电磁波波粒二象性教材分析稿首师附中杜以梅

1、海淀区高二年级教材分析1感谢：首师附中范鸿飞、任伟然老师十一学校秦剑云老师北理工附中吴静老师首师大育新学校 陶红老师2知识结构：知识的来龙去脉？科学家认识电磁波、波粒二象性的方法思维结构：思维操作的方法？示范性操作和训练笔记上记什么？认知结构：如何顺利形成学生的认知结构？关键词：形象化+逻辑性注重三个结构的建立：3教材对比课时安排教学设计教材要求几点想法4一、教材要求5（1）初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想以及在物理学发展史上的意义。（2）了解电磁波的产生。通过电磁波体会电磁场的物质性。（3）了解电磁波的发射、传播和接收。例1 演示赫兹实验（4）通过实例认识电磁波谱，知道光是电磁波（5）了

2、解电磁波的应用和在科技、经济、社会发展中的作用。电磁波课程标准的要求6电磁波课程标准的活动建议（1）通过自学、查找资料和访问，了解移动通信的原理。调查当地移动通信的发展情况。（2）进行市场调查，列举家用电器和生活用品中与红外线、紫外线有关的应用实例。7（1）了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。（2）通过实验了解光电效应。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。（3）了解康普顿效应。（4）根据实验说明光的波粒二象性。知道光是一种概率波。（5）知道实物粒子具有波动性。知道电子云。初步了解不确定性关系。（6）通过典型事例了解人类直

3、接经验的局限性。体会人类对世界的探究是不断深入的。 例1 通过电子衍射实验，初步了解微观粒子的波粒二象性，体会人类对于物质世界认识的不断深入。波粒二象性课程标准的要求8波粒二象性课程标准的活动建议阅读有关微观世界的科普读物，写出读书体会量子物理史话曹天元著9十二、光的本性和近代物理内 容( 2009)要求内 容( 2010)要求 94光本性学说的发展简史98光谱和光谱分析红外线、紫外线、X射线、射线以及它们的应用光的电磁本性电磁波谱99光电效应光子爱因斯坦光电效应方程100光的波粒二象性物质波78光谱和光谱分析红外线、紫外线、X射线、射线以及它们的应用光的电磁本性电磁波谱79能量量子化光电效应

4、光子爱因斯坦光电效应方程80光的波粒二象性光是概率波81粒子的波粒二象性物质波82不确定性关系考纲要求10要求并不高，属于了解和认识的认知层次。增加知识点（3个）：79能量量子化80光是概率波82不确定性关系考纲中知识点变化：1114.对于红、黄、绿、蓝四种单色光，下列表述正确的是在相同介质中，绿光的折射率最大红光的频率最高在相同介质中，蓝光的波长最短黄光光子的能量最小【题型示例2010北京】14C 1215类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习效率。在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处。某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是

5、A机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用B机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象C机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播D机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波【题型示例2009北京】15.D1313.下列说法正确的是A.用分光镜观测光谱是利用光折射时的色散现象B.用X光机透视人体是利用光电效应C.光导纤维舆信号是利用光的干涉现象D.门镜可以扩大视野是利用光的衍射现象【题型示例2008北京】答案：A1414、下列说法正确的是A、太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应B、汤姆生发现电子，表明原子具有核式结构C、一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的波

6、长太短D、按照波尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，原子总能量增加【题型示例2007北京】答案：D15要求：了解和认识题目设置的主要情景：宏观的描述对比电磁波与机械波、现象的分析一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的波长太短对于红、黄、绿、蓝四种单色光黄光光子的能量最小考点特点：16二、教材对比17电磁波新旧教材对比人教版（新）北师大版1、电磁波的发现2、电磁振荡3、电磁波的发射和接收4、电磁波与信息化社会5、电磁波谱1、电磁场和电磁波2、无线电波的发射和接收3、雷达、传真、电视18电磁波人教版和教科版的对比人教版教科版1、电磁波的发现

7、2、电磁振荡3、电磁波的发射和接收4、电磁波与信息化社会5、电磁波谱1、电磁振荡2、电磁场和电磁波3、电磁波谱 电磁波的应用4、无线电波的发射和接收19波粒二象性新旧教材对比人教版（新）“波粒二象性”北师大版“光的粒子性”1、物理学的新纪元：能量量子化2、科学的转折：光的粒子性3、崭新的一页：粒子的波动性4、概率波5、不确定性关系1、光电效应 光子2、光的波粒二象性3、不确定关系20波粒二象性人教版/教科版的对比人教版教科版1、物理学的新纪元：能量量子化2、科学的转折：光的粒子性3、崭新的一页：粒子的波动性4、概率波5、不确定性关系1、量子概念的诞生2、光电效应与光量子假说3、光的波粒二象性4

