《能量量子化》名師教案

PAGE11《能量量子化》教學(xué)設(shè)計教學(xué)目標1、了解黑體輻射，感悟以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法2、通過觀察熱輻射的強度與波長的關(guān)系圖像培養(yǎng)學(xué)生觀察能力3、了解能量子的概念及提出的科學(xué)過程，領(lǐng)會這一科學(xué)突破過程中科學(xué)家的思想4、了解宏觀物體和微觀粒子能量變化特點，體會量子論的建立深化了人們對物質(zhì)世界的認識教學(xué)方法講授法、談話法教學(xué)重點、難點能量子假說提出的科學(xué)過程，以及領(lǐng)會這一科學(xué)突破過程中科學(xué)家的思想。教學(xué)過程一、引入（感受量子力學(xué)理論對科技社會發(fā)展的重要意義）展示圖片：中國2022年發(fā)射量子衛(wèi)星場景的照片。量子衛(wèi)星有什么作用為實現(xiàn)全球的量子通信。為什么要進行量子通信呢可以實現(xiàn)保密通信，對國家安全、軍事有非常重要的意義。師：關(guān)于“量子”大家還聽說過什么生：量子力學(xué)！師：量子力學(xué)是研究什么的學(xué)科生：微觀世界！師：和我們的生活的有什么關(guān)系嗎生疑惑：好像沒什么關(guān)系。展示圖片1：電腦與手機。量子力學(xué)是半導(dǎo)體科技的理論基礎(chǔ)，沒有量子力學(xué)，就沒有計算機，就沒有現(xiàn)在的信息時代！展示圖片2：激光。所謂光寬帶，光纖入戶，光纖里就是利用激光傳輸信息。沒有量子力學(xué)，就沒有激光技術(shù)的應(yīng)用。展示圖片3：核磁共振成像。沒有量子力學(xué)就沒有核磁共振成像技術(shù)。展示圖片4：核武器與核電。沒有量子力學(xué)就沒有核武器與核能的利用。師小結(jié)：量子力學(xué)是近代科學(xué)共同的理論基礎(chǔ)！過渡：什么是量子歷史上首先是誰先提出來的讓我們回到一百多年前，回顧量子誕生的那個年代！二、黑體與黑體輻射1、輻射師敘述：十九世紀后半葉，歐洲正處于第二次工業(yè)革命。第二次工業(yè)革命極大的推動了冶金工業(yè)的發(fā)展。冶金工業(yè)需要測量鋼水的溫度。如何測量呢溫度太高，不可能直接用普通溫度計測量。怎么解決這個問題呢是通過對輻射問題的研究解決的。展示圖片：火爐。師：在火爐旁有熱的感覺，熱量是如何到達身體上的生：通過輻射。師：（點明）其實輻射的是電磁波。展示圖片：剛出爐的鐵塊。師：剛出爐的鐵塊，溫度很高。仔細看圖片，會發(fā)現(xiàn)鐵塊的顏色是不一樣的。能否根據(jù)顏色判斷溫度的高低生：溫度最高的是白色，其次是黃色，再是橙色，最低的是紅色。師：溫度不同，所輻射的電磁波顏色是不一樣的。電磁波的顏色是由什么決定的生：由波長決定！師：（小結(jié)）溫度不同物體，所輻射的電磁波波長不同。2、黑體模型的建立（建立黑體模型的必要性）師敘述：對這塊鐵塊，除輻射電磁波外，還會反射與吸收外界的電磁波，而反射與吸收電磁波的能力與物質(zhì)的材料及表面狀況有關(guān)。所以一般物體所輻射的電磁波，除與溫度有關(guān)外，還與材料與表面狀況有關(guān)。這個問題就比較復(fù)雜了。物理學(xué)家的在遇到這種情況下，首先會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，更能抓住問題的本質(zhì)。把突出主要因素，忽略次要因素的物理方法稱為：理想化模型。黑體理想化模型：如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，則稱這種物體為絕對黑體，簡稱黑體。（舉例幫助學(xué)生理解黑體）展示圖片：建設(shè)中的大樓。師：這幢大樓內(nèi)墻已經(jīng)刷白但未裝窗戶。窗戶處的亮度比外墻的亮度暗得多，為什么生思考，師點名回答（做必要的引導(dǎo)）：因為光線進入窗戶洞，經(jīng)室內(nèi)墻壁多次反射與吸收，出來的光線要少得多，所以比外墻的亮度要暗得多！師：窗戶洞能當做黑體嗎生：不能，還有反射光線。師：如何使窗戶洞更接近黑體生：洞更小些，則反射出來的光線就更少，更接近黑體！展示圖片：帶小孔的空腔。師：光線進入小孔，經(jīng)空腔內(nèi)壁多次反射與吸收，光線幾乎無法從小孔射出，小孔就可以當做黑體！3、黑體輻射黑體所輻射的電磁波只與溫度有關(guān)，與物質(zhì)材料和表面狀況無關(guān)，反應(yīng)了更加普遍的客觀規(guī)律，因此，物理學(xué)家更加關(guān)注對黑體輻射的研究過渡：不同溫度下的物體輻射的電磁波波長是不同的，有怎樣的定量規(guī)律，需要通過實驗研究三、黑體輻射的實驗規(guī)律1、實驗規(guī)律

