魯科版必修二 量子世界 第1課時 教案.doc

第6章第2節(jié)量子世界【教學目標】(一)知識與技能：1、初步了解經(jīng)典物理觀點被量子觀點取代的原因，及一些科學家在其中所起的重要作用，從而了解量子論的主要思想，了解量子論涉及的一些相關的現(xiàn)象。2、認識經(jīng)典力學的適用范圍和局限性，知道量子論對人類認識世界的影響， (二)過程與方法：通過指導學生研習，了解經(jīng)典物理在熱輻射研究領域中面臨的困境，從而了解微觀世界的量子化現(xiàn)象，了解量子論的思想。 (三)情感態(tài)度與價值觀：體會科學研究方法和尊重實驗事實的科學態(tài)度對人們認識自然的重要作用?！窘虒W重點】 通過指導學生研習，了解經(jīng)典物理在熱輻射研究領域中面臨的困境，從而了解微觀世界的量子化現(xiàn)象，了解量子論的思想?！窘虒W難點】弄清經(jīng)典物理學與黑體輻射等實驗結果矛盾的具體表現(xiàn)?！窘虒W安排】（一）引入新課師：通過前面的學習，我們知道在19世紀與20世紀之交（1900年前后），許多人認為物理學這座莊嚴雄偉、動人心弦的科學殿堂已經(jīng)基本建成了。只是“物理學晴朗天空的遠處，漂浮著兩朵小小的令人不安的烏云?！边@兩朵“烏云”是什么同學們能說說嗎？生：這兩朵“烏云”是：1、邁克爾遜莫雷實驗：研究光沿不同方向傳播速度的差異。2、熱輻射實驗：研究熱輻射的能量與溫度的關系。這兩個實驗所觀測到的現(xiàn)象用當時已有的物理學理論無法進行合理的解釋。師：這兩朵“烏云”給物理學的發(fā)展帶來了什么影響？生1：正是這兩朵的烏云，后來釀成了物理學中一場巨大的變革。生2：在研究第一朵“烏云”后愛因斯坦了開創(chuàng)了相對論。師：好，現(xiàn)在我們再來看看當年物理學的天空中這令人不安的第二朵“烏云”：熱輻射的能量與溫度的關系有什么規(guī)律？（二）【板書】量子世界： 【板書】一、“紫外災難”師：我們知道，燃燒的物體都會發(fā)光，后來人們發(fā)現(xiàn)那是因為燃燒使物體溫度升高的緣故。同學們能不能舉出一些高溫物體發(fā)光的例子呢？ 生：燒紅的鐵塊、通電后的白熾燈里高溫的燈絲、火山口流出的高溫巖漿、師：白熾燈里的燈絲在正常發(fā)光時有沒有在燃燒呢？生：沒有，否則燈絲就燒斷了。師：我們來做一個實驗?！緦嶒炗^察一】通過調(diào)壓器給白熾燈通電，逐漸增大電壓，讓學生觀察燈絲亮度和顏色的變化。并請學生感受燈的熱輻射的變化。（如果有條件也可以將這個實驗設計成一個觀察性的學生的分組實驗）（學生們幾個人一組進行觀察、討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）師：通過實驗觀察一，同學們想一想，金屬燈絲的溫度與燈兩端所加的電壓有什么關系？你所感覺到的金屬燈絲熱輻射的強度與燈絲的溫度有什么關系？金屬燈絲輻射光的顏色與燈絲的溫度有什么關系生1：燈兩端加的電壓越大，通過燈的電流也越大，燈絲發(fā)的熱功率越大，燈絲的溫度就越高。生2：金屬燈絲的溫度越高我們感覺到金屬燈絲的熱輻射就越強。生3：金屬燈絲的溫度越高，金屬燈絲輻射的光顏色就越白，溫度越低，燈光就偏紅色。師：對，我們看到的光其實是金屬中的原子在高溫下受到激發(fā)而發(fā)出的電磁波，能引起人們視覺的電磁波就是可見光。通過研究發(fā)現(xiàn)不同顏色的光，波長是不同的。燈光變白是因為它發(fā)出的各種波長的電磁波中波長短電磁波變得更強了，燈光較紅是因為它發(fā)出的電磁波中波長短的較弱，而波長長的電磁波相對較強的緣故?！景鍟繙囟雀邿艄獍锥滩ㄩL光較強；溫度低燈光較紅短波長光較弱，長波長光相對較強。把電絲兩端的電壓調(diào)得很小，使燈絲不發(fā)光，這時金屬燈絲有沒有熱輻射呢？