8、、实物粒子的波粒二象性5、不确定关系21电磁波：共4课时每节1课时共4课时波粒二象性：共5课时第1节能量量子化：物理学的新纪元1学时第2节 科学的转折：光的粒子性 2学时第3节 崭新的一页：粒子的波动性 1学时第4节 概率波 0.5学时第5节 不确定关系 0.5学时三、课时安排22四、教学建议23从学生老师眼中的波粒二象性问题谈起高考要求低，激发学生兴趣，拓宽视野。243414电磁波第一节电磁波的发现25学生问题电磁波的发现：生活中无处不在却直接看不见摸不着。涉及专业知识较多，只能简化、定性研究。知识间彼此孤立，只见树叶不见森林。最后成了背诵。策略：引入学生生活体验用实验贯穿知识讲授过程把握学

9、史，梳理知识脉络，方便学生背诵26学史主线：人类对于电磁现象的认识历程把握本节在物理学发展史上的地位27 感受生活中的电磁波现象1：开灯、关灯或电吹风的开启，电视屏幕出现干扰。现象2：手机来电时，收音机出现杂音，电脑显示器出现波动。感受生活中的电磁波从学生生活经验引入28以实验贯穿知识讲授过程结论1：变化的磁场可以产生电场演示实验一感生机制增大29以实验贯穿知识讲授过程实验二：（麦克斯韦的猜想）预言基础：电、磁联系，对称性思想结论2：变化的电场可以产生磁场iiE30根据当时的电场和磁场理论，结合自己的假设推导出著名的麦克斯韦方程组介绍麦克斯韦方程组31麦克斯韦电磁理论的必然结果变化的磁场变化的

10、电场思考：非均匀变化的磁场（或电场）产生怎样的电场（或磁场）呢？32周期性变化的磁场产生了周期性变化的电场，这个周期性变化的电场又产生了周期性变化的磁场，于是变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播，就形成了电磁波。麦克斯韦的预言1形象化的图景方便学生的记忆33电磁波的电场强度与磁感应强度相互垂直，而且二者均与传播方向垂直电磁波是横波。麦克斯韦的预言234电磁波在真空中的传播速度等于c。所以麦克斯韦认定光的本质就是电磁波。麦克斯韦的预言335高压感应圈捕捉电磁波的人赫兹在麦克斯韦去世7年后的1886年 ，他的学生赫兹首次在实验室中完成了电磁波的发射和接收实验。证实了麦克斯韦的预言。

11、赫兹18571894麦克斯韦预言的证实赫兹36实验：捕捉电磁波电磁波的发射和接收观察实验现象：改变天线长度改变天线方向改变电容器电容听噪音听音乐信号37第一条线：人类对于光的认识历程383414电磁波第二节 电磁振荡39难点：物理量多且彼此关联，难于把握。分析思维长度较长。策略：淡化处理教师帮助学生梳理好物理量之间的关系训练学生的程序化操作过程学生主要问题：40教师准备1：整理LC振荡电路相关物理量电容器带电量 Q电容器电压电容器内部电场强度电场能量 取决于电流强度电流强度 磁感应强度 B 取决于电流强度磁场能量 取决于电流强度振荡周期41电流或电压为何正余弦变化及周期表达式教师准备2：电流和

12、电荷的关系：正弦和余弦电流最大时电荷量为00it0qt421、电路中的能量电容器充电电容器放电储存电场能释放电场能转化为热(内能)电容器充电转化为磁场能电容器放电ii储存电场能释放电场能432、电路中的电流（1）电容器放电释放电场能转化为热(内能)转化为磁场能电容器放电ii释放电场能442、电路中的电流（2）转化为热(内能)转化为电场能电容器充电i释放磁场能45t=0t=T/4 it=T/2t=3T/4 it=T电流为零 电量最大电场能最大 磁场能为零电流最大 电量为零电场能为零 磁场能最大电流最大 电量为零电场能为零 磁场能最大电流为零 电量最大电场能最大 磁场能为零电流为零 电量最大电场能

13、最大 磁场能为零0it0qt电磁振荡的产生46例题：题目中的B为实际电流产生的磁场由 B 的方向确定 i 方向因为 i 的指向电容器正极板给电容器充电磁场能电场能 i Q由 B 的方向确定 i 方向因为 i 的指向电容器负极板电容器放电磁场能电场能 i Q QQ 47演示实验：48电磁振荡的周期和频率 T:周期，秒sf:频率，赫兹HzL:电感，亨利HC:电容，法拉F49减幅（阻尼）振荡LC振荡电路工作时，由于电阻的电流产生热量，且电路会不断向周围空间辐射电磁波，因此振荡的能量会逐渐减少，振幅逐渐减小，直至停止。等幅（无阻尼）振荡如果能够适时适量地为其补充能量，就能够得到振幅不变的等幅振荡。减幅

14、（阻尼）振荡和等幅（无阻尼）振荡0itit减幅振荡等幅振荡503414电磁波第三节 电磁波的发射和接收51难点：涉及专业知识多，难于把握。课本与生活实际难以联系，学生没有兴趣策略：通过实验普及基本知识找到课本与生活的联系点学生主要问题：52要有效地向外发射电磁波，对振荡电路的要求：(1)振荡频率足够高，振荡电路辐射电磁波的能量与频 率的4次方成正比；(2)振荡电路的电场和磁场尽可能分散到尽可能大的空间，采用开放电路；(3)振荡电路的天线的长度与发射电磁波的波长相差不多。电磁波的发射53思考：人耳能听到的声音信号的频率范围？020000Hz衰减很快你理解下面字母数字的含义吗？北京外语广播AM7.

