《能量量子化》教案教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)：1、了解黑體輻射及其研究的歷史脈絡(luò)，感悟以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法。2、了解能量子的概念及其提出過(guò)程，領(lǐng)會(huì)這一科學(xué)概念的創(chuàng)新性突破中蘊(yùn)含的偉大科學(xué)思想。3、了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)，體會(huì)量子理論極大地豐富和深化了人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。教學(xué)重點(diǎn)：能量量子化的基本概念和創(chuàng)立過(guò)程。教學(xué)難點(diǎn)：1、理解能量的量子化與能量的連續(xù)性存在著根本顛覆性的概念沖突；2、理解物理學(xué)家提出能量量子化理論是對(duì)客觀世界本質(zhì)的尊重和近代物理學(xué)發(fā)展的必然要求。也是當(dāng)今現(xiàn)代社會(huì)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力源泉和根基。教學(xué)過(guò)程時(shí)間教學(xué)環(huán)節(jié)主要師生活動(dòng)環(huán)節(jié)一引入環(huán)節(jié)二熱輻射環(huán)節(jié)三：黑體輻射和紫外災(zāi)難環(huán)節(jié)四：能量量子化環(huán)節(jié)五：能量量子化的發(fā)展—光子和能級(jí)環(huán)節(jié)六小結(jié)環(huán)節(jié)一：引入【教師】我們首先看兩個(gè)圖片：眾志成城抗疫情，今年，這樣的場(chǎng)景我們?cè)偈煜げ贿^(guò)了。那么，大家想過(guò)沒(méi)有，這種手持測(cè)溫槍不與人體接觸，是如何測(cè)出體溫的呢？再來(lái)看工人日?qǐng)?bào)2013年7月16日刊登的一篇文章，河北省五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)芦@得者王志剛，目測(cè)鋼水溫度和實(shí)測(cè)溫度之差只有5攝氏度，看火焰的顏色深淺就能知道鋼水溫度，這樣的絕活，背后凝聚著煉鋼工人的辛苦勞動(dòng)，那么，你知道煉鋼工人熟練技術(shù)后面的科學(xué)依據(jù)嗎。今天我們一起來(lái)了解與之相關(guān)科學(xué)知識(shí)。環(huán)節(jié)二：熱輻射【教師】上節(jié)課我們知道，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)向周?chē)鷤鞑?，形成電磁波。而一切物體內(nèi)都存在不停運(yùn)動(dòng)的帶電微粒，帶電微粒的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)就會(huì)向外輻射電磁波。我們周?chē)磺形矬w都在輻射電磁波，這種輻射與溫度有關(guān)，也稱(chēng)熱輻射。【問(wèn)題1】熱輻射有什么特點(diǎn)呢？【學(xué)生】思考?！窘處煛看蠹铱催@幅圖，鐵塊從發(fā)熱到發(fā)光，溫度不同，顏色不同，顏色不同代表的就是輻射的電磁波的波長(zhǎng)不同，從電磁波譜可以知道，紅光的波長(zhǎng)長(zhǎng)，紫光的波長(zhǎng)短。溫度升高時(shí)，鐵塊有暗暗的紅色轉(zhuǎn)變成明亮的黃色。大量實(shí)驗(yàn)表明，輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布規(guī)律隨物體的溫度不同而不同，溫度升高時(shí)，波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)我們看到鐵塊顏色是明亮的黃色時(shí)，就可以判斷他比發(fā)暗紅色的鐵塊溫度高。煉鋼工人正是通過(guò)觀察顏色而判斷溫度的。當(dāng)然，要精確到5攝氏度，還需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累。人體向外輻射的電磁波不在可見(jiàn)光的范圍內(nèi)，我們?nèi)搜塾^察不到，測(cè)溫槍可以探測(cè)到，從而來(lái)判斷人體溫度高低的。根據(jù)這個(gè)原理，我們可以推測(cè)物體的溫度高低。【問(wèn)題2】晴朗的夜空繁星閃爍，有的恒星顏色偏紅，有的恒星顏色偏藍(lán)。對(duì)于“紅星”和“藍(lán)星”，你能判斷出哪種恒星的表面溫度更高嗎？【學(xué)生】思考?！