【實驗觀察二】把一金屬塊掛在酒精燈上燒，在沒有燒紅之前移去酒精燈，然后用手靠近金屬塊，感受它的熱輻射。（學生們幾個人一組進行實驗觀察、討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）通過實驗觀察二，同學們定性地說一說，如果金屬溫度并沒有升高到使金屬發(fā)光的程度，這時有沒有熱輻射呢？生：有。師：對，這時金屬溫度不高，其中的原子發(fā)出的電磁波波長較長，不能引起人眼的視覺，所以我們沒有看到它發(fā)光，但我們?nèi)匀豢梢愿杏X到它的熱輻射。人們用更精確的觀測儀器發(fā)現(xiàn)，其實任何溫度的物體都有熱輻射，只是常溫和低溫的物體熱輻射較弱，輻射的電磁波波長較長，難被我們的身體直接感覺到。這種常溫和低溫物體輻射的電磁波波長比紅光還長，稱為紅外線，可以用一些特殊的儀器探測到。同學們有沒有見過在沒有可見光的黑暗中利用紅外線感光拍攝到的照片呢？【演示】課前收集到和各種紅外線感光照片?！景鍟课矬w中的分子、原子在任何溫度下都會發(fā)射出各種波長的電磁波，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。師：一般的物體不但會發(fā)出熱輻射，也會吸收和反射從別的物體射來的熱輻射。為了進一步研究物體的熱輻射強度的定量規(guī)律，物理學家們設想了一種理想的物體：能夠發(fā)射熱輻射，也能完全吸收熱輻射，但是完全不反射任何熱輻射的物體，叫做黑體。煉鋼爐爐膛上開的觀察小孔就是可以看成是一個黑體。在爐膛是冷的時，這個小孔是黑洞洞的，通過小孔射入其中的光和各種電磁輻射完全被爐膛中吸收掉了，沒有任何輻射被反射回來。當爐膛中的溫度很高時，這個小孔就會有很強的熱輻射發(fā)射出來。通過精確的實驗觀測，發(fā)現(xiàn)黑體熱輻射強度與溫度和波長都有關系，可以把某一溫度下測得各種波長的輻射強度的實驗數(shù)據(jù)描繪成如右圖所示的曲線。從曲線可以看出，不同的溫度下熱輻射的強弱有什么變化呢？熱輻射的波長又有什么變化呢？（學生們幾個人一組進行分析討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）生1：可以看出溫度越高，熱輻強度越大。生2：在同一溫度下，不同波長的電磁輻射強度不同，有某一種波長的電磁輻射最強。生3：溫度越高，輻射最強的電磁波波長變短。【板書】黑體溫度越高，熱輻強度越大；在同一溫度下，不同波長的電磁輻射強度不同，有某一種波長的電磁輻射最強；溫度越高，輻射最強的電磁波波長變短。師：這個規(guī)律與我們前面觀察到的高溫的金屬燈絲光輻射的規(guī)律是類似的。是嗎？生1：是的。生2：為什么要定義黑體呢？直接研究燈絲等物體的輻射不行嗎？師：這個問題提得好，這是因為一般的物體會反射別的物體的輻射，這樣觀測到的就不全是這個物體本身輻射的能量了。生：噢，原來是要觀測物體本身的熱輻射規(guī)律。師：右上圖中是一條奇妙的曲線，黑體的熱輻射為什么會有這樣的規(guī)律呢？許多物理學家根據(jù)經(jīng)典物理學的理論進行分析，試圖從當時經(jīng)典的物理學理論中推導出一個描述黑體輻射規(guī)律的公式，比較著名的有兩個用不同方法推導出的公式：一個是維恩公式還有一個是瑞利-瓊斯公式。 但是這用兩個公式算出各種同波長的輻射強度，都與實驗觀測到的結果不完全符合。維恩公式算得的結果在短波區(qū)域與實驗較吻合，但長波區(qū)域與實驗結果偏差較大；而瑞利-瓊斯公式算得的結果則在長波區(qū)域與實驗較吻合，在短波區(qū)域卻與實驗結果相差較大，更糟的是瑞利-瓊斯公式算得隨著波長變短即輻射在紫外波長區(qū)域時，輻射強度會變成無限大，但實驗測得在波長很短的紫外區(qū)域的輻射強度卻是趨于零。當時科學界稱其為“紫外災難”，這就是第二朵“烏云”的由來。面對這樣令人不安局面，同學們想想看，怎么辦呢？