15、74北京交通广播FM103.93、调制：P83AM：调幅（amplitude modulation）FM：调频（frequency modulation）7.74106Hz是外语广播台发射的载波频率103.9106Hz是交通广播台发射的载波频率 54字母数字的含义？北京外语广播AM7.74774106Hz是外语广播台发射的载波频率北京交通广播FM103.9103.9106Hz是交通广播台发射的载波频率调幅、调频、调制有何区别？AM：调幅（amplitude modulation）FM：（frequency modulation）生活熟知的事物引入55调制器L1振荡器L2电磁波的调制调制是将需要

16、传送的信号加载到载波信号中的过程56高频低频实验：电磁波的调制与解调57示波器：输入300Hz 示波器：输入3000Hz 示波器：输入3003000Hz 示波器：输入3003000Hz 示波器并联0.2F的电容实验：电磁波的调制与解调示波器：无信号输入58 示波器：输入30030000Hz 示波器：输入30030000Hz 示波器并联0.2F的电容实验：电磁波的调制与解调59无线电波的波段波段波长（m）频率（MHz）传播方式主要用途长 波3000030000.010.1地波超远程通信 导航中 波30002000.11.5地波和天波中 短 波200501.56天 波调幅（AM）广播 电视 通信短

17、 波5010630微波米 波（VHF）10130300近似直线传播调频（FM）广播电视 通信分 米 波（UHF）10.13003000直线传播电视 雷达 导航厘 米 波0.10.01300030000毫 米 波0.010.00130000300000无线电波的波段60示波器高频低频发射与接受空中有很多电磁波，如何从众多的电磁波中接收到你想要的电磁波？61示波器如何有选择的接收电磁波高频低频高频低频“选台”改变电容C。“波段转换”改变电感L。62演示实验：调制、发射和接收电磁波63无线电波的波段无线电波的波段波段波长（m）频率（MHz）传播方式主要用途长 波3000030000.010.1地波超

18、远程通信 导航中 波30002000.11.5地波和天波中 短 波200501.56天 波调幅（AM）广播 电视 通信短 波5010630微波米 波（VHF）10130300近似直线传播调频（FM）广播电视 通信分 米 波（UHF）10.13003000直线传播电视 雷达 导航厘 米 波0.10.01300030000毫 米 波0.010.0013000030000064654电磁波与信息化社会66难点：要求低，范围广，涉及较多的专业知识策略：给学生思考题自学结合学生关心的问题给予一定点拨问题：67古代通信击鼓烽火旗语信鸽电磁波与信息的传递68 美国画家莫尔斯在1832年开始对电磁现象发生了兴

19、趣。在1835年，他的第一台电报机问世。之后他发明了莫尔斯电码。 1843年，莫尔斯修建成了从华盛顿到巴尔的摩的电报线路，全长64.4公里。 1844年5月24日，在座无虚席的国会大厦里，莫尔斯用他那激动得有些颤抖的双手，操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机， 向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报：“上帝创造了何等奇迹！”电报的发明塞缪尔莫尔斯1791-1872 691886年，赫兹通过闪烁的火花，第一次证实了电磁波的存在，但他却断然否定利用电磁波进行通信的可能性。他认为，若要利用电磁波进行通信，需要有一个面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜，显然这是不可能的。电磁波的发现赫兹1857189470

20、无线电报的发明赫兹发现电磁波的消息传到俄国，波波夫被强烈地吸引住了。他兴奋地说：“用我一生的精力去装设电灯，对广阔的俄罗斯来说，只不过照亮了很小的一角；要是我能指挥电磁波，就可以飞越整个世界！”1894年，波波夫制成了一台无线电接收机，他第一次在接收机上使用了天线。1896年，波波夫成功地用无线电进行莫尔斯电码传送，距离为250米，电文内容为：“海因里斯赫兹”。波波夫1859190671 美国人巴纳特史特波斐德经过十几年不懈努力，于1902年在肯塔基州穆雷市进行了第一次无线电广播。他们在穆雷广场放好话筒，由巴纳特史特波斐德的儿子在话筒前说话、吹奏口琴，他在附近的树林里放置了5台矿石收音机，均能

