高中物理 4.1 量子概念的诞生教学课件 教科版选修35.ppt

1量子概念的诞生 1 了解黑体辐射实验规律 2 了解在用经典物理理论解释黑体辐射实验规律时所遇到的困难 3 了解普朗克能量子假设 一 黑体与黑体辐射热辐射 周围的一切物体都在辐射 这种辐射与有关 所以叫热辐射 黑体 某种物体能够入射的各种波长的电磁波而不发生 这种物体就是绝对黑体 简称黑体 黑体辐射的特性 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的有关 电磁波 物体温度 完全吸收 反射 温度 二 黑体辐射的实验规律一般材料的物体 辐射的电磁波除与有关外 还与材料的种类及表面状况有关 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的有关 如图4 1 1所示 图4 1 1 1 随着温度的升高 各种波长的辐射强度都 2 随着温度的升高 辐射强度的极大值向波长较的方向移动 温度 温度 有增加 短 三 能量子 超越牛顿的发现量子化假说黑体的空腔壁是由大量振子 振动着的带电微粒 组成的 其能量只能是某一最小能量值 的倍 当振子辐射或吸收能量时 也是以这个最小能量值为单位地进行 能量子 1 定义 不可再分的最小能量值 2 关系式 h 式中 是 h称 且h 整数 一份一份 电磁波的频率 普朗克常量 6 626 10 34j s 3 量子化假设的意义传统的电磁理论认为光是一种 能量是的 能量大小决定于波的和光照时间 普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释的困难 而提出了能量量子化假说 使人类对微观世界的本质有了全新的认识 对现代物理学的发展产生了革命性的影响 普朗克常量h是自然界最基本的常量之一 它体现了微观世界的基本特征 电磁波 连续变化 频率 一 黑体辐射及其实验规律对黑体的理解 1 如果某种物体在任何温度下都能够完全吸收入射的各种电磁波而不发生反射 这种物体就是黑体 所谓 黑体 是指能够全部吸收所有频率的电磁辐射的理想物体 绝对的黑体实际上是不存在的 2 黑体看上去不一定是黑的 只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的 有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射 看起来还会很明亮 如炼钢炉口上的小孔 3 黑体同其他物体一样也在辐射电磁波 黑体的辐射规律最为简单 黑体辐射强度只与温度有关 黑体辐射的实验规律 1 黑体辐射的实验规律如图4 1 2所示 揭示了黑体辐射强度按波长分布的情况 随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加 随着温度的升高 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 图4 1 2 2 黑体辐射实验规律的理论解释 经典物理学认为 物体中存在着不停运动的带电微粒 每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场 从而产生电磁辐射 于是 人们很自然地要依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释 1900年 英国物理学家瑞利 以及1896年 德国物理学家维恩分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式 如图4 1 3所示 但是 维恩公式在短波区与实验非常接近 在长波区与实验偏离很大 瑞利公式在长波区与实验基本一致 但短波区与实验严重不符 德国物理学家普朗克对黑体辐射问题进行了系统的理论研究 他结合有关实验证据 于1900年10月推导出了普朗克公式 德国实验物理学家鲁本斯 h rubens 把它与实验数据进行了比较 发现与实验结果 令人满意地相符 图4 1 3 二 能量子的理解普朗克的量子化假说 能量子振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍 例如 可能是 或2 3 当带电微粒辐射或吸收能量时 也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的 这个不可再分的最小能量值 叫做能量子 h 是电磁波的频率 h是一个常量 后被称为普朗克常量 其值为h 6 626 10 34j s 量子化假说的实验证实能量的量子化可以非常合理地解释某些电磁波的辐射与吸收现象 在黑体辐射规律的解释中 普朗克公式与实验结果相比 发现它与实验结果 令人满意地相符 如图4 1 4所示 图4 1 4小圆代表实验值 曲线是根据普朗克的公式作出的 量子化现象在宏观世界里 一个物理量的取值通常是连续的 但在微观世界里 物理量的取值多是不连续的 只能取一些分立的值 物理量分立取值的现象称量子化现象 量子化理论成为新物理学思想的基石之一 典例1 黑体辐射的实验规律如图4 1 5所示 由图可知 a 随温度升高 各种波长的辐射强度都有增加b 随温度降低 各种波长的辐射强度都有增加c 随温度升高 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动d 随温度降低 辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 黑体辐射实验规律 解析由图可知 随温度升高 各种波长的辐射强度都有增加 且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 当温度降低时 上述变化都将反过来 故a c d正确 b错误 答案acd 图4 1 5 借题发挥物体发出的光的频率覆盖的范围很广 温度越高 频率高的光的份额越多 但是其他频率 其他颜色的光同样存在 只是份额较少 变式1 下列关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有 a 随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加b 随着温度的升高 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动c 黑体热辐射的强度与波长无关d 黑体辐射无任何实验解析黑体辐射的规律为随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加 同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 答案ab 对普朗克能量子的理解 借题发挥 1 本题求的是每秒钟的问题 实际上可以任意设定一个时间t 通过功率与时间的乘积获取能量关系式 即可解决问题 2 解答此类题目要明确两点 第一 运用能量守恒定律 正确求得光子数 第二 正确建立模型 即以太阳 或灯泡 为球心 日地距离 或灯泡与某处距离 为半径的球面模型和以地球半径为圆平面面积 某处单位面积 模型 量子物理学引发奇谈怪论 薛定谔的猫量子论被公认为是科学史上最成功的 被实验结果符合最好的理论 但另一方面 它却和人类日常生活的经验如此格格不入 量子物理学家告诉我们 物质在被测量之前是不确定的 不确定性 是量子世界的基本法则 观测是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键 那么 神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢 在经典极限情况下 通过合理的近似 量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论 但如何描述这两个世界的交界面 成了量子论过不去的一个坎 直到现在 理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来 德国物理学家薛定谔曾设计出物理学史上最著名的动物 薛定谔的猫 这是一个思想实验 不透明的箱子里装着一只猫 箱子中另外还有一个原子衰变装置 原子会随机发生衰变 一旦衰变发生 就会激发一系列连锁反应 最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫 反之猫则活 在打开箱子观测那一