1、波粒二象性 第 十 七 章 1 能量量子化 1.知道微观粒子的能量是不连续变化的。2.知道能量量子化是研究微观世界的基本观点。3.知道能量子的概念。4.会用=hv和公式进行计算。cv学 习 目 标 首先介绍能量量子化发现的背景，并利用铁块加热的例子，让学生观察现象，引出新课热辐射的概念和热辐射的现象，然后让学生阅读教材，并引出黑体的概念，同时展示黑体模型，并引导学生阅读教材“黑体辐射的实验规律”，通过课件展示讲解黑体辐射的实验规律。又通过“紫外灾难”无法用已有理论解释黑体辐射的规律，而引出能量子的概念，通过课件展示普朗克的能量子假说和黑体辐射公式。本节知识对学生来说，相关经验较少，理解起来有一
2、定困难。比如黑体辐射规律、研究黑体和理想黑体模型作用、“紫外灾难”、“量子化”和“连续性”等问题都是学生先前没有接触过的。因此在学生预习阅读的基础上以教师的生动讲解为主，在讲解过程中利用多媒体投影，以生活中的实物粒子展现“连续性”和“量子化”的概念，同时教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架，亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键。设 计 思 路 19 世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。另外还
3、找到了力、电、光、声 等都遵循的规律 能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到尽头了。知 识 链 接 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，”科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了 这两朵乌云是指什么呢？后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命性的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。黑体辐射实验 迈克尔逊-莫雷实验 普朗克量子力学的
4、诞生相对论问世这两朵乌云到底是怎么回事呢？量 子 力 学相 对 论微 观 领 域高 速 领 域经 典力 学在火炉旁边有什么感觉？投在炉中的铁块开始是什么颜色？过一会又是什么颜色？加热铁新 课 导 入 1.概念：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。固体在温度升高时颜色的变化1400 K800 K1000 K1200 K例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红经橘红直到黄白色新 课 讲 授 2.热辐射的原因：物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率做无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱
5、。3.特点：辐射强度及波长成分的分布随温度变化；随着温度的升高，电磁波的短波成分增加。注意：激光、日光灯发光不是热辐射直觉:低温物体发出的是红外光炽热物体发出的是可见光高温物体发出的是紫外光4.热辐射的主要成分：室温时，主要成分是波长较长的电磁波；当温度升高时，波长较短的电磁波成分越来越强。5.热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。向外发射的电磁波能量=从外界吸收的能量从远处观察我们上课的教学楼，打开的窗子与关闭的窗子有什么不同？为什么？从远处观察打开的窗子近似黑色？想 一 想 物体表面能够吸收和反射外界射来的电磁波。如果某种物
6、体能够在任何温度下，对入射的任何波长的电磁波都完全吸收，而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。不透明材料制成的带小孔的空腔空腔壁上的小孔1.黑体是个理想化的模型。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。2.对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。3.一般物体的辐射与温度、材料的种类及表面状况有关，但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，因而反映了某种具有普遍意义的客观规律。请 注 意 1.测量黑体辐射的实验原理图加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础平行光管三棱镜TT空 腔单位
7、时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。（了解）特点：随温度的升高 各种波长的辐射强度都在增加；绝对黑体的温度升高时，辐射强度的最大值向短波方向移动。2.辐射强度3.经典物理学所遇到的困难解释实验曲线 一朵令人不安的乌云1)维恩的半经验公式：短波符合，长波不符合2)瑞利 金斯公式：长波符合，短波荒唐 紫外灾难维恩线紫外灾难0实验值/mM,T12345678瑞利 金斯线普朗克能量子假说 1.辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能量是某一最小能量的整数倍：E=n n=1，2，2.叫能量子，简称量子，n 为量子数，它只取正整数 能量量子化；3.谐振子只能一份一份按不连续
8、方式辐射或吸收能量；4.对于频率为 的谐振子，最小能量为：=hh=6.62610 34 Js 普朗克常量能量量子经典黑体辐射公式 1900 年 10 月19 日，普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式M.Planck 德国人 18581947h=6.62610 34 Js 322()1hkThM Tce 维恩线紫外灾难0实验值/mM,T12345678瑞利 金斯线普朗克h=6.62610 34 Js 322()1hkThM Tce 普朗克 爱因斯坦 Planck 抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按
9、不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从宏观领域进入到微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。1918年他荣获诺贝尔物理学奖。死后他的墓碑上只刻着他的姓名和 h=6.62610 34 Js 科 学 视 野 既然灯向外辐射的光能是分立的，一份一份的。为何我们看不到灯的亮度发生变化？1.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化。2.在研究微观粒子时必需考虑能量量子化。？想 一 想 1.热辐射现象2.黑体与黑体辐射黑体：吸收而不反射电磁波3.黑体辐射的实验规律温度升高，辐
10、射强度增加，强度的极大值向波长较短的方向移动4.能量子：超越牛顿的发现5.普朗克能量子理论成功解释黑体辐射=hh=6.62610-34Js 普朗克常量 课 堂 总 结 1.下列叙述正确的是()A.一切物体都在辐射电磁波B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波ACD课 堂 测 试 2.炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理?根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，温度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度。3.对应于3.4l0 19 J 的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？解：根据公式 =h 和 =得ch=5.131014 Hzcv=5.8510 7 m。
