(朱建林)能量量子化：物理学新纪元.doc

171 能量量子化：物理学的新纪元教学目标（一）知识与技能1了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射。2了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。3了解能量子的概念。（二）过程与方法1.通过定义黑体的过程，体验理想化的物理方法。2.通过黑体辐射实验规律的图象分析，体验用图象法描述物理规律的优越性。3.通过对P-R图象的类比分析，体会类比方法，提高对物理图象的分析能力。（三）情感、态度与价值观1.通过了解人们对黑体辐射的研究，体会人类对于物质世界的认识是不断深入的。2.通过了解对黑体辐射规律的解释，体会能量子的引入深化了人们对物质世界的认识。3.通过了解量子力学的建立过程，体会探索自然规律的艰辛与喜悦。教学重点能量子的概念教学难点黑体辐射的实验规律教学方法教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备课时安排1 课时教学过程（一）引入新课教师：介绍能量量子化发现的背景：（多媒体投影，见课件。）物理学的发展大致可以分为三个时期：时期发展阶段特点17世纪以前经验物理主要方法是直觉观察与哲学的猜测性思辨17世纪初至19世纪末经典物理系统的观察实验和严密的数学推导相结合20世纪初至今现代物理研究对象由低速到高速、由宏观到微观，物理学思想产生重大变革19世纪是经典物理学的峥嵘岁月，是一个构建科学理论大厦的时代，是理论与实验完美结合的时代，产生了很多著名的物理学家。物理学发展到19世纪末期，可以说已经达到了相当完美、成熟的程度。物理学的辉煌成就，使得不少物理学家踌躇满志、沉溺于欢快陶醉之中，1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言：“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。”也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！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，-”这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。正是这两朵乌云的飘动，引来了20世纪物理学革命的暴风骤雨，使整个自然科学进入了一个崭新的阶段。这“两朵乌云”成为20世纪伟大物理学革命的导火线。事隔不到一年（1900年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（1905年）从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓是“长江后浪推前浪”。可以说，对这两朵“乌云”的研究就标志着现代物理时代的到来。点出课题：这节课我们就来感受物理学新纪元的到来能量量子化的发现（二）进行新课1.热辐射教师：在当下，冬天的取暖除了空调，还有一种很流行的设备地暖。地暖学名叫“地板辐射供暖”，有水暖和电暖两类，目前市面上大多采用水暖。有传言说地暖辐射会致癌，你认为是真的吗？（播放视频）学生：思考、讨论（1）热辐射现象固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。教师：播放加热铁钉的视频学生：观察（从看不出发光到暗红到橙色到黄白色）黑体模型教师：热辐射的特点与温度有关；从能量转化的角度来认识，是热能转化为电磁能的过程；除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。2.黑体与黑体辐射教师：不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。（1）概念：能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。教师：（课件展示黑体模型）黑体是一个理想化了的物体，它可以吸收所有照射到它上面的辐射而不发生反射。一般物体的辐射与物体温度、材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与该黑体的温度有关，因而更具有普遍意义。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。3.黑体辐射的实验规律教师：引导学生阅读教材“黑体辐射的实验规律”，结合课件展示，讲解黑体辐射的实验规律。（1） 描述物理规律的手段有哪些？（文字、数学公式、图象）（2） 图象法的优点？0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K实验结果（3）如图所示。根据图象，请学生描述黑体热辐射的强度与波长的关系？学生：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。（4）呼应给铁钉加热的实验现象：随着温度的升高，铁钉的颜色依次呈现暗红、赤红、橘红等，直至成为黄白色，这表明辐射强度的极值的波长向波长较短的方向移动。 （5）教师：图象是描述物理规律的一种重要手段，且具有直观等独特的优越性。在闭合电路中（投影电路），电源的输出功率与外电阻的关系满足：根据这个关系式，随着外电阻的增大，输出功率的变化情况并不清晰；如果作出P-R图象（投影），这个变化情况就会一目了然。识图能力是学习物理的一种重要能力，已知如图所示的红、黑两条曲线分别是电源（E,r1）和电源（E,r2）的P-R图线，请根据图象比较r1和r2的大小关系？学生：讨论后回答教师：言归正传，我们回到黑体辐射的问题上来。怎样解释黑体辐射的实验规律呢？物理学家总是力图用已有的知识来解释新发现的现象和规律。德国物理学家维恩在1896年，英国物理学家瑞利在1900年，分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式，但都与实验不甚符合。课件展示：瑞利线。如图所示，维恩公式在长波区与实验偏离很大；瑞利公式在短波区（紫外光区，紫外线的波长比可见光短）与实验严重不符，而且当波长趋于0时，辐射强度竟变成无穷大，这显然是荒谬的，这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。4能量子：牛顿以来物理学最伟大的发现之一教师：利用已有的理论解释黑体辐射的规律，与实验不甚符合。怎么办？一种方法是进行修正、改进、改良；另一种方法是颠覆原有的观念，进而建立新的理论。