窘處煛看笥械耐瑢W(xué)說(shuō)，這個(gè)太簡(jiǎn)單了，因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來(lái)越強(qiáng)，藍(lán)光的波長(zhǎng)比紅光的波長(zhǎng)短，所以我們判斷藍(lán)星的溫度更高?！締?wèn)題3】那么你知道藍(lán)星的溫度是多少度嗎?【學(xué)生】思考?！窘處煛窟@就比較難了。通過(guò)定性的判斷，我們能比較溫度的高低，如果要精確測(cè)量，就必須掌握輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的分布與物體的溫度之間的定量關(guān)系。這就是人們?yōu)槭裁匆芯繜彷椛涞脑?。要研究熱輻射與物體溫度的關(guān)系，就必須排除其他因素的影響。但是，一個(gè)物體除了熱輻射外，物體表面還會(huì)反射外界射來(lái)的電磁波。我們?cè)谌粘Ｉ钪卸贾?，白色物體幾乎反射所有波長(zhǎng)的可見(jiàn)光而呈白色，黑色的物體幾乎不反射可見(jiàn)光而呈黑色，這就告訴我們反射的電磁波與物體的顏色有關(guān)。這種反射的電磁波和輻射的電磁波混在一起，對(duì)物體自身的熱輻射造成了一定的干擾。怎么辦?如果有一個(gè)物體只輻射電磁波，不反射電磁波，就像這個(gè)黑色的物體一樣就好了。為了研究方便，我們依據(jù)這個(gè)建立一個(gè)物理模型。環(huán)節(jié)三：黑體輻射和紫外災(zāi)難如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就叫做黑體。黑體不反射電磁波。但可以向外輻射電磁波。黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與它的溫度有關(guān)?！緦W(xué)生】思考?！窘處煛亢隗w是一個(gè)模型，他和我們學(xué)習(xí)過(guò)的所有物理模型一樣，比如質(zhì)點(diǎn)模型、點(diǎn)電荷模型等，都是理想化的，抽象化的，現(xiàn)實(shí)中并不存在。但在現(xiàn)實(shí)生活中，有很多物體，他們反射的電磁波和輻射的電磁波相比很少的話，反射電磁波的影響就可以忽略不計(jì)，那么我們就可以把他們當(dāng)成是黑體?！締?wèn)題1】生活中，哪些物體可以看作是黑體？【學(xué)生】思考。【教師】在黑盒子上開(kāi)一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，最終幾乎不能從小口或窗口射出，遠(yuǎn)處建筑物上小小的窗口看起看來(lái)很黑就是這個(gè)道理，他們就可以近似看成一個(gè)黑體。還有煙煤，遙遠(yuǎn)的恒星。反射的電磁波和輻射的電磁波相比很少，我們也可以近似看成黑體。只要掌握黑體輻射的定量規(guī)律，就可以測(cè)量物體的溫度了，這使得黑體輻射有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。因此，歷史上，科學(xué)家曾經(jīng)特別重視對(duì)黑體輻射的研究。讓我們把時(shí)間回到19世紀(jì)末，了解一下黑體輻射研究的歷史背景。19世紀(jì)，物理學(xué)飛速發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都取得了很大的成功：力學(xué)方面牛頓三定律和萬(wàn)有引力定律建立起一個(gè)完整的力學(xué)理論體系。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。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。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)已發(fā)展到頂峰。1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上，物理學(xué)家開(kāi)爾文充滿自信的說(shuō):“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。只是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，……”這兩朵烏云，其中一朵就是黑體輻射與紫外災(zāi)難。那么什么是紫外災(zāi)難？當(dāng)時(shí)關(guān)于黑體輻射的研究究竟發(fā)生了什么，讓人們稱(chēng)之為災(zāi)難？大家認(rèn)真閱讀學(xué)習(xí)任務(wù)中的閱讀材料。并回答下面的問(wèn)題：【問(wèn)題1】當(dāng)時(shí)，人們?yōu)槭裁匆M(jìn)行黑體輻射的研究？【問(wèn)題2】科學(xué)家試圖用經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律時(shí)，遇到了什么困難？什么是“紫外災(zāi)難”？