且不反射；或者当物体的辐射很强时，可以认为其它物体难以将其电磁波反射回来，也可当成黑体如一些发光体1、黑体并不一定是个黑色的物体，黑体是个理想化的模型，就象质点模型一样2、当黑体由于自身有很强的辐射时，看起来很明亮比如，太阳为气体星球，可以认为射向太阳的电磁辐射很难被反射回来，所以认为太阳是个黑体（绝对黑体是不存在的） （3）黑体模型：在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会发 生很多次的反

6、射用空腔上的小孔近似地代替黑体（4）黑体、黑洞和太阳黑子黑洞是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种超高密度天体，由于类似热力学上它是完全不反射光线的黑体，故名为黑洞3、 黑体辐射：（1）定义：绝对黑体（简称黑体）的热辐射，只与黑体温度高低有关1黑体的特点是吸收所有的入射电磁波不反射，但它可以辐射电磁波；而且它的辐射只与温度高低有关 2黑体辐射实验曲线的峰值随温度 “升高且左移” （即向短波移）随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。较短波长的成分增加 同一温度辐射各个波长的电磁波（2）实验规律：黑体辐射的强度随温度的升高，各波长（频率）的辐射都增加；背景一 19世纪，由于冶金以

7、及照明设备制造等的需要，人们急需找到黑体辐射强度和辐射频率的关系。1889年卢默与鲁本斯通过研究空腔辐射得出了黑体辐射光谱的实验数据。但是，单使用实验数据找对应点的方法十分不便，于是，人们开始了寻找一般的公式。形成二 1900年，瑞利根据经典统计力学推出了一个公式，1905年，金斯修正了瑞利辐射公式中的一个数值错误，以后，此公式被称为瑞利-金斯公式(如图)。 其中，w(,T) 为辐射的能量密度，k是波尔兹曼常数，c为真空中的光速,T是热力学温度。 可以看出，w在趋向于无穷大时趋向于无穷大，这于实验数据相违背。 1911年，奥地利物理学家埃伦费斯特用紫外灾难来形容经典理论的困境黑体辐射实验是物理

8、学晴朗天空中 一朵令人不安的乌云。经典理念共同特点：物理量的连续性经典理论在微观领域的失败4 、普朗克的量子化假设（1）能量子：振动的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，这个最小的能量值叫能量子(当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量 值为单位一份一份地辐射或吸收）（2）能量子的公式： h =Hc/ 是电磁波的频率（微观适用），h 是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为h=6.62610-34J.s.电磁波的能量可用En 表示，n为能量子的个数.（3）能量的量子化：在微观世界中能量是不能连续变化的，只能取分离的值，这种现象叫能量的量子化（微观粒子的能量是分立的）1自然界量子化

9、的现象并不偶然比如带电体的电量就是量子化的，它的最小单位为e，叫元电荷2光是电磁波，光的能量子叫光子，由能量子公式可知，频率大的色光（紫）光子能量大3同一频率的电磁波的能量大，是因为能量子的数量大的结果5、量子化假设的实验证实（1）许多科学家（代表有德国维恩和英国瑞利、金斯）用宏观能量的观点推导的公式无法完整解释黑体辐射实验规律频率由低到高依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫能力突破例1.（江苏物理）下列叙述中正确的是（ ）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【解析】一般物体

10、的热辐射与温度、材料、表面状况有关，黑体是为了忽略热辐射的次要因素而假想的一个模型，它的热辐射只与温度有关所以，ACD正确ACD例2. 下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是 （）【解析】黑体辐射曲线随温度升高“峰升左移” 选A A B C D【点评】黑体辐射强度与波长关系曲线反映了黑体辐射与温度变化的关系A例3. 光是一种电磁波，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10-18J，已知可见光的平均波长为60m，普朗克常量h=6.6310-34Js则进入人眼的光子数至少为（）A.1个B.3个C.30个D.300个【点评】能量子的假想为我们探索微观世界开辟了新的道路D例4.（北京物理）“约瑟夫森结”由超导体和绝缘体制成。若在结两端加恒定电压U，则它会辐射频率为的电磁波，且 与U成正比，即 kU已知比例系数K 仅与元电荷e的2倍和普朗克常量h有关你可能不了解此现象的机理，但仍可运用物理学中常用的方法，在下列选项中，推理