21、清晰地听到说话和口琴声，试验获得了成功。之后又在费城进行了广播，并获得了专利权。现在，州立穆雷大学仍树有“无线电广播之父巴纳特史特波斐德”的纪念碑。 1906年12月24日圣诞节前夕，晚上8点左右，由美国物理学家费森登主持和组织的人类历史上第一次无线电广播。这套广播设备是由费森登花了4年的时间设计出来的，包括特殊的高频交流无线电发射机和能调制电波振幅的系统，从这时开始，电波就能载着声音开始展翅飞翔了。无线电广播72 约翰洛吉贝尔德是英国电器工程师，研制电视的先驱。 1924年，贝尔德用收集到的旧收音器材、霓虹灯管、扫描盘、电热棒和可以间断发电的磁波灯和光电管等，做试验来传送图像。经过上百次的试

22、验后，1925年10月2日清晨，他终于从另一个房间的映像接收机里，清晰地收到了比尔一个表演用的玩偶的脸。1928年春，贝尔德研制出彩色立体电视机，成功地把图像传送到大西洋彼岸，成为卫星电视的前奏。 电视约翰洛吉贝尔德1888194673摄像管和显像管显像管显像管的电子束也在屏幕上扫描，扫描的方式与步调与摄像管的扫描同步，同时，显像管电子枪发射的电子束的强弱受图象信号的控制。电子束把一幅图象按照各点的明暗情况，逐点变为强弱不同的信号电流，通过天线把带有图象信号的电磁波发射出去74电视广播的发射与接收全过程示意图低频电信号高频载波信号调制发射接收_调谐解调检波还原75移动电话交换网固定电话交换网移

23、动电话76Internet互联网77微 波 炉78电 磁 炉79电磁波的危害80思考：如何正确使用手机？手机与基站建立联系时辐射最强拨号时未接通前接电话响铃之前发送短信时接到短信之前81 5 电磁波谱82问题：要求低，但需要记住的内容较多，很容易混淆策略：如果问题引导学生看书引入学生生活体验梳理知识脉络学生问题83按照波长增大排序？波长与频率的关系？各种电磁波谱的波长？特性？应用？任务驱动：84 将电磁波按波长或频率大小的顺序排列成谱，叫做电磁波谱。700nm400nm电磁波谱85无线电波波长：1mm特性：波长长，易衍射应用：通信、广播、信号传输、用射电望远镜接收天体辐射的无线电波进行天体研究

24、。无线电波美国阿雷西博天文台世界上最大单面口径射电望远镜直径350米86红外线波长：（1mm,10-6m)特性：一切物体都发射红外线，越热红外辐射越强应用：夜视仪红外摄影红外遥感87红外线卫星云图88行星状星云NGC 7027的红外线照片89红外线：遥控器90红外线生命探测器红外线遥感探测技术无线数码遥控技术利用人体所产生的微弱红外线而触发。91它是一种红外线发射、接收器件，内部包含红外线发射、接收及信号放大与处理电路，能够以非接触的形式检测出前方一定范围内的人体或物体。应用于各种自动检测、报警和控制等装置中。如：光电计数器，接近式照明开关，自动干手器，自控水龙头，感应门铃，倒车告警电路红外线

25、反射型检测传感器92响尾蛇导弹 红外装置可以引导导弹追踪热的目标93行星状星云NGC 7027的红外线照片94可见光：波长：（400nm,700nm)95阅读P93：“天际霞光入水中，水中天际一时红。”“两个黄鹂鸣翠柳，一行白鹭上青天。”描写的天色有什么不同？为什么不同？可见光96波长：（5nm,370nm)特性：能量高，可以破坏细胞核中的物质应用：杀菌荧光促进钙的吸收，过量危害眼睛和皮肤紫外线97波长：X射线：1010m特性：穿透物质引起病变应用：X透视、CT行李箱安检X射线98美国机场“裸检”利用X光技术,可以 “一眼看穿”乘客身体隐藏的物品或者粉末状炸药99波长：1012m特性：能量高，

26、破坏生命物质应用：放疗金属内部探伤射线100电磁波能量电磁波能传递能量。电磁波是一种物质。举例说明电磁波有能量。101太阳辐射在黄绿光附近，辐射能量最强，我们的眼睛正好对这个区域的电磁辐射最敏感。102小结：电磁波谱无线电波红外线可见光紫外线伦琴射线射线发现德国物理学家赫兹英国物理学家赫谢耳德国物理学家里特德国物理学家伦琴机理自由电子的周期性运动原子的外层电子受到激发原子的外层电子受到激发原子的外层电子受到激发原子的内层电子受到激发原子核受到激发产生振荡电路一切物体都在发射红外线一切高温物体发出的光中都含有紫外线高速电子流射到某些固体上特征热作用衍射现象比较显著较强的化学作用穿透物质的本领较强

27、应用红外线遥感加热远距离摄影荧光杀菌治疗合成VD探伤 透视1033-5-17 波粒二象性104增添：黑体辐射，紫外灾难，能量量子化；康普顿效应。本章根据科学发展的历史脉络展现了人们认识微观粒子的波粒二象性的过程。教材特点：105更像一个传奇，由一个不起眼的线索开始，曲径通幽，渐渐落英缤纷，乱花迷眼。正没个头绪，突然峰回路转，天地开阔，百川入海，一泄汪洋。然而还未来得及一览美景，转眼又直落九天误入白云深处不知归路我们看到物理学大厦在狂风暴雨下轰然坍塌，一路在荆棘和沼泽中艰难的走来，又在熊熊烈焰中得到洗礼和重生。关于光的本性认识：106“这是最好的时代，这是最坏的时代；这是智慧的时代，这是愚蠢的时

