魯科版必修二 量子世界 第1課時(shí) 教案.doc

第6章第2節(jié)量子世界【教學(xué)目標(biāo)】(一)知識(shí)與技能：1、初步了解經(jīng)典物理觀點(diǎn)被量子觀點(diǎn)取代的原因，及一些科學(xué)家在其中所起的重要作用，從而了解量子論的主要思想，了解量子論涉及的一些相關(guān)的現(xiàn)象。2、認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性，知道量子論對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響， (二)過程與方法：通過指導(dǎo)學(xué)生研習(xí)，了解經(jīng)典物理在熱輻射研究領(lǐng)域中面臨的困境，從而了解微觀世界的量子化現(xiàn)象，了解量子論的思想。 (三)情感態(tài)度與價(jià)值觀：體會(huì)科學(xué)研究方法和尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度對(duì)人們認(rèn)識(shí)自然的重要作用?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】 通過指導(dǎo)學(xué)生研習(xí)，了解經(jīng)典物理在熱輻射研究領(lǐng)域中面臨的困境，從而了解微觀世界的量子化現(xiàn)象，了解量子論的思想?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】弄清經(jīng)典物理學(xué)與黑體輻射等實(shí)驗(yàn)結(jié)果矛盾的具體表現(xiàn)?！窘虒W(xué)安排】（一）引入新課師：通過前面的學(xué)習(xí)，我們知道在19世紀(jì)與20世紀(jì)之交（1900年前后），許多人認(rèn)為物理學(xué)這座莊嚴(yán)雄偉、動(dòng)人心弦的科學(xué)殿堂已經(jīng)基本建成了。只是“物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，漂浮著兩朵小小的令人不安的烏云。”這兩朵“烏云”是什么同學(xué)們能說說嗎？生：這兩朵“烏云”是：1、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)：研究光沿不同方向傳播速度的差異。2、熱輻射實(shí)驗(yàn)：研究熱輻射的能量與溫度的關(guān)系。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的現(xiàn)象用當(dāng)時(shí)已有的物理學(xué)理論無(wú)法進(jìn)行合理的解釋。師：這兩朵“烏云”給物理學(xué)的發(fā)展帶來了什么影響？生1：正是這兩朵的烏云，后來釀成了物理學(xué)中一場(chǎng)巨大的變革。生2：在研究第一朵“烏云”后愛因斯坦了開創(chuàng)了相對(duì)論。師：好，現(xiàn)在我們?cè)賮砜纯串?dāng)年物理學(xué)的天空中這令人不安的第二朵“烏云”：熱輻射的能量與溫度的關(guān)系有什么規(guī)律？（二）【板書】量子世界： 【板書】一、“紫外災(zāi)難”師：我們知道，燃燒的物體都會(huì)發(fā)光，后來人們發(fā)現(xiàn)那是因?yàn)槿紵刮矬w溫度升高的緣故。同學(xué)們能不能舉出一些高溫物體發(fā)光的例子呢？ 生：燒紅的鐵塊、通電后的白熾燈里高溫的燈絲、火山口流出的高溫巖漿、師：白熾燈里的燈絲在正常發(fā)光時(shí)有沒有在燃燒呢？生：沒有，否則燈絲就燒斷了。師：我們來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。【實(shí)驗(yàn)觀察一】通過調(diào)壓器給白熾燈通電，逐漸增大電壓，讓學(xué)生觀察燈絲亮度和顏色的變化。并請(qǐng)學(xué)生感受燈的熱輻射的變化。（如果有條件也可以將這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成一個(gè)觀察性的學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)）（學(xué)生們幾個(gè)人一組進(jìn)行觀察、討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）師：通過實(shí)驗(yàn)觀察一，同學(xué)們想一想，金屬燈絲的溫度與燈兩端所加的電壓有什么關(guān)系？你所感覺到的金屬燈絲熱輻射的強(qiáng)度與燈絲的溫度有什么關(guān)系？金屬燈絲輻射光的顏色與燈絲的溫度有什么關(guān)系生1：燈兩端加的電壓越大，通過燈的電流也越大，燈絲發(fā)的熱功率越大，燈絲的溫度就越高。