選修3-5第十七章波

1、2022-5-61選修選修3-5第十七章波粒二象性第十七章波粒二象性17.1能量量子化：物理學(xué)的新紀(jì)元2022-5-62（一）知識(shí)與技能（一）知識(shí)與技能 l1了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射l2了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，了解黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系l 3了解能量子的概念2022-5-63（二）過程與方法（二）過程與方法l了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。l比較宏觀鏈輪物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。l體會(huì)量l子論的建立深化了人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 2022-5-64（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀l領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界

2、的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。l教學(xué)重點(diǎn)l能量子的概念l教學(xué)難點(diǎn)l黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2022-5-65引言引言l19世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說，l在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。l在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。l另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。l當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。l但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，” 2022-5-66l在世紀(jì)之初提到了物理學(xué)里的兩朵“小烏云”。其中第一朵是指邁克爾遜

3、-莫雷實(shí)驗(yàn)令人驚奇的結(jié)果 ,第二朵則是人們?cè)诤隗w黑體輻射的研究中所遇到的困境。l對(duì)黑體輻射展開了研究。普朗克總是盡可能試圖在麥克斯韋電磁理論內(nèi)部解決問題，而不是顛覆這個(gè)理論以求得突破。他不得不假定：能能量的傳遞不是連續(xù)的，而是以一個(gè)一個(gè)的能量量的傳遞不是連續(xù)的，而是以一個(gè)一個(gè)的能量單位傳遞的。這種最小能量單位被稱作單位傳遞的。這種最小能量單位被稱作能量子能量子 2022-5-67一熱輻射一熱輻射l夏季，站在陽(yáng)光下，人會(huì)感到很曬，熱得很厲害。l太陽(yáng)的熱傳遞到地球的過程認(rèn)是熱輻射。 l1.熱輻射：一切物體都向外輻射與自身溫度有關(guān)的電磁波的現(xiàn)象。2022-5-68一熱輻射一熱輻射l2.特點(diǎn)l熱輻射的

4、特點(diǎn)： l1）、任何物體，只要溫度高于 0 K ，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射； l2）、可以在真空中傳播； l3）、伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變； l4）、 具有強(qiáng)烈的方向性； l5）、 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)； l6）、 發(fā)射輻射取決于溫度的 4 次方。 2022-5-69一熱輻射一熱輻射l3.熱輻射圖2022-5-610一熱輻射一熱輻射l熱輻射解釋：l大量帶電粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的。物體中每個(gè)分子、原子或離子都在各自平衡位置附近以各種不同頻率作無規(guī)則的微振動(dòng)，每個(gè)帶電微粒的振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，從而向外輻射各種波長(zhǎng)的電磁波，形成連續(xù)的電磁波譜。2022-5-611一熱輻射一熱輻射2022

5、-5-612二黑體輻射二黑體輻射l1絕對(duì)黑體：投射到物體上的輻射熱全被該物體吸收時(shí)，此物體稱為絕對(duì)黑體。 l黑體是對(duì)熱輻射線吸收能力最強(qiáng)的一種理想化物體，實(shí)際物體沒有絕對(duì)黑體。但在理論研究中可設(shè)計(jì)種種絕對(duì)黑體。例如：設(shè)有一個(gè)空心容器，器壁由不透明材料制成，器壁上開有一個(gè)小孔，這樣即可構(gòu)成一個(gè)黑體。因?yàn)楫?dāng)射線射入小孔后，將在空腔中進(jìn)行多次反射，每次反射器壁的內(nèi)表面就吸收一部份能量，若小孔孔徑開得很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于容器的表面積。這樣，射線即可認(rèn)為被小孔全部吸收。小孔就可認(rèn)為是絕對(duì)黑體。絕對(duì)黑體的發(fā)射率也為1。 2022-5-613二黑體輻射二黑體輻射l一般物體收到輻射時(shí)，對(duì)輻射能量總是有吸收、有反射。

6、l吸收部分占總能量的份額稱為吸收率，其值在0-1之間。l黑顏色的物體吸收能力大于白顏色的物體，吸收系數(shù)也比較大。l如果吸收系數(shù)為1,表示全部能量都被吸收而沒有反射。l具有這種能力的物體稱為絕對(duì)黑體。自然界并不存在絕對(duì)黑體。l絕對(duì)黑體是一個(gè)理想化的參考模型。 2022-5-614二黑體輻射二黑體輻射l2黑體輻射l1)黑體輻射:是指由理想放射物放射出來的輻射，在特定溫度及特定波長(zhǎng)放射最大量之輻射.。 2022-5-615二黑體輻射二黑體輻射l2)黑體輻射的電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布，只與黑體的溫度有關(guān)。2022-5-616二黑體輻射二黑體輻射l3)黑體輻射規(guī)律: 一方面隨著溫度升高各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都

7、有增加，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。 2022-5-617二黑體輻射二黑體輻射l紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難l紫外災(zāi)難在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論中，能量均分定理預(yù)言黑體輻射的強(qiáng)度在紫外區(qū)域會(huì)發(fā)散至無窮大，這和事實(shí)嚴(yán)重違背. 維恩近似在短波范圍內(nèi)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)符合， 但在長(zhǎng)波范圍內(nèi)偏差較大；而瑞利-金斯公式則正好相反。普朗克得到的公式則在全波段范圍內(nèi)都和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得相當(dāng)好。2022-5-618二黑體輻射二黑體輻射l在推導(dǎo)過程中，普朗克考慮將電磁場(chǎng)的能量按照物質(zhì)中帶電振子的不同振動(dòng)模式分布。得到普朗克公式的前提假設(shè)是這些振子的能量只能取某些基本能量單位的整數(shù)倍，這些基本能量單位只與電磁波的頻率有關(guān)，

8、并且和頻率成正比。 2022-5-619三能量量子化三能量量子化l19世紀(jì)的物理學(xué)家要解析黑體輻射曲線，但幾乎都失敗了。只有馬克斯普朗克用電子具有的振動(dòng)能量是不連續(xù)的，才能很好解析黑體輻射的曲線。l這些帶電微粒發(fā)射和吸收的能量也不像經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值，也只能以這個(gè)最小能量值為單位一份份地進(jìn)行的。 2022-5-620三能量量子化三能量量子化l1能量的傳遞不是連續(xù)的，而是以一個(gè)一個(gè)的能量的傳遞不是連續(xù)的，而是以一個(gè)一個(gè)的能量單位傳遞的。這種最小能量單位被稱作能量單位傳遞的。這種最小能量單位被稱作能能量子量子 2能量子能量子 =h 3單位J普朗克常數(shù)h=6.62610-34J.s-1是頻率2022-5-621三能量量子化三能量量子化l1918年普朗克榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).l他的墓碑上只刻著他的姓名和普朗克常數(shù)h=6.62610-34J.s-12022