【學(xué)生】閱讀思考?！窘處煛?9世紀(jì)后半葉，第二次工業(yè)革命極大地推動(dòng)了冶金工業(yè)的發(fā)展，而冶金對(duì)高溫測(cè)量技術(shù)的需求及天文學(xué)等方面的需要?jiǎng)t推動(dòng)了對(duì)黑體輻射的研究。通過(guò)精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了如圖所示的黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律?？梢钥吹剑矬w溫度升高時(shí)，熱輻射強(qiáng)度增大，而且輻射強(qiáng)度最大的電磁波的波長(zhǎng)越來(lái)越短。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的規(guī)律呢，如何解釋這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？物理學(xué)家總是力圖用已有的知識(shí)來(lái)解釋新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和規(guī)律。當(dāng)時(shí)，很多科學(xué)家依據(jù)經(jīng)典的熱學(xué)和電磁學(xué)的知識(shí)尋求黑體輻射的理論解釋。我們來(lái)看第二個(gè)問(wèn)題，當(dāng)時(shí)，很多科學(xué)家試圖給出黑體輻射規(guī)律的理論解釋?zhuān)疾荒艹晒?，其中一條是英國(guó)物理學(xué)家瑞利在1900年提出的，瑞利公式在長(zhǎng)波區(qū)與實(shí)驗(yàn)基本一致，但在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符，不但不符，而且當(dāng)波長(zhǎng)很小時(shí)，輻射強(qiáng)度竟變成無(wú)窮大，這顯然是荒謬的。非常成熟的熱力學(xué)與非常成功的電磁場(chǎng)理論相結(jié)合，導(dǎo)出的結(jié)果居然與高精度的光學(xué)實(shí)驗(yàn)相背！這個(gè)結(jié)果引起了物理學(xué)家的震驚。被稱(chēng)為是物理學(xué)經(jīng)典理論的災(zāi)難，由于波長(zhǎng)很小的輻射處在紫外線波段，故而稱(chēng)為“紫外災(zāi)難”。環(huán)節(jié)四：能量量子化對(duì)于當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。為了得出同實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，德國(guó)物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試和激烈的思想斗爭(zhēng)。最后他不得不承認(rèn)：微觀世界的某些規(guī)律在我們宏觀世界看來(lái)可能非常奇怪。如果我們要解釋這個(gè)現(xiàn)象，只有一個(gè)出路，就是認(rèn)為電磁波的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的。1900年，普朗克作出了這樣的大膽假設(shè)：振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的大小為ε＝hν,ν是電磁波的頻率，h是一個(gè)常量，后人稱(chēng)之為普朗克常量，其值為h＝6.63×10-34J·s這里面有兩個(gè)對(duì)立的概念，連續(xù)和不連續(xù)即量子化。我們生活中也有連續(xù)和不連續(xù)的事物變化?！締?wèn)題3】你能不能找到一個(gè)實(shí)例，來(lái)區(qū)別“連續(xù)”和“量子化”?！緦W(xué)生】閱讀思考?！窘處煛恳粋€(gè)單擺，在擺動(dòng)過(guò)程中，受到摩擦阻力的作用，能量不斷減小，能量的變化是連續(xù)的。人是不連續(xù)的，我們可以說(shuō)一個(gè)班由35名學(xué)生，或30名學(xué)生，但不會(huì)由25.2個(gè)學(xué)生。這是供行人行走的樓梯和坡道，對(duì)于坡道高度的變化是連續(xù)的，對(duì)于樓梯，高度的變化是不連續(xù)的，一個(gè)人可以上一個(gè)臺(tái)階，兩個(gè)臺(tái)階，但是不可以上1.5個(gè)臺(tái)階停在那里。借助于量子化的假說(shuō)，普朗克得出了黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的公式，與實(shí)驗(yàn)符合的非常完美。按理說(shuō)，這樣的結(jié)果普朗克應(yīng)該高興，但是，普朗克沒(méi)有，不但沒(méi)有，還非?？只?。