28、代；这是信仰的时期，这是怀疑的时期；这是光明的季节，这是黑暗的季节；这是希望之春，这是失望之冬；人们面前有着各样事物，人们面前一无所有；人们正在直登天堂，人们正在直下地狱。”狄更斯双城记107光速不变黑体辐射 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W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”晴朗天空中的两朵乌云天边的两朵乌云108两朵乌云引发的新纪元黑体辐

29、射量子物理光的速度相对论109第1节 物理学的新纪元：能量量子化110问题：对于黑体、黑体辐射和能量子的概念的理解。高中阶段无法讲清普朗克如何推出更优于维恩和瑞利的方程，方程又如何蕴含了能量子的概念，学生最后只是记住了一个方程。策略：记住方程就好！普朗克墓碑上只有一个常数。尽量还原物理历史过程。抽象概念形象化。问题：111能量量子化普朗克粒子性波动性普朗克常量知识脉络：人类对于光的认识历程112阅读课本回答下列问题什么是热辐射？温度越高热辐射中成分有何变化？衣服为什么会显示不同颜色?加了钠盐的酒精灯为什么会显示黄色？什么是黑体？黑体辐射有什么特性？为什么要研究黑体？问题113*铁水在温度升高时

30、颜色的变化1400K800K1000K1200K注：“K”是开氏温标（T）的单位。与摄氏温标（t）的换算方法是：T=t+273一切物体都在不断地向外辐射电磁波。在室温条件下：辐射波长较长的电磁波（红外线）；在高温条件下：辐射波长较短的电磁波成分较多。在温度升高过程中，辐射中短波成分增强。物体的热辐射114衣服颜色：反射光频率蓝色衣服：吸收其他颜色光，反射蓝光。白色物体：反射各种颜色的光。黑色物体：物体对各种颜色吸收能力都很强，而反射能力很弱。加钠盐的酒精灯的颜色：发光频率物体对电磁波的发射、反射和吸收115一、黑体P27右图中哪是黑体？黑体：某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反

31、射与透射。来者不拒，照单全收演示实验：黑体、黑体辐射116黑体与黑体辐射哪里是黑体？117黑体辐射有何特性？为什么研究黑体辐射？为了解一般物体热辐射性质19世纪后半叶，欧洲的冶金工业迅速发展：观测钢水的辐射的电磁波的波长分布钢水的温度辐射的波长分布与辐射体的温度关系？平衡态时，黑体辐射只依赖于物体的温度，与构成黑体的材料、形状无关。空 腔118二、黑体辐射实验规律 实验装置：实验室中的黑体1190 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K当黑体温度逐渐升高时：各种波长的辐射强度都有所增加；辐射强度的最大值向短波方向移动。 实验结果：120经典理论对黑体辐射的描述黑体

32、辐射成因：物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱物理学家希望运用统计物理学和经典电磁学理论推导出一定温度的物体热辐射强度与波长的分布关系公式121黑体辐射理论的逻辑关系结论1894年德国维恩经典热力学玻尔兹曼的分子运动1900年6月瑞利、金斯：麦克斯韦电磁场理论（黑体辐射是分子发出的电磁波）结论紫外灾难波动结论内插法理论：分析动理论+能量量子化粒子+能量量子化粒子122普朗克线0实验值/m12345678从图线看三种理论：M0（T）123紫外灾难维恩线普朗克线0实验值

33、/m12345678从图线看三种理论：瑞利-金斯线M0（T）124对黑体辐射的解释紫外灾难时间人物出发点结论作用1896年德国维恩经典热力学玻尔兹曼的分子运动短波区解释好，长波区不吻合1900年6月英国瑞利、金斯麦克斯韦电磁场理论：黑体辐射是分子发出的电磁波 长波吻合很好,短波0能量1900年10月德国普朗克内插法解释：分子动理论+能量量子化图线吻合很好注：高中阶段本页公式不要求。内插法是根据有限函数数据拟合未知曲线方程的方法125四、能量子：超越牛顿的发现假设：振动着的带点微粒的能量是不连续的，只能是某一个最小能量值的整倍数。这些带点微粒在辐射或吸收能量时也是以这个值为单位一份一份地辐射或吸

34、收的。这个不可再分的最小能量值叫做能量子：h：普朗克常量：6.631034Js ：电磁波频率普朗子世界的开创他对儿子说，自己的发现“要么是荒诞无稽的，要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一。”他说：“在将作用量子h引入理论时，应当尽可能保守从事；这就是说，除非绝对必要，否则不要改变现有理论。”我懂得了一件事实，基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻得多。”普朗克于1918年获诺贝尔奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和h6.6261034J.s量子观点：改变了大半个物理世界的根基，颠覆了整个化学世界！普朗克185819471272科学的转折：光的粒子性128