在很长的历史时期内，不仅是物理学界，就是整个科学和哲学界都认为，一切自然过程都是连续的。例如弹簧振子的能量就是连续的。正是受到“能量连续变化”这一传统观念的束缚，关于黑体辐射的研究进展缓慢。1900年底，德国物理学家普朗克突破了“能量连续变化”的传统观念，正可谓是“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”，提出了能量量子化假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值，而是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：， 1，2，3，. n，n为正整数，称为量子数。对于频率为的谐振子最小能量为普朗克常量：h=6.62610-34Js这个最小能量值，就叫做能量子借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合之好令人击掌叫绝。教师：关于连续与分立（量子化）（投影示意图）。以下宏观概念中，哪些是量子化的？A.物体的长度 B.物体所受的重力C.物体的动能 D.人的个数变化的最小份额称为量子。量子化是微观体系基本的运动规律之一，它与经典力学是不相容的。 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，他对儿子说，自己的发现“要么是荒诞无稽的，要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一。”物理学后来的发展表明，普朗克把能量子引入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。1918年普朗克因此荣获了诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和普朗克曾说：科学的历史不仅是一连串事实、规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。5.关于量子力学（请语文科代表朗读）19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯普朗克、尼尔斯玻尔、沃纳海森堡、埃尔温薛定谔、沃尔夫冈泡利、路易德布罗意、马克斯玻恩、恩里科费米、保罗狄拉克、阿尔伯特爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。它的起源并不是一步到位的，是历史上少有的天才荟萃在一起共同创造了它。量子的概念如此的令人困惑，以至于在引入它以后的20年中几乎没有什么根本性的进展。普朗克能量量子化的概念，不仅与当时的物理学家们早已习惯了的方法相差甚远，而且与人们的普通常识也不相同，以致在量子假说提出后的最初五年时间里，并未引起物理学界的积极响应。瑞利和金斯不相信，马赫与彭加勒反对，洛仑兹甚至到1911年还在怀疑。德国有一本自然科学与技术史手册，在1908年出第二版，列举了1900年全世界120项发现与发明，就是没有提到普朗克的发现。而普朗克虽然已经敲开了量子世界的大门，他完全可以大胆地闯进去，获取更多丰硕的果实。然而，他犹豫了，在以后的十五年里，普朗克还尽量想把他的能量量子纳入经典物理学的框架，他说：“经典理论给了我们这样多有用的东西，因此必须以最大的谨慎对待它、维护它。”十五年动摇、徘徊、倒退的痛苦，终于使普朗克认识到能量量子的概念是完全不能用经典物理学解释的首先注意到量子假设有可能解决经典物理学所碰到的其他疑难的是爱因斯坦，他试图用量子假设去说明光电效应中碰到的疑难，提出了光量子概念，认为辐射场就是由光量子组成。每一个光量子的能量E与辐射的频率的关系是E=h。采用光量子概念之后，光电效应中出现的疑难随即迎刃而解。至此普朗克提出的能量不连续的概念才逐渐引起物理学家的注意。就这样，一位谨慎的物理学家普朗克掀起了20世纪初量子物理学革命的帷幕。普朗克尽管有许多局限，但毕竟是在科学变革时代的一个新理论的开拓者，他放出了量子幽灵，而这个幽灵最终改变了人们对世界的看法。正如科学家劳厄所说：“只要自然科学存在，它就将永远不会让普朗克的名字被遗忘” 量子物理学是研究微观粒子运动规律的学科，是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论。量子理论的突破首先出现在黑体辐射能量密度随频率的分布规律上，普朗克提出了量子化假设，大胆抛弃了经典物理学中物理量连续变化的旧观念，它不仅是对经典物理学的改造，而且是一次革命。后来的事实证明，随着普朗克能量子的提出，物理学理论发生了巨大的变革，它奠定了量子理论的基础，揭开了人类探索微观世界的序幕通过量子力学的发展，人们对物质的结构以及其相互作用的见解被革命化地改变。通过量子力学许多现象才得以真正地被解释，新的、无法直接想象出来的现象被预言，但是这些现象可以通过量子力学被精确地计算出来，而且后来也获得了非常精确的实验证明。除通过广义相对论描写的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写（量子场论）。尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的，但它对我们日常生活的影响无比巨大。没有量子力学作为工具，就不可能有化学、生物、医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。没有量子力学就没有全球经济可言，因为作为量子力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。同时，光子学的革命也将我们带入信息时代。20世纪物理学的发展表明，量子物理是人们认识和理解微观世界的基础。量子物理和相对论的成就使得物理学从经典物理学发展到现代物理学，奠定了现代自然科学的主要基础。当然，随着物理学和其它自然科学的进一步发展，人们认识的逐步深化，量子物理学也会进一步地丰富和发展。至今为止、量子力学的某些基本观念和哲学意义，科学家们仍然继续争论不休，这是一门科学在走向成熟过程中的一个必经的阶段。也非常希望我们在座同学中一某一位或某几位，能为量子物理学的发展作出自己的贡献。（三）课堂小结教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。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。板书设计教学体会1、有意地尽可能增加一些物理学史的内容，因为我个人觉得当下高中物理的教学对物理学史的重视程度不够。应该说，物理学史的熏陶，对培养学生追求真理的精神和坚韧不拔的意志，具有不可替代的作用