介紹實驗裝置。通過實驗得到不同溫度下輻射電磁波的輻射強度隨波長變化的規(guī)律：

師：隨著溫度的升高，輻射強強度隨波長的分布發(fā)生了變化。有什么規(guī)律嗎（小組討論、總結(jié)規(guī)律，代表發(fā)言，其他小組補充）得到黑體輻射實驗規(guī)律：隨溫度升高①各種波長的輻射強度都在增加②輻射強度的最大值向短波方向移動。師補充：溫度越高，輻射的電磁波強度越大，而且輻射電磁波的波長也發(fā)生變化，這與日常生活經(jīng)驗是一致的！2、尋求理論解釋師敘述：發(fā)現(xiàn)新的實驗現(xiàn)象或?qū)嶒炓?guī)律，科學(xué)家總想試圖從理論尋找解釋。如何解釋黑體輻射的實驗規(guī)律呢首先要解釋物質(zhì)是如何輻射電磁波的。物質(zhì)內(nèi)部有帶電微粒，帶電體周圍有電場。而由于帶電微粒是振動的，所以電場是變化的，變化的電場感應(yīng)出變化的磁場，如此，變化的電磁場由近及遠傳播形成電磁波。因此，理論上要從電磁學(xué)和熱學(xué)尋找解釋。（1）維恩公式1896年，德國物理學(xué)家通過理論的分析與推導(dǎo)，得出維恩公式用圖像表示如下。

師：維恩公式與實驗數(shù)據(jù)之間有什么關(guān)系呢生：短波段維恩公式與實驗比較吻合，而長波段兩者有明顯的偏差!（2）瑞利公式1900年，英國物理學(xué)家瑞利通過理論推導(dǎo)，得到瑞利公式。用圖像表示如上圖。師：瑞利公式與實驗數(shù)據(jù)之間有什么關(guān)系呢生：長波段與實驗比較吻合，但是短波段兩者有很大的偏差。師：瑞利公式就像是拆東墻補西墻，雖然解決了溫恩公式長波段的問題，但是短波段又出了問題。而且當波長趨向于0時，輻射強度竟然是無窮大，這顯然是荒謬的。把這個理論上遇到的難題稱為紫外災(zāi)難。為什么叫紫外災(zāi)難呢因為短波區(qū)落在紫外線波段。就連英國科學(xué)界泰斗開爾文也在一篇演說中也提到“物理學(xué)晴朗的天空中，漂浮著兩朵烏云??”期中一朵烏云就是指紫外災(zāi)難，另一朵烏云是邁克爾遜——莫雷實驗遇到的困境?？茖W(xué)的發(fā)展遇到困難，不一定是壞事，反而可能意味著生機，撥開烏云，就是一片新的天地。隨著黑體輻射難題的解決，導(dǎo)致了量子論的誕生；而邁克爾遜——莫雷實驗難題的決絕，導(dǎo)致愛因斯坦提出相對論。量子論與相對論都揭開了物理學(xué)發(fā)展新的篇章！過渡：現(xiàn)在輪到主角登場了！四、能量子1、普朗克公式師：普朗克手頭有兩個公式，維恩公式和瑞利公式，但這兩個公式要么只能解釋長波段，要么只能解釋段波段。如何能比較理想的解釋各個波段呢普朗克在現(xiàn)有兩個公式的基礎(chǔ)上通過數(shù)學(xué)辦法湊出了一個公式，稱為普朗克公式，與實驗數(shù)據(jù)之間有什么關(guān)系呢通過圖像表示

