17.1《能量量子化：物理學的新紀元》教案

物理：《能量量子化：物理學的新紀元》教案物理名言：科學的歷史不僅是一連串的事實、規(guī)則和隨之而來的數(shù)學描述，它也是一部概念的歷史。當我們進入一個新的領域時，常常需要新的概念——普朗克（1858-1947）。德國物理學家，量子論的奠基人之一。最好的光學顯微鏡也看不到大小僅為10-10m的原子，那是因為可見光的波長太大了。要想看到更小的東西，需要選擇波長更短的波來幫忙！1932年一臺神奇的顯微鏡出現(xiàn)了，它就是電子顯微鏡。在這種顯微鏡下，我們真切的看到了物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡中，電子代替了光子！電子為什么能代替光呢？新課標要求1、內(nèi)容標準（1）了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點。體會量子論的建立深化了人們對于物質(zhì)世界的認識。（2）通過實驗了解光電效應。知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。（3）了解康普頓效應。（4）根據(jù)實驗說明光的波粒二象性。知道光是一種概率波。（5）知道實物粒子具有波動性。知道電子云。初步了解不確定性關(guān)系。（6）通過典型事例了解人類直接經(jīng)驗的局限性。體會人類對世界的探究是不斷深入的。例1：通過電子衍射實驗，初步了解微觀粒子的波粒二象性，體會人類對于物質(zhì)世界認識的不斷深入。2、活動建議：閱讀有關(guān)微觀世界的科普讀物，寫出讀書體會。能量量子化：物理學的新紀元三維教學目標1、知識與技能（1）了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射。（2）了解黑體輻射的實驗規(guī)律，了解黑體熱輻射的強度與波長的關(guān)系。（3）了解能量子的概念。2、過程與方法（1）了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點。（2）體會量子論的建立深化了人們對于物質(zhì)世界的認識。3、情感、態(tài)度與價值觀：領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。教學重點：能量子的概念教學難點：黑體輻射的實驗規(guī)律教學方法：教師啟發(fā)、引導，學生討論、交流。教學用具：投影片，多媒體輔助教學設備教學過程：第一節(jié)能量量子化：物理學的新紀元（一）引入新課介紹能量量子化發(fā)現(xiàn)的背景：（多媒體投影，見課件。）19世紀末頁，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內(nèi)能。在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。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。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認為物理學已經(jīng)發(fā)展到頭了。1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上，著名物理學家開爾文作了展望新世紀的發(fā)言：“科學的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！币簿褪钦f：物理學已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面在加幾位罷了！但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，----”這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實驗有關(guān)。然而，事隔不到一年（1900年底），就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著（1905年）從第二朵烏云中降生了相對論。經(jīng)典物理學的大廈被徹底動搖，物理學發(fā)展到了一個更為遼闊的領域。正可謂“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”。點出課題：我們這節(jié)課就來體驗物理學新紀元的到來――能量量子化的發(fā)現(xiàn)。（二）進行新課1、黑體與黑體輻射在了解什么是黑體與黑體輻射之前，請同學們先閱讀教材，了解一下什么是熱輻射。閱讀教材關(guān)于熱輻射的描述。通過課件展示，加深學生對熱輻射的理解。并通過課件展示，使學生進一步了解熱輻射的特點，為黑體概念的提出準備知識。（1）熱輻射現(xiàn)象固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。例如：鐵塊溫度升高從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色，從能量轉(zhuǎn)化的角度來認識，是熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程。（2）黑體除了熱輻射之外，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波。不同的物體吸收和反射電磁波的能力是不一樣的。概念：能全部吸收各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體，稱為絕對黑體，簡稱黑體。（課件展示黑體模型）不透明的材料制成帶小孔的的空腔，可近似看作黑體。如圖所示。研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎。黑體模型黑體模型2、黑體輻射的實驗規(guī)律閱讀教材“黑體輻射的實驗規(guī)律”，接合課件展示，講解黑體輻射的實驗規(guī)律。如圖所示。