35、物质波德布罗意 能量量子化普朗克不确定关系海森伯回顾第一条线：人类对于光的认识历程波动学说的巅峰峰回路转石破天惊129问题：物理学的发展角度：什么是光电效应?为什么要研究它？光电实验现象与光的性质（波？粒？）的关系。从实验本身：光电实验现象有哪些实验事实？与经典理论的矛盾？如何用新理论解释？策略：问题驱动，让学生自己思考而不是仅听。尽量还原物理历史过程。抽象概念形象化。问题：130一、光电效应现象演示实验1：紫外线灯照射锌板P30仪器介绍。你观察到现象？说明什么？如何检验？锌板为什么带电？P31在光的照射下从物体发射出电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子131光电效应问题的逻辑关系

36、梳理：光照可以从金属表面打出电子，通过打出的电子来了解光的情况。对微观世界的探讨：间接研究。科学家们当年关心的问题：1s可以照出多少光电子？用光电子数定量表示光的强弱？电子离开金属板时的最大速度？光电子获得的能量和光的能量有什么关系？有光照射一定发生光电效应吗？光照射金属板多长时间才能发生光电效应?132问题1:1s可以照出多少光电子？实验装置：光电管光源电流表电压表电键滑动变阻器AK133光电管窗口可加不同颜色滤光片光源可在滑轨上移动134问题1:1s可以照出多少光电子？实验原理：Q=It=ne，n=I/e,电流大小反应1s到达A极光电子数多少K极1s照出的光电子数：n=I饱/eu0U小U足

37、够大135问题1实验：解释入射光弱 U足够大入射光强 U足够大结论1：一定光照下，电压增大到一定值，所有光电子都到达A极，此时电流叫饱和光电流。入射光越强，饱和光电流越大，说明单位时间内照射出的光电子数越多。136问题2：电子离开金属板时的最大速度怎么求？电源反向运动最快的电子到达A极时恰好减速为0UC0.55VUC遏止电压137问题2结论结论2：遏止电压（光电子的最大初动能）与光强无关，与入射光的频率有关。入射光的频率减小，光电子的最大初动能减小。138光电流与电压图线紫光的截止电压绿光截止电压较强紫光较弱紫光绿光强紫光弱紫光饱和光电流139强紫光弱紫光绿光140问题3：有光照射就一定发生光

38、电效应现象吗？实验原理：改变入射光颜色 改变入射光光强加足够大的正向电压，帮助打出的光电子到达A极。电 流 电 压正 反滤色片能发生光电效应的入射光最小频率c称为截止频率（或极限频率）。不同金属有不同的截止频率。141问题3结论：结论3：对某种金属，入射光的频率低于某个频率时，不发生光电效应。截止频率（极限频率）能否发生光电效应与光强无关142问题4：光照射金属板多上时间才能产生光电效应？结论4：光电效应在光照瞬间发生，精确实验表明不超过10-9s143 实验事实1 饱和光电流随入射光的增强而增大。或者说入射光越强，单位时间逸出的光电子数越多。经典理论解释 光照射金属表面，电子吸收能量。当电子

39、吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功，电子就从表面逸出，这就是光电子。入射光越强，电子吸收的能量越多，能够逸出的电子数越多，光电流也就越大。经典理论解释光电效应遇到的困难144 实验事实2 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与入射光强度无关。 经典理论解释 经典波动理论认为，光的强弱与光的振动频率无关而由振幅决定。入射光越强，电子逸出后的初动能应该越大，所以遏止电压应该与光强有关，与频率无关。经典理论解释光电效应遇到的困难 经典理论与实验事实不符！145 实验事实3 入射光的频率低于金属的截止频率时，无论入射光多强，都不能发生光电效应。经典理论解释 经典波动理论认为，不管光的频

40、率如何，只要入射光足够强，电子的能量积累时间足够长，就可以获得足够的能量逸出表面。不应该存在截止频率。 经典理论解释光电效应遇到的困难 经典理论与实验事实不符！146 实验事实4 超过截止频率的入射光照射金属时不论光强多大，几乎立刻发生光电效应。经典理论解释 如果入射光很弱，按照经典电磁波理论估算，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得足够的能量来逸出表面，这个结果远远大于10-9s。 经典理论解释光电效应遇到的困难 经典理论与实验事实不符！147 实验事实2: 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与入射光强度无关。 实验事实3: 入射光的频率低于金属的截止频率时，无论入射光多强，都不

41、能发生光电效应。 实验事实4:超过截止频率的入射光照射金属时不论光强多大，几乎立刻发生光电效应。1905年爱因斯坦在德国权威杂志物理学年鉴上发表论光的产生和转化的一个启发性观点,提出了光量子假说。爱因斯子理论解释 金属内的电子吸收光子能量是不连续的。*电子一次性吸收一个光子的全部能量。若能量足够大，部分金属表面电子会立即逸出，其余电子吸收的能量会在与其他粒子作用时很快耗散。因此，光电效应几乎是瞬时的，电子不需要能量积累过程。 实验事实4 超过截止频率的入射光照射金属时不论光强多大，几乎立刻发生光电效应。注：研究表明，在当时的实验条件下，几乎只能发生单光子吸收。后续研究

