高中物理 人教版 选修三 原子结构和波粒二象性 第四单元第一课时

原子结构和波粒二象性第一节普朗克黑体辐射理论灵璧县第一中学郭慧慧〖教材分析〗本节由黑体与黑体辐射、黑体辐射的实验规律和能量子三部分内容组成。教材着重介绍了在研究不同温度下黑体辐射强度与波长关系时，经典理论结果与实验事实之间产生的矛盾。为了解决这个矛盾，普朗克提出了能量子的假说。教学中要注意引导学生感受科学家进行探究的科学方法与科学精神。〖学情分析〗本节的知识对学生来说几乎没有相关的经验，理解起来有一定困难，比如对黑体辐射实验规律、为什么要研究黑体、黑体理想模型有什么用、“量子化”和“连续性”到底有什么差别等问题的理解。〖教学目标与核心素养〗物理观念∶了解黑体辐射以及实验结论，知道能量量子化的内涵。科学思维∶对比经典能量观和微观能量子的特点，体会量子化物理模型的建立过程。科学探究：通过观察热辐射的强度波长的关系图培养学生观察能力，感悟以实验为基础的科学探究方法。科学态度与责任∶了解能量子概念的提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想，体会量子论的建立深化了人们对物质世界的认识。〖教学重难点〗教学重点：黑体辐射和能量量子化。教学难点：理解能量量子化假说。〖教学准备〗多媒体课件等。〖教学过程〗教学准备教师准备：多媒体课件。学生准备：预习新课，回顾以前所学的热辐射的相关知识；查阅资料，了解能量子的有关知识。教学设计导入新课导语：在物理学的发展史中，每一个重大发现都是建立在之前的认识基础上的，新的观念和理论都不会是凭空一蹴而就的。今天我们会认识物理学的哪个新的知识点呢？请同学们观看视频。播放视频。导语：这节课我们将学习普朗克黑体辐射理论。二、新课教学环节一:问题：右图为阳光下的鸟窝，如果从远处观察，把窗内的亮度与鸟窝外的亮度相比，你会发现什么？为什么？从远处观察，会发现窗内很暗。这是因为从外界射来的光线，经窗口射入室内，大部分光线要在室内经过多次反射，才可能有机会射出窗口。在多次反射的过程中，大部分光线被吸收掉了，再从窗口射出的光线将是很少的。思考：如果射入鸟窝内的光线全部被吸收掉，没有任何光线从窗口射出，我们看到的鸟窝内将是什么情况？将看不到鸟窝内的任何物体。板书（1）：黑体：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，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。思考：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多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个带小孔的空腔能否看成黑体？能近似看成黑体。黑体是理想化的物理模型。黑体看上去不一定是黑的，有些看作是黑体的物体由于自身较强的辐射，还会很亮，如太阳，白炽灯丝。2、（加强对黑体概念的理解，去抽象化。由学生回答）黑体、黑色的物体、红色的物体在颜色上的区别？黑体：吸收了射向它的全部电磁波,黑色的物体：吸收了射向它的全部可见光而不反射红色的物体：吸收了射向它的可见光中的除红光外的其他颜色的光，红光反射，从而人们看到该物体时红色的环节二：下面是我们生活中的实例，他们说明了什么？问题1：围坐在火炉旁边会有什么感觉？为什么？围坐在火炉旁会感到很热。这是由于火炉不断地向外辐射电磁波。问题2：蛇是老鼠的天敌，你知道它是通过什么方式来发现老鼠的呢？它是通过接收老鼠热辐射的方式来发现老鼠的问题3：投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？说明了什么？随着温度的升高，投在炉中的铁块逐渐由暗红色，变为赤红，变为橘红，最后变为黄白色。说明同一物体辐射电磁波的波长随温度的升高，较短波长的部分越来越强。思考后：说明它们可以向外辐射电磁波（注意语气要变化）既然一般的物体可以向外辐射电磁波，那么作为黑体，它不能反射电磁波，可以向外辐射电磁波吗？（引导学生看教材P67～P68）然后通过提问学生，进行黑体辐射的教学板书（2）:黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射板书（3）:黑体辐射有哪些特点：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，而对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除了与温度有关，还与材料的种类及表面状况有关。