生：非常完美！師：對于一個物理學(xué)家，普朗克并不滿足這樣一個湊出來的公式。公式背后隱藏著什么樣的原理呢普朗克是一個傳統(tǒng)的物理學(xué)家，他希望在理論內(nèi)部解決這個問題而不是顛覆這個理論。但是原有物理學(xué)理論是無法推導(dǎo)出普朗克公式的。普朗克做了很多次的嘗試，經(jīng)過了激烈的思想斗爭，最終不得不承認，微觀世界的規(guī)律在宏觀世界看來是非常奇怪的。他提出了新的理論。2、能量子假說微觀粒子的能量只能是最小能量值ε的整數(shù)倍，帶電粒子吸收或輻射能量時，以ε為單位一份一份的。這個最小的能量值稱為能量子。ε=hυh為常數(shù)，稱為普朗克常量。h是物理學(xué)中最重要的基本常量之一。為了紀念普朗克的貢獻，他的墓志銘就是h=×10-34J·Sυ是電磁波的頻率。師：為了幫助大家對能量子假說的理解，我舉個例子。就像往儲蓄罐里存錢，每次最少是一角。一角是貨幣的最小單元。

到此為止，普朗克提出能量子假說，在這個假說的基礎(chǔ)上就能推導(dǎo)出普朗克公式，就能很好的解釋黑體輻射的實驗規(guī)律，因此，普朗克非常成功。3、觀念的沖突師：普朗克憂郁了！他曾經(jīng)對兒子說，自己的發(fā)現(xiàn)“要么是荒誕無稽的，要么可能是牛頓以來物理學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一！”因為在人們的思想深處，自然過程總是連續(xù)的。甚至連著名的數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家萊布尼茨也說過這樣的話“自然界不會突變………間斷性同科學(xué)格格不入………”舉例說明連續(xù)性：（1）位移的連續(xù)性從A點運動到B點，必然經(jīng)過C點！（2）重力勢能的連續(xù)性被舉高的物體具有重力勢能，隨著高度的下降，重力勢能連續(xù)減小。4、矛盾但又是統(tǒng)一的師提問：在一杯開水中放一只溫度計，可以看到溫度是連續(xù)下降的。但是根據(jù)能量子假說，能量是一份一份的向外輻射，為什么溫度不是一段一段降低呢（學(xué)生思考、討論，教師引導(dǎo)）師：不妨定量估算紅外線能量子數(shù)量級。紅外線頻率取最大值4×1014HZ，由ε=hυ，得ε數(shù)量級為10-19J生：（感嘆）這個能量太微小了，宏觀上無法反應(yīng)出來！師：因此，宏觀上表現(xiàn)出是連續(xù)的，但是在微觀上表現(xiàn)出是不連續(xù)的因此，進入一個新的鄰域，常常需要建立一種新的思想，新的觀念。五、結(jié)束語（介紹量子論后續(xù)的發(fā)展及量子力學(xué)的建立）1900年，普朗克提出能量子，破除了能量是連續(xù)的思想，揭開了量子論發(fā)展的序幕；1905年愛因斯坦受能量子概念的啟發(fā)，提出光量子概念，成功的解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象；1913年，玻爾將量子化的觀點引入到原子結(jié)構(gòu)中，成功的解釋了氫原子光譜；1925年，海森堡建立了矩陣力學(xué)；1926年薛