《能量量子化：物理学的新纪元》教学设计

　　【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

 

　　了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

 

　　三、情感、态度与价值观

 

　　领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

 

　　【教学重点】

 

　　黑体辐射的实验规律；能量子的概念。

 

　　【教学难点】

 

　　理解能量量子化假说。

 

　　【教学方法】

 

　　教师启发、引导，学生自学、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（课件展示）

 

　　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头了。

 

　　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。正是这两朵乌云发展成为一场革命的风暴，浇灌着两朵花蕾，事隔不到一年（1900年底），第一朵绽放出量子论的花瓣，紧接着（1905年）第二朵绽放出相对论的芳香。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“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。

 

　　点出课题：本节课我们就来体验第一朵鲜花的开放过程：物理学新纪元的到来――能量量子化的发现。

 

　　二、进行新课

 

　　1．黑体与黑体辐射

 

　　思考与讨论：

 

　　当你坐在火炉旁时有什么感觉？为什么会有这种感觉？（引出热辐射）

 

　　教师：指导学生阅读教材相应内容（4分钟）并完成以下内容。

 

　　自学提纲：

 

　　1．热辐射：周围的一切物体都在辐射            ，这种辐射与物体的 　　    有关，所以叫做热辐射。（板书）

 

　　2．黑体：

 

　　①某种物体能够       吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是            ，简称        。（板书）

 

　　②一般材料的物体，辐射的电磁波除与          有关，还与      的种类及      状况有关。

 

　　点评：

 

　　（1）热辐射现象。

 

　　热辐射的主要成分：室温时──波长较长的电磁波；高温时──波长较短的电磁波。

 

　　例如：铁块  温度↑

 

　　从看不出发光到暗红到橙色到黄白色。

 

　　热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。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作无规则的微振动，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。

 

　　（2）黑体

 

　　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。

 

 

　　不透明的材料制成带小孔的空腔，此小孔可近似看作黑体。如图所示。

 

　　思考与讨论：

 

　　一座建设中的楼房还没有安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处观察，把室内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？（加深对黑体的理解）

 

　　点评：从远处看没有安装窗户的大楼时，一方面由于射入的光线反射出来的较少；另一方面由于人站的远，能反射进入的眼睛的光线与外墙相比更少，所以即使墙已经粉刷，看起来也比外墙暗的多。

 

　　强调：黑体看上去不一定是黑的，只有当其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由较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔，一些发光物体（太阳、白炽灯灯丝）也被当作黑体处理。

 

　　跟踪练习：（课件展示）

 

　　1．对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是（  A   ）

 

　　A．温度             B．材料       C．表面状况         D．质量

 

　　解析：引导学生解释。

 

　　2．黑体辐射的实验规律

 

　　教师：研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。物理学家通过实验得出了它的实验规律，请同学们阅读教材“黑体辐射的实验规律”相应内容（4分钟）并完成以下内容。

 

　　自学提纲：（课件展示）

 

　　1．　黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的         有关。随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有           。另一方面，辐射强度的极大值向波长较     的方向移动。（板书）

 

　　点评：

 

　　教师：提出问题，设置疑问。怎样解释黑体辐射的实验规律呢？

 

　　在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。结果导致理论与实验规律不符，甚至得出了非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难”。

 

　　课件展示：瑞利-琼斯线、维恩线。

 

 

　　跟踪练习：（课件展示）

 

 

　　2．　黑体辐射的实验规律如右图示，由图可知（  ACD  ）

 

　　A．随温度升高，各波长的辐射强度都增加

 

　　B．随温度降低，各波长的辐射强度都增加

 

　　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

 

　　解析：引导学生观察图像解释答案。

 

　　3．能量子：超越牛顿的发现

 

　　教师：利用已有的理论解释黑体辐射的规律，导致了荒谬的结果。必然会促使人们去发现新的理论。这就是能量子概念。请同学们阅读教材p28第5段至p29第2段（5分钟）。回答以下内容。

 

　　自学提纲：（课件展示）

 

　　1．定义：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能时，只能辐射和吸收某个最小能量值的        。即：能的辐射或者吸收只能是            。这个不可再分的最小值ε叫做           。

 

　　2．能量大小：ε=hν，其中ν是电磁波的频率，h称为          常量。h=            。（板书）

 

　　3．能量的量子化：在微观世界中能量是           的，或者说微观粒子的能量是       的，这种现象叫能量的量子化。

 

　　思考讨论：

 

　　结合教科书上的例子及生活实例说说你心中的连续性与量子化有什么区别？（突破难点）

 

　　教师引导：比如知道了一个箱子的体积，里面装满了苹果，如果我们用苹果的密度乘以箱子的体积（用连续性的观点处理），其重量会大于实际重量，我们只有把苹果想成量子化的，才能与实际吻合。又比如，人就是量子化的，不能说某个家庭有2．2个小孩，因为一个小孩就是一个基本单位；楼梯也是量子化的，一个人上楼梯，他可以一次上一阶、或者两阶，但他绝不可能上一阶半且固定在哪里。

 

　　学生回答：举出实例，说出感受。

 

　　点评：

 

　　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

　　提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。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=nε    n=1,2,…

 

　　ε叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数──能量量子化；对于频率为n的谐振子，最小能量为：      ε=h n

 

　　h=6．626?10^-34J·S ----普朗克常数。

 

　　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，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质。

 

　　1918年普朗克荣获了诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和h=6．626?10^-34J·S

 

　　黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？要知后事如何？请听下回分解。

 

　　跟踪练习：（课件展示）

 

　　3．人体表面辐射本领的最大值在波长为940μm处，对应的是何种辐射？能量子的值为多大？

 

　　解析：请一位学生到黑板解答，其余学生在笔记本上完成。有学生自己点评解答过程，锻炼学生分析解答问题的能力。

 

　　三、课堂小结

 

　　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。

 

　　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。

 

　　【布置作业】

 

　　“问题与练习”1、2、3题。

 

　　【教学体会】

 

　　本节课以新课程思想为指导，主要采用教师引导、学生自学，当堂训练的课堂模式，充分调动学生的积极，使课堂效率达到最优化。