设计意图：通过简单实例引出黑体和黑体辐射的概念，加强学生对黑体和黑体辐射概念的理解。环节三：黑体辐射的实验规律问题：利用分光技术和热电偶等设备，可以测出黑体辐射电磁波的强度按波长分布的情况，如图所示为四种温度下黑体辐射电磁波的强度与波长的关系，根据下图说一说黑体辐射的规律有哪些？（1）随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加。（2）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。思考：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学和电磁学的知识来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别在1896年1900年提出了辐射强度按波长分布的理论公式。他们提出的公式都只能解释一部分实验现象。维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离较大；瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。(如图所示)。普朗克的解释：1900年10月，普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。于是，普朗克尝试从电磁学、力学、统计物理学等物理学的基本理论出发，把这个公式推导出来。请同学们对比分析课本的这两幅插图，你能发现什么问题？提示：若图4.1-2中1700K的温度时，黑体辐射强度的极大值对应波长2微米，那么图4.1-3中1600K时辐射强度极大值对应的波长是不是应该大于2微米？观察结果：图4.1-3中1600K温度时，黑体辐射强度的极大值对应波长小于2毫米。查阅相关资料后，确认：图4.1-3是对的，图4.1-2有误。但图4.1-2所反应的温度越高，辐射强度极大值对应波长越短，是对的，只是数值有误！设计意图:了解黑体辐射的实验规律和科学家对这些规律的探索。环节四：能量子问题1：宏观物体的能量是连续的。如重力势能：，由于h是连续的，因而重力势能是连续的。作为“微观粒子”的能量是否也是连续的？问题2:阅读教材第69页“能量子”的相关内容，了解普朗克的观点。问题3：由能量量子化假说可知，能量是一份一份的，而不是连续的。但我们平时见到的宏观物体的温度升高或降低，为什么是连续的，而不是一段一段的？问题4：结合生活实际，谈谈你对量子化的理解。问题5：能量子假说的意义是什么？普朗克的能量子假说，提出了能量量子化的观点，打破了“能量是连续变化的”的传统观念，使人们对微观世界有了一个全新的认识。环节五：例题讲解【例题】光是一种电磁波，可见光波长的大致范围是400~700nm。求波长为400nm和700nm的电磁辐射的能量子的值各是多少？解析：求解本题的关键是根据已知条件求出每一个能量子的能量。这类题中数据的数量级比较大，注意运算当中提高运算准确率。根据公式ν=和ε=hν可知：400nm对应的能量子为:700nm对应的能量子为:课后作业1、自2020年以来，“新冠肺炎”席卷全国。“新冠肺炎”的典型症状就是持续发烧，因此测温是“新冠肺炎”防控的重要环节。为方便测温，人们一般使用如图所示的额温枪。额温枪是通过传感器接收红外线，得出感应温度数据，使用时只要将额温枪放于距两眼中间部位5~6cm处，修正额头与实际体温的温差便能显示准确的体温。额温枪测量温度的原理是什么？原理：额温枪是根据人体辐射红外线的强度和波长工作的，辐射规律与黑体相同。因为温度不同的人体辐射的红外线存在差异。2、查阅资料：近几年国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”的成功发射，世界上首条量子保密通信网“京沪干线”的建成开通，量子计算原型机“九章”的横空出世。板书设计第1节普朗克黑体辐射理论1.黑体与黑体辐射（1）黑体、(2)黑体辐射、（3）黑体辐射的特点。2.黑体辐射的实验规律3.能量子教学评价本节由黑体与黑体辐射、黑体辐射的实验规律和能量子三部分内容组成。对黑体辐射的研究及由此引发的“紫外灾难”是19世纪末20世纪初物理学天空中的“第二朵乌云”，然而正是在拨开这“第二朵乌云”的过程中，物理学终于迎来了量子力学的曙光。本节的重点是对黑