《能量量子化》名师教案

PAGE11《能量量子化》教学设计教学目标1、了解黑体辐射，感悟以实验为基础的科学探究方法2、通过观察热辐射的强度与波长的关系图像培养学生观察能力3、了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想4、了解宏观物体和微观粒子能量变化特点，体会量子论的建立深化了人们对物质世界的认识教学方法讲授法、谈话法教学重点、难点能量子假说提出的科学过程，以及领会这一科学突破过程中科学家的思想。教学过程一、引入（感受量子力学理论对科技社会发展的重要意义）展示图片：中国2022年发射量子卫星场景的照片。量子卫星有什么作用为实现全球的量子通信。为什么要进行量子通信呢可以实现保密通信，对国家安全、军事有非常重要的意义。师：关于“量子”大家还听说过什么生：量子力学！师：量子力学是研究什么的学科生：微观世界！师：和我们的生活的有什么关系吗生疑惑：好像没什么关系。展示图片1：电脑与手机。量子力学是半导体科技的理论基础，没有量子力学，就没有计算机，就没有现在的信息时代！展示图片2：激光。所谓光宽带，光纤入户，光纤里就是利用激光传输信息。没有量子力学，就没有激光技术的应用。展示图片3：核磁共振成像。没有量子力学就没有核磁共振成像技术。展示图片4：核武器与核电。没有量子力学就没有核武器与核能的利用。师小结：量子力学是近代科学共同的理论基础！过渡：什么是量子历史上首先是谁先提出来的让我们回到一百多年前，回顾量子诞生的那个年代！二、黑体与黑体辐射1、辐射师叙述：十九世纪后半叶，欧洲正处于第二次工业革命。第二次工业革命极大的推动了冶金工业的发展。冶金工业需要测量钢水的温度。如何测量呢温度太高，不可能直接用普通温度计测量。怎么解决这个问题呢是通过对辐射问题的研究解决的。展示图片：火炉。师：在火炉旁有热的感觉，热量是如何到达身体上的生：通过辐射。师：（点明）其实辐射的是电磁波。展示图片：刚出炉的铁块。师：刚出炉的铁块，温度很高。仔细看图片，会发现铁块的颜色是不一样的。能否根据颜色判断温度的高低生：温度最高的是白色，其次是黄色，再是橙色，最低的是红色。师：温度不同，所辐射的电磁波颜色是不一样的。电磁波的颜色是由什么决定的生：由波长决定！师：（小结）温度不同物体，所辐射的电磁波波长不同。2、黑体模型的建立（建立黑体模型的必要性）师叙述：对这块铁块，除辐射电磁波外，还会反射与吸收外界的电磁波，而反射与吸收电磁波的能力与物质的材料及表面状况有关。所以一般物体所辐射的电磁波，除与温度有关外，还与材料与表面状况有关。这个问题就比较复杂了。物理学家的在遇到这种情况下，首先会分析哪些是主要因素，哪些是次要因素，只有突出主要因素，忽略次要因素，更能抓住问题的本质。把突出主要因素，忽略次要因素的物理方法称为：理想化模型。黑体理想化模型：如果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射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。（举例帮助学生理解黑体）展示图片：建设中的大楼。师：这幢大楼内墙已经刷白但未装窗户。窗户处的亮度比外墙的亮度暗得多，为什么生思考，师点名回答（做必要的引导）：因为光线进入窗户洞，经室内墙壁多次反射与吸收，出来的光线要少得多，所以比外墙的亮度要暗得多！师：窗户洞能当做黑体吗生：不能，还有反射光线。师：如何使窗户洞更接近黑体生：洞更小些，则反射出来的光线就更少，更接近黑体！展示图片：带小孔的空腔。师：光线进入小孔，经空腔内壁多次反射与吸收，光线几乎无法从小孔射出，小孔就可以当做黑体！3、黑体辐射黑体所辐射的电磁波只与温度有关，与物质材料和表面状况无关，反应了更加普遍的客观规律，因此，物理学家更加关注对黑体辐射的研究过渡：不同温度下的物体辐射的电磁波波长是不同的，有怎样的定量规律，需要通过实验研究三、黑体辐射的实验规律1、实验规律

介绍实验装置。通过实验得到不同温度下辐射电磁波的辐射强度随波长变化的规律：

师：随着温度的升高，辐射强强度随波长的分布发生了变化。有什么规律吗（小组讨论、总结规律，代表发言，其他小组补充）得到黑体辐射实验规律：随温度升高①各种波长的辐射强度都在增加②辐射强度的最大值向短波方向移动。师补充：温度越高，辐射的电磁波强度越大，而且辐射电磁波的波长也发生变化，这与日常生活经验是一致的！2、寻求理论解释师叙述：发现新的实验现象或实验规律，科学家总想试图从理论寻找解释。如何解释黑体辐射的实验规律呢首先要解释物质是如何辐射电磁波的。物质内部有带电微粒，带电体周围有电场。而由于带电微粒是振动的，所以电场是变化的，变化的电场感应出变化的磁场，如此，变化的电磁场由近及远传播形成电磁波。因此，理论上要从电磁学和热学寻找解释。（1）维恩公式1896年，德国物理学家通过理论的分析与推导，得出维恩公式用图像表示如下。