42、发现，在强光条件下还可能发生双光子或三光子吸收现象。在这里对后者不作讨论。光量子假说对光电效应的解释149量子理论解释 若入射光子频率过低，能量过小，金属内的电子吸收光子能量后，不足以克服阻碍做功而逸出。光在频率一定时，光越强单位时间内辐射的光子数越多，而每个光子能量不会变化。因此，即使*光强很大，但低于截止频率时也无法发生光电效应。 实验事实3 入射光的频率低于金属的截止频率时，无论入射光多强，都不能发生光电效应。注：光强I指光在单位时间垂直照射在单位面积上的总光能。INh。N：单位时间垂直照射在单位面积上的光子数。光量子假说对光电效应的解释150 实验事实2 光电子的最大初动能随入射光频率

43、的增大而增大，与入射光强度无关。 量子理论解释 每种金属都有确定的逸出功。由光电效应方程可知，光电子的最大初动能与入射光频率成线性关系，而与光强（单位时间辐射的光子数）无关。 金属的截止频率与逸出功的关系是：光量子假说对光电效应的解释151注：金属的逸出功和截止频率是由金属原子内部结构决定的，与入射光的频率无关。几种金属的逸出功和截止（极限）频率金 属钨钙钠钾铷逸出功W0eV4.543.202.292.252.13截止频率c10-14Hz10.957.735.535.445.15几种金属的逸出功和截止频率152 实验事实1 饱和光电流随入射光的增强而增大。或者说入射光越强，单位时间逸出的光电子

44、数越多。量子理论解释 入射光在频率一定时，光越强单位时间内辐射的光子数越多，金属表面逸出的光电子也相应增多。因此，饱和光电流随入射光的增强而增大。光量子假说对光电效应的解释153对两个过程的研究从KA过程：若恰末动能0KAv有没有从K板打出：154逸出功金属中原子外层的价电子（自由电子）会脱离原子而做无规则的热运动。但温度不高时，电子并不能大量逸出金属表面，这表明金属表层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子从金属中挣脱出来，必须克服这种阻碍做功。逸出功是最容易逃逸的电子克服阻力做的功使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功，用W0表示。金属外部金属内部自由电子吸收能量理解最小值的含

45、义： 金属表面电子吸收能量刚好直接逸出，做功最少。逸出电子的初动能为零。155不同金属的逸出功不同156普朗克电磁波在吸收和辐射时显示出不连续性量子理论的创生和发展爱因斯坦电磁波本身不连续光本身就是由一个个能量子组成创生发展157目的：量子理论的初步验证P34：密立根1868-1953 光电效应实验：测量金属的遏止电压UC与入射光的频率算出h黑体辐射：h？v/1014HzUc/VOyx光电效应：h6.561034J.s黑体：h6.631034J.s158 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。一直对光子假设持有保留态度的美国物理学家密

46、立根，设计了高精确度的实验装置。经过十年的试验，终于验证了光电方程的直线性并测出h6.5610-34Js。 密立根服从真理，宣布爱因斯坦假说得到证实。科学就是严峻的怀疑态度和对新思想的开放态度的混合。科学家说：“那的确是个好论据，我错了。”然后真的改变想法，扬弃旧观点，科学就是这样进步的。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地解释了光电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。密立根因测定基本电荷和研究光电效应荣获1923年诺贝尔物理学奖。向真理屈服是科学的美德密立根1868-1953 爱因斯考与讨论：P35白天的天空各处都是亮的；航天员在大气层外飞行时，尽管太阳的光

47、线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，甚至可以看见星星。这是为什么？ 光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。 160石墨对X射线的散射实验 实验装置 康普顿正在进行物质对X射线的散射实验 光阑探测器j0散射波长X 射线管石墨体(散射物质)晶体实验装置示意图161康普顿效应与经典理论的困境 康普顿效应 1923年康普顿在做 x 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。 经典理论的困难 按经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受迫

48、振动，振动着的微粒从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光。散射光频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射光的频率，因而散射光的波长与入射光的波长相同。 经典理论与实验事实不符！162光子模型对康普顿效应的解释 康普顿认为：X射线的光子既具有能量也有动量。光子与电子碰撞时遵守能量守恒定律和动量守恒定律。光子有一部分动量传给电子，散射光子的能量减少，频率减小，波长增加。光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞时，能量不会显著减小，散射束中出现与入射光波长相同的射线。因为碰撞中交换的动量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。康普顿由此获得1927年诺贝尔物理学奖。康普顿189219621