生：維恩公式和瑞利-瓊斯公式是怎么推導的呀？會不會是推導錯了呢？師：由于我們的物理知識不夠，所以暫時沒有辦法了解他們公式推導的過程和方法，不過當時的確有不少的物理學家按照經(jīng)典的物理學原理對推導過程做過各種修正，但總是顧此失彼無法得到能與實驗結果完全吻合的公式。后來德國的物理學家普朗克，經(jīng)過長時間的研究，在百思不得其解的困境中，迫不得已做了一個大膽的假設，他發(fā)現(xiàn)只有做這個假設，得到的公式才會與實驗結果完全吻合。這個假設在今天看起來具有劃時代的意義，叫做量子假說。認為物質(zhì)輻射或吸收能量不是經(jīng)典物理理論中認識的那種可以任意大小連續(xù)不斷的。而是不連續(xù)的、一份一份的，物質(zhì)輻射或吸收的能量只能是某個最小能量的整數(shù)倍。這個最小的能量叫做一個量子【板書】二、量子假說：物質(zhì)輻射或吸收的能量是不連續(xù)的，只能是一種最小能量的整數(shù)倍。e=n （n=0,1,2,3,） =h=hc/ ( h稱為普朗克常數(shù) )經(jīng)典電磁理論中電磁波的能量是由波的振幅決定的，但在量子假說中最小能量卻是與輻射的頻率成正比的。做這樣的假設后，普朗克推導得出了一個描述黑體輻射規(guī)律的公式：【板書】普朗克公式：用這個公式算得的各種波長下的輻射強度與實驗測得的結果竟然完全吻合，獲得了極大的成功。同學們想一想，討論一下，這件事意味著什么？（學生們幾個人一組進行分析討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）生1：覺得有點不可思議，這給人一種生搬硬套，拼湊答案的感覺。生2：如果真的沒有別的辦法，也只好這樣了。生3：根據(jù)經(jīng)典的物理理論總得不到與實驗完全符合公式，就說明經(jīng)典的物理學理論有局限性，不能認為一定是永遠正確的。生4：我認為可以接受普朗克的假設，因為科學就是要尊重事實，既然普朗克的得到的結果與實驗結果能符合得那么好，就表明他所做的假設是符合客觀實際的，也就是說能量輻射其實就真的是一份一份的不連續(xù)的。師：嗯，同學說得都很好，普朗克提出他的量子觀點后，在當時的科學界也和同學們現(xiàn)在一樣發(fā)生了激烈的爭論，真理必須能經(jīng)受時間的考驗，對量子觀點覺得不可思議的同學可以持保留態(tài)度。隨著我們今后的學習，同學們將會看到，量子觀點不斷表現(xiàn)出它強大的生命力，最終被科學界所廣泛認可了，并且由此開始了一場物理學的巨大變革。下一次的課我們就要來進一步了解量子觀點如何成功地解決了此后物理學研究中又遇到的的一系列難題?！景鍟苛孔佑^點開創(chuàng)了一場物理學的巨大變革。（三）小結： 師：通過前面的學習，同學們可不可以把能量量子化的觀點與經(jīng)典物理的能量觀點列表作一個比較呢？請同學們把這作為今天的小組作業(yè)回去討論完成。參考答案：量子觀點與經(jīng)典物理的能量觀點列表比較經(jīng)典物理能量觀量子觀能量的大小可以是連續(xù)的任意值能量的大小是不連續(xù)的，只能是最小能量子的整數(shù)倍。電磁輻射的能量由電磁波的振幅決定。電磁輻射的最小能量值與頻率成正比?！菊n后作業(yè)】課本122頁2.3.4.【課后反思】這個教學案例的設計將要研習的內(nèi)容逐層遞進展開。教學中考慮到學生的學習基礎和生活經(jīng)驗，加上兩個定性體驗的小實驗，增強了學生對物體熱輻射的體驗，通過這個體驗從具體到抽象地逐漸展開學習過程，使學生真正體悟熱輻射問題的物理意義。揭示經(jīng)典物理學理論與黑體輻射規(guī)律的矛盾，是本節(jié)課的關鍵。限于學生的知識局限，不可能在這節(jié)課中做詳細的定量分析，因此通過舉例把黑體的概念定性地剖析清楚，通過實驗的體驗引導學生把