师：维恩公式与实验数据之间有什么关系呢生：短波段维恩公式与实验比较吻合，而长波段两者有明显的偏差!（2）瑞利公式1900年，英国物理学家瑞利通过理论推导，得到瑞利公式。用图像表示如上图。师：瑞利公式与实验数据之间有什么关系呢生：长波段与实验比较吻合，但是短波段两者有很大的偏差。师：瑞利公式就像是拆东墙补西墙，虽然解决了温恩公式长波段的问题，但是短波段又出了问题。而且当波长趋向于0时，辐射强度竟然是无穷大，这显然是荒谬的。把这个理论上遇到的难题称为紫外灾难。为什么叫紫外灾难呢因为短波区落在紫外线波段。就连英国科学界泰斗开尔文也在一篇演说中也提到“物理学晴朗的天空中，漂浮着两朵乌云„„”期中一朵乌云就是指紫外灾难，另一朵乌云是迈克尔逊——莫雷实验遇到的困境。科学的发展遇到困难，不一定是坏事，反而可能意味着生机，拨开乌云，就是一片新的天地。随着黑体辐射难题的解决，导致了量子论的诞生；而迈克尔逊——莫雷实验难题的决绝，导致爱因斯坦提出相对论。量子论与相对论都揭开了物理学发展新的篇章！过渡：现在轮到主角登场了！四、能量子1、普朗克公式师：普朗克手头有两个公式，维恩公式和瑞利公式，但这两个公式要么只能解释长波段，要么只能解释段波段。如何能比较理想的解释各个波段呢普朗克在现有两个公式的基础上通过数学办法凑出了一个公式，称为普朗克公式，与实验数据之间有什么关系呢通过图像表示

生：非常完美！师：对于一个物理学家，普朗克并不满足这样一个凑出来的公式。公式背后隐藏着什么样的原理呢普朗克是一个传统的物理学家，他希望在理论内部解决这个问题而不是颠覆这个理论。但是原有物理学理论是无法推导出普朗克公式的。普朗克做了很多次的尝试，经过了激烈的思想斗争，最终不得不承认，微观世界的规律在宏观世界看来是非常奇怪的。他提出了新的理论。2、能量子假说微观粒子的能量只能是最小能量值ε的整数倍，带电粒子吸收或辐射能量时，以ε为单位一份一份的。这个最小的能量值称为能量子。ε=hυh为常数，称为普朗克常量。h是物理学中最重要的基本常量之一。为了纪念普朗克的贡献，他的墓志铭就是h=×10-34J·Sυ是电磁波的频率。师：为了帮助大家对能量子假说的理解，我举个例子。就像往储蓄罐里存钱，每次最少是一角。一角是货币的最小单元。

到此为止，普朗克提出能量子假说，在这个假说的基础上就能推导出普朗克公式，就能很好的解释黑体辐射的实验规律，因此，普朗克非常成功。3、观念的冲突师：普朗克忧郁了！他曾经对儿子说，自己的发现“要么是荒诞无稽的，要么可能是牛顿以来物理学最伟大的发现之一！”因为在人们的思想深处，自然过程总是连续的。甚至连著名的数学家、哲学家莱布尼茨也说过这样的话“自然界不会突变………间断性同科学格格不入………”举例说明连续性：（1）位移的连续性从A点运动到B点，必然经过C点！（2）重力势能的连续性被举高的物体具有重力势能，随着高度的下降，重力势能连续减小。4、矛盾但又是统一的师提问：在一杯开水中放一只温度计，可以看到温度是连续下降的。但是根据能量子假说，能量是一份一份的向外辐射，为什么温度不是一段一段降低呢（学生思考、讨论，教师引导）师：不妨定量估算红外线能量子数量级。红外线频率取最大值4×1014HZ，由ε=hυ，得ε数量级为10-19J生：（感叹）这个能量太微小了，宏观上无法反应出来！师：因此，宏观上表现出是连续的，但是在微观上表现出是不连续的因此，进入一个新的邻域，常常需要建立一种新的思想，新的观念。五、结束语（介绍量子论后续的发展及量子力学的建立）1900年，普朗克提出能量子，破除了能量是连续的思想，揭开了量子论发展的序幕；1905年爱因斯坦受能量子概念的启发，提出光量子概念，成功的解释了光电效应现象；1913年，玻尔将量子化的观点引入到原子结构中，成功的解释了氢原子光谱；1925年，海森堡建立了矩阵力学；1926年薛