49、63光子的能量和动量能量动量康普顿18921962爱因斯坦18791955光子具有动量，在散射过程中光子与原子碰撞动量损失，频率变小，波长变大1643粒子的波动性165问题和对策：问题：学生无法理解！粒子是波动？我们的波动性如何表现？策略：把握学史，介绍物理的研究方法：对称性。梳理知识脉络，方便学生理解引用学生生活体验来定量分析166粒子性波动性普朗克常量人类对于光的认识历程167给学生的思考题：阅读p37描述粒子性重要的物理量？描述波动性重要的物理量？德布罗意提出什么假说？在什么文章中提出的？根据什么提出的？168德布罗意的思维逻辑德布罗意1892-1987实物粒子也具有波动性利用类比的想法

50、，提出物质波概念与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，或叫物质波。预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。电子有质量根据相对论：169这个推导不适用于电子：动量的表达式错误！170德布罗意1892-1987波动力学创始人，量子力学奠基人之一。原来学习历史，后来改学理论物理学。善于用历史的观点，对比的方法分析问题。 “整个世纪以来，在光学上，与波动方面的研究相比，对于实物粒子的研究，是否发生了相反的错误？是不是我们把粒子方面的图像想得太多，而忽略了波的现象？”1924年，在博士论文关于量子理论的研究中提出德布罗意波，同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。利用类比的想法，提出物质波概念，即实

51、物粒子也具有波动性与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，或叫物质波爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。德布罗意1711927年，C.J.戴维逊和G.P.汤姆逊分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了电子的衍射图样。1929年，德布罗意成为以学位论文获得诺贝尔物理学奖的第一人。C.J.戴维逊和G.P.汤姆逊为此获得了1937年诺贝尔物理学奖。电子衍射X射线衍射C.J.戴维逊1881-1958 G.P.汤姆逊1892-1975 一个意外电子束衍射实验172父子诺贝尔奖汤姆逊G.P.汤姆逊1892-1975 C.J.戴维逊和G.P.汤姆逊为此获得了1937年诺贝尔物

52、理学奖。J.J.汤姆逊1856-1940 1906年,汤姆逊由于发现电子和对气体放电理论和实验做出了重大贡献获得诺贝尔物理学奖。父子173阅读：P39电子显微镜如何提高分辨率：思考：加速电压U100V时电子波长多大？电子质量是91031kg电子德布罗意波长：电子加速阶段：174计算：一个质量是0.01kg，速度为3100m/s的子弹，它的德布罗意波长？宏观物体的波长很小！175人类对于光的认识历程能量量子化普朗克德布罗意：粒子和波这两种观点应该以某种方式统一。x射线是粒子和波的统一体粒子难以解释波动难以解释1764概率波177问题：学生难理解！粒子在空间上的位置由波函数确定。到底粒子还是波？何

53、时是粒子何时是波？策略：把握学史，还原物理的研究发展过程。梳理知识脉络，方便学生理解问题和对策：178思考：P40波动理论如何解释声音的干涉和衍射？惠更斯原理，峰峰、谷谷加强，峰谷减弱。（多质点行为）用粒子模型如何解释气体压强？气体小球碰撞（单质点行为）经典物理粒子运动的基本特性？任意时刻位置，速度确定经典波的特性？时空周期性（频率、波长）179如何说明：光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固有的性质使双缝的光源弱到只能通过一个光子，以排除光子之间的相互作用单个光子的位置不可预期，长时间曝光后得到干涉图样。玻恩如何解释双缝干涉的实验现象？光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率

54、小解释P41页图42：条件有何不同？现象有何不同？个数：100个，3000个，70000个大量符合干涉条纹。玻恩说的概率和抛硬币的概率相同吗？抛硬币可能预期，量子事件不可预期。阅读P4041180大量光子和电子逐个通过双缝实验结果的意义 （1）单个光子出现在哪一个位置上是不确定的。（2）大量光子出现在某个位置上的概率有多大，是可以根据波动的规律确定的。这种确定的概率分布导致干涉条纹的形成，即确定的宏观结果。（3）光波是一种概率波。（4）与其他微观粒子（电子、中子）相联系的物质波也是概率波。通过100个电子通过3000个电子通过70000个电子181概率波和物质波电子等实物粒子具有波动性即物质波

55、。德布罗意1892-1987德国犹太裔物理学家，量子力学的创始人之一。因对量子力学的基础性研究尤其是对波函数的统计学诠释，获得1954年的诺贝尔物理学奖。1929年由于物质波获得诺贝尔物理学奖。单个光子（电子）的位置概率满足波函数分布。大量光子可形成显著条纹。马克斯玻类对于光的认识历程能量量子化普朗克波概率玻恩183机械波：依靠介质传播的波。绳波、水波、声波、地震波光波波动性：干涉、衍射、偏振粒子性：光电效应、康普顿效应电磁波：无线电+红外线+可见光+紫外线+射线+的大家庭物质波：电子、中子等微观粒子具有的波动性。体现在电子过晶体的衍射、电子显微镜概率波：单个光子和电子空间可能位置的概率满足波函数分布。物质波的波动性是一种概率波。对比几种波1845不确定关系185问