13.5能量量子化

〖教材分析〗

能量量子化是学生认识客观世界的一次飞跃。通过介绍近代物理知识和物理学史的重要的内容。本节通过对热辐射、黑体辐射的研究，进一步解释客观世界的本质。普朗克大胆的提出了量子化的概念，促进了量子力学的建立，引领我们进入了现代化社会。本课内容同样也是非常抽象，有利于培养学生的抽象化思维。

〖教学目标与核心素养〗

物理观念：能建立能量量子化的物理观念，知道普朗克能量量子公式，会简单计算。

科学思维：能量不连续的是微观世界和宏观世界的不同之处，能量不连续同样也适用于原子领域。

科学探究：了解黑体辐射及其研究的历史脉络，感悟以实验为基础的科学探究方法。

科学态度与责任：理解物理学家提出能量量子化理论是对客观世界本质的尊重和近代物理学发展的必然要求。也是当今现代社会、现代科学技术发展的动力源泉和根基。

〖教学重点与难点〗

重点：能量量子化的基本概念和创立过程。

难点：理解能量的量子化与能量的连续性存在着根本颠覆性的概念冲突;

〖教学准备〗

多媒体课件。

〖教学过程〗

一、新课引入

二、新课教学

（一）热辐射

1.一切物体都在辐射电磁波，辐射与物体的温度有关。

物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。

2.辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。

例如，随着温度的升高，铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。（动图展示铁块在高频电流热熔机下的颜色变化过程）

3.黑体

大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。如果辐射的波长正好在可见光的范围，你就可以看见物体发出的光是什么颜色了，其它的你是看不见的。（如上图的铁块）

除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。

如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。

黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波。因为黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关，所以，在研究热辐射的规律时，人们特别注意对黑体辐射的研究。另外像太阳，白炽灯也由于热辐射发光强度大，反射的光强可以忽略不计，所以也可以近似当做黑体。另外黑体的名字虽然有黑，但它不一定是黑色的，比如刚才说的灯泡。

产生热辐射的理论是怎么的呢？

我们知道物体中存在着不停运动的带电微粒，带电微粒的振动会产生变化的电磁场，，不断的变化，从而产生电磁辐射，如图（动图展示变化过程）。

于是，人们很自然地要依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。但是，用经典的电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重的困难。

为了解决这一困难，普朗克提出来能量量子化的概念，那么他是怎么提出这一概念的呢？

（二）能量子

为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试，进行了激烈的思想斗争。最后他不得不承认∶ 微观世界的某些规律在我们宏观世界看来可能非常奇怪。就像你们大人的世界一样。

1.能量子

假设∶振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 ε的整数倍。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。ε叫作能量子。

那它的一份有多大呢？就像元电荷一样最小是1.6×10^-19C。

ε=hν

h=6.626×10^-34J/s。——普朗克常量

类比：电磁波就好象是机关枪发射子弹，子弹是一颗一颗向前运动的，每一颗子弹就好象是一份电磁波。

2.能量子的观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同

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，与实验符合得非常好。结果虽然很不错，但是能量子的理论引起了很大的争议，连它自己本人也难以接受。能量居然是不连续的，这怎么可能。可事实不能动摇，实验数据摆在眼前，人们不得不接受微观世界的某些规律，与宏观世界有很大不同。

例如，一个宏观的单摆，小球在摆动的过程中，受到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续的。而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续（分立）的。

3.光子

年轻的爱因斯坦认识到了普朗克能量子假设的意义，他把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为hv，h为普朗克常量。这些能量子后来被叫作光子。

（三）能级

微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。

通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。

1. 解释氢原子光谱

原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。

2.量子力学的建立及其应用

20 世纪20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。

核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用都离不开量子力学。是量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到丰富多彩的现代生活。

科学漫步："聆听"宇宙

宇宙浩瀚无垠，神秘莫测。古人通过肉眼观察星空，绘制星图。望远镜的发明拓展了人类的视野，使人们对天体的了解更加清楚。

〖板书设计〗

13.5能量量子化

一、热辐射

1.一切物体都在辐射电磁波，辐射与物体的温度有关。

 2.辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。

3.黑体∶物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。

二、能量子

1.ε叫能量子，简称量子，能量是量子化的，只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。

ε=hν

h=6.626×10^-34J/s。——普朗克常量

2.光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的这些能量子后来被叫作光子。

三、能级

 微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。

〖教学反思〗

热辐射的讲解不应该过于深入，不然以现有的知识学生无法理解黑体辐射。后面的能量子又是基于黑体辐射提出的，能级又是基于能量子提出的。所以本节课的基调就是浅讲即可。