黑體熱輻射的強度與波長的關(guān)系：隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加，另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。提出1：怎樣解釋黑體輻射的實驗規(guī)律呢？在新的理論誕生之前，人們很自然地要依據(jù)熱力學和電磁學規(guī)律來解釋。德國物理學家維恩和英國物理學家瑞利分別提出了輻射強度按波長分布的理論公式。結(jié)果導致理論與實驗規(guī)律不符，甚至得出了非?；闹嚨慕Y(jié)論，當時被稱為“紫外災難”。（瑞利--金斯線，見課件）00123456(μm)1700K1500Kλ1300K1100K實驗結(jié)果3、能量子：超越牛頓的發(fā)現(xiàn)利用已有的理論解釋黑體輻射的規(guī)律，導致了荒謬的結(jié)果。必然會促使人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)新的理論。這就是能量子概念。1900年，德國物理學家普朗克提出能量量子化假說：輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學所允許的可具有任意值。相應的能量是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε，1ε，2ε，3ε，...nε，n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。對于頻率為ν的諧振子最小能量為：這個最小能量值，就叫做能量子。課件展示：普朗克的能量子假說和黑體輻射公式（1）黑體輻射公式普朗克在德國物理學會會議上提出一個黑體輻射公式：普朗克后來又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經(jīng)過十多年的努力證明任何復歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅定地相信h的引入確實反映了新理論的本質(zhì)。1918年普朗克榮獲了諾貝爾物理學獎。他的墓碑上只刻著他的姓名和（）黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)在人們的眼前，紫外災難的疑點找到了，為人類解決了一大難題。使熱愛科學的人們又一次倍感欣慰，但真理與謬誤之爭就此平息了嗎？（沒有）物理難題：1888年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)一個帶負電的金屬板被紫外光照射會放電。近10年以后，1897年，湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，此時，人們認識到那就是從金屬表面射出的電子，后來，這些電子被稱作光電子(photoelectron)，相應的效應叫做光電效應。人們本著對光的完美理論（光的波動性、電磁理論）進行解釋會出現(xiàn)什么結(jié)果？明天，我們就繼續(xù)學習“科學的轉(zhuǎn)折：光的粒子性”。課后練習1、我們周圍的一切物體都在輻射____________，這種輻射與物體的____________有關(guān)，所以叫______________。除了這種輻射以外，物體表面還會____________和____________外界射來的電磁波，若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____________，這種物體就叫____________。2、實驗測出了輻射的電磁波的強度按波長的分布情況。隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有____________，另一方面，輻射強度的極大值向波長____________的方向移動。3、微觀世界里的能量是一份一份的，其中不可分的最小值叫____________，它的值為_________。4、對一束太陽光進行分析，下列說法正確的是()A．太陽光是由各種單色光組成的復合光B．在組成太陽光的各單色光中，其能量最強的光為紅光C．在組成太陽光的各單色光中，其能量最強的光為紫光D．組成太陽光的各單色光的能量都相同5、一束紅光從空氣射入折射率為的玻璃，則這束紅光的能量將()A．增大B．減小C．不變D．無法確定6、對黑體輻射電磁波的波長分布有影響的是()A．溫度B．材料C．表面狀況D．質(zhì)量7、已知某單色光的波長為λ，在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則該電磁波輻射的能量子的值為()A．B．C．D．hcλ8、單色光從真空射入某介質(zhì)時，()A．波長變長，速度變小，光量子能量變小B．波長變長，速度變大，光量子能量不變C．波長變短，速度變小，光量子能量不變D．波長變短，速度變小，光量子能量變大9、關(guān)于光的傳播，下列說法正確的是()A．各種色光在真空中傳播速度相同，在同一介質(zhì)中傳播速度不同B．各種色光在真空中頻率不同，同一色光在不同介質(zhì)中頻率相同C．同一色光在不同介質(zhì)中折射率不同，不同色光在同一介質(zhì)中折射率相同D．各種色光在同一介質(zhì)中波長不同，同一色光在真空中的波長比在任何介質(zhì)中的波長長10、能正確解釋黑體輻射實驗規(guī)律的是()A．能量的連續(xù)經(jīng)典理論B．普朗克提出的能量量子化理論C．牛頓提出的能量微粒說D．以上說法均不正確11、某激光器能發(fā)射波長為λ的激光，發(fā)射功率為P，真空中光速為c，普朗克常量為h，則該激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為()A．B．C．D．12、普朗克常量h是自然界中的一個基本常數(shù)，它的值為()A．×10-23molB．×10-34mol·sC．×10-34J·sD．×10-19J·s13、由能量量子化假說可知，能量是一份一份的，而不是連續(xù)的，舉一些我們周圍不連續(xù)的實例。14、由能量量子化假說可知，能量是一份一份的，而不是連續(xù)的，但我們平時見到的宏觀物體的溫度升高或降低，