因?yàn)樵诤荛L(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)，不僅是物理學(xué)界，就是整個(gè)科學(xué)和哲學(xué)界都認(rèn)為，一切自然過(guò)程都是連續(xù)的。數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家萊布尼茲曾經(jīng)說(shuō)道：“自然界不會(huì)突變。如果要對(duì)此提出疑問(wèn)，那么世界將會(huì)出現(xiàn)許多間隙，這就迫使我們?nèi)テ蚯笊耢`來(lái)解釋自然現(xiàn)象了。間斷性同科學(xué)格格不入?！闭沁@樣的信條使普朗克害怕。他對(duì)兒子說(shuō)，自己的發(fā)現(xiàn)“要么是荒誕無(wú)稽的，要么也許是牛頓以來(lái)物理學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。”現(xiàn)在我們知道，普朗克提出的能量量子化假設(shè)其實(shí)是一個(gè)劃時(shí)代的大發(fā)現(xiàn)，為物理學(xué)的又一次飛速發(fā)展指明了方向。當(dāng)然，一種新的思想，一種新的觀念，要讓人們接受，是需要時(shí)間的。最早認(rèn)識(shí)到能量量子化概念的意義和正確性的是年輕的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦。環(huán)節(jié)五：能量量子化的發(fā)展—光子和能級(jí)光子：19世紀(jì)，另外一種現(xiàn)象也一直困擾著物理學(xué)家，人們發(fā)現(xiàn)照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。被稱(chēng)之為光電效應(yīng)現(xiàn)象。1905年，為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦把普朗克能量子的假設(shè)進(jìn)行了推廣，他認(rèn)為普朗克的觀點(diǎn)是不徹底的，僅僅認(rèn)為電磁波在吸收和輻射時(shí)，才顯示出不連續(xù)性是不夠的，實(shí)際上電磁場(chǎng)本身就是不連續(xù)的。也就是說(shuō)，光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量為hν，h為普朗克常量。這些能量子后來(lái)被叫作光子。愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)，成功的解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。能級(jí)：另一位把量子化假設(shè)向前推進(jìn)的是丹麥物理學(xué)家玻爾。我們?cè)诔踔谢瘜W(xué)中學(xué)習(xí)過(guò)，原子由原子核和核外電子組成，核外電子在繞核做高速的運(yùn)動(dòng)。離核越遠(yuǎn)，能量越高，離核越近，能量越低，根據(jù)經(jīng)典電磁理論，高速運(yùn)動(dòng)的電子，不斷向輻射電磁波，使得電子的能量越來(lái)越低，這個(gè)變化是連續(xù)的，也就是說(shuō)，我們應(yīng)該看到原子輻射的各種頻率（波長(zhǎng)）的光，即原子的光譜應(yīng)該總是連續(xù)的；而實(shí)際上看到的是分立的線狀譜。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾提出：原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫能級(jí)。通常情況下，原子處于能量最低的狀態(tài)，這是最穩(wěn)定的。處在較高的能級(jí)的原子是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)躍遷，放出光子。放出的光子的能量，等于前后兩個(gè)能級(jí)之差。由于原子的能級(jí)是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。玻爾將量子化的科學(xué)觀點(diǎn)引入到了原子系統(tǒng)，很好的解釋了原子的線狀光譜，進(jìn)一步發(fā)展了普朗克的量子假說(shuō)。正是在不斷的實(shí)踐檢驗(yàn)的證明中，量子化的觀點(diǎn)才逐漸被大家接受和認(rèn)可。環(huán)節(jié)六：小結(jié)這節(jié)課，我們通過(guò)三段物理學(xué)史，了解了量子化概念建立發(fā)展的過(guò)程，為了解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，普朗克1900年提出了能量量子化的概念，從此，物理學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的紀(jì)元。普朗克本人因此獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。五年之后，愛(ài)因斯坦在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了光量子的概念，成功解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。丹麥物理學(xué)家玻爾在1913年把量子化的觀念應(yīng)用到原子系統(tǒng)，提出了自己的能級(jí)假說(shuō)，成功地解釋了氫原子的分立光譜。獲得1922年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光量子和能級(jí)的提出，深化了普朗克能量量子化的假說(shuō)。量子化的觀點(diǎn)逐漸被人們認(rèn)可，但科學(xué)研究并沒(méi)有因此而結(jié)束，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些成功的理論都和普朗克常數(shù)有關(guān)。這就預(yù)示著這些理論之間存在著某種緊密的內(nèi)在聯(lián)系。正是由于科學(xué)家們敏銳的洞察力和鍥而不舍的科學(xué)精神，20世紀(jì)，量子力學(xué)誕生了。它不但可以很好的描述微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮著重大的作用。有興趣的同學(xué)可以閱讀課后推薦的學(xué)習(xí)資源，了解什么是量子力學(xué)，以及它和我們豐富多彩的現(xiàn)代生活之間關(guān)系。今天的課就上到這里，同學(xué)們?cè)僖?jiàn)。合格考達(dá)標(biāo)練1.對(duì)黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)分布的影響因素是()A.溫度 B.材料C.表面狀況 D.以上都正確答案A解析影響黑體輻射電磁波的波長(zhǎng)分布的因素是溫度,故選項(xiàng)A正確。2.關(guān)于對(duì)熱輻射和黑體輻射的認(rèn)識(shí),下列說(shuō)法不正確的是()A.溫度越高,黑體輻射的電磁波越強(qiáng)B.冷的物體只吸收電磁波C.黑體輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況只與物體的溫度有關(guān),與材料的種類(lèi)及表面狀況無(wú)關(guān)D.常溫下看到的不透明、非發(fā)光物體的顏色是反射光的顏色答案B解析一切物體都在不停地向外輻射電磁波,溫度越高,黑體輻射的電磁波越強(qiáng),A正確,B錯(cuò)誤;選項(xiàng)C是黑體輻射的特性,C正確;常溫下看到的不透明、非發(fā)光物體的顏色是反射光的顏色,D正確。本題選不正確的,故選B。3.硅光電池是將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能。若有N個(gè)波長(zhǎng)為λ0的光子打在硅光電池極板上,這些光子的總能量為(h為普朗克常量,c為真空中的光速)()A.hcλ0 B.C.Nhλ0 D.2Nhλ0答案B解析一個(gè)光子的能量ε=hν=hcλ0,則N個(gè)光子的總能量E=Nhcλ04.影響黑體輻射強(qiáng)度的因素是()A.只有溫度 B.只有波長(zhǎng)C.與波長(zhǎng)和溫度都有關(guān) D.與波長(zhǎng)和溫度都無(wú)關(guān)答案C解析黑體輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)和溫度都有關(guān)系,故C正確。等級(jí)考提升練5.(多選)以下宏觀概念中,哪些是“量子化”的()A.物體的帶電荷量 B.物體的質(zhì)量C.物體的動(dòng)量 D.學(xué)生的個(gè)數(shù)答案AD解析所謂“量子化”是指不連續(xù)的,一份一份的,故選A、D。6.第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)于2018年11月通過(guò)決議,正式更新了千克、安培、開(kāi)爾文和摩爾四個(gè)基本單位的定義,國(guó)際測(cè)量界的百年夙愿終于實(shí)現(xiàn)——國(guó)際測(cè)量體系將全部建立在基本物理常數(shù)上,大大提高了計(jì)量的穩(wěn)定性和精確性。比如,最受關(guān)注的“千克”,不再以具體實(shí)物的質(zhì)量來(lái)定義,而將以量子力學(xué)中的普朗克常量h為基準(zhǔn),經(jīng)過(guò)一系列物理?yè)Q算,算出質(zhì)量。已知普朗克常量與頻率的乘積可以表示能量,下列屬于用國(guó)際單位制的基本單位來(lái)表示普朗克常量