生2：金屬燈絲的溫度越高我們感覺到金屬燈絲的熱輻射就越強(qiáng)。生3：金屬燈絲的溫度越高，金屬燈絲輻射的光顏色就越白，溫度越低，燈光就偏紅色。師：對(duì)，我們看到的光其實(shí)是金屬中的原子在高溫下受到激發(fā)而發(fā)出的電磁波，能引起人們視覺的電磁波就是可見光。通過研究發(fā)現(xiàn)不同顏色的光，波長(zhǎng)是不同的。燈光變白是因?yàn)樗l(fā)出的各種波長(zhǎng)的電磁波中波長(zhǎng)短電磁波變得更強(qiáng)了，燈光較紅是因?yàn)樗l(fā)出的電磁波中波長(zhǎng)短的較弱，而波長(zhǎng)長(zhǎng)的電磁波相對(duì)較強(qiáng)的緣故。【板書】溫度高燈光白短波長(zhǎng)光較強(qiáng)；溫度低燈光較紅短波長(zhǎng)光較弱，長(zhǎng)波長(zhǎng)光相對(duì)較強(qiáng)。把電絲兩端的電壓調(diào)得很小，使燈絲不發(fā)光，這時(shí)金屬燈絲有沒有熱輻射呢？【實(shí)驗(yàn)觀察二】把一金屬塊掛在酒精燈上燒，在沒有燒紅之前移去酒精燈，然后用手靠近金屬塊，感受它的熱輻射。（學(xué)生們幾個(gè)人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察、討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）通過實(shí)驗(yàn)觀察二，同學(xué)們定性地說一說，如果金屬溫度并沒有升高到使金屬發(fā)光的程度，這時(shí)有沒有熱輻射呢？生：有。師：對(duì)，這時(shí)金屬溫度不高，其中的原子發(fā)出的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，不能引起人眼的視覺，所以我們沒有看到它發(fā)光，但我們?nèi)匀豢梢愿杏X到它的熱輻射。人們用更精確的觀測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)，其實(shí)任何溫度的物體都有熱輻射，只是常溫和低溫的物體熱輻射較弱，輻射的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，難被我們的身體直接感覺到。這種常溫和低溫物體輻射的電磁波波長(zhǎng)比紅光還長(zhǎng)，稱為紅外線，可以用一些特殊的儀器探測(cè)到。同學(xué)們有沒有見過在沒有可見光的黑暗中利用紅外線感光拍攝到的照片呢？【演示】課前收集到和各種紅外線感光照片?！景鍟课矬w中的分子、原子在任何溫度下都會(huì)發(fā)射出各種波長(zhǎng)的電磁波，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。師：一般的物體不但會(huì)發(fā)出熱輻射，也會(huì)吸收和反射從別的物體射來的熱輻射。為了進(jìn)一步研究物體的熱輻射強(qiáng)度的定量規(guī)律，物理學(xué)家們?cè)O(shè)想了一種理想的物體：能夠發(fā)射熱輻射，也能完全吸收熱輻射，但是完全不反射任何熱輻射的物體，叫做黑體。煉鋼爐爐膛上開的觀察小孔就是可以看成是一個(gè)黑體。在爐膛是冷的時(shí)，這個(gè)小孔是黑洞洞的，通過小孔射入其中的光和各種電磁輻射完全被爐膛中吸收掉了，沒有任何輻射被反射回來。當(dāng)爐膛中的溫度很高時(shí)，這個(gè)小孔就會(huì)有很強(qiáng)的熱輻射發(fā)射出來。通過精確的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)黑體熱輻射強(qiáng)度與溫度和波長(zhǎng)都有關(guān)系，可以把某一溫度下測(cè)得各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪成如右圖所示的曲線。從曲線可以看出，不同的溫度下熱輻射的強(qiáng)弱有什么變化呢？熱輻射的波長(zhǎng)又有什么變化呢？（學(xué)生們幾個(gè)人一組進(jìn)行分析討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）生1：可以看出溫度越高，熱輻強(qiáng)度越大。生2：在同一溫度下，不同波長(zhǎng)的電磁輻射強(qiáng)度不同，有某一種波長(zhǎng)的電磁輻射最強(qiáng)。生3：溫度越高，輻射最強(qiáng)的電磁波波長(zhǎng)變短?！景鍟亢隗w溫度越高，熱輻強(qiáng)度越大；在同一溫度下，不同波長(zhǎng)的電磁輻射強(qiáng)度不同，有某一種波長(zhǎng)的電磁輻射最強(qiáng)；溫度越高，輻射最強(qiáng)的電磁波波長(zhǎng)變短。師：這個(gè)規(guī)律與我們前面觀察到的高溫的金屬燈絲光輻射的規(guī)律是類似的。是嗎？生1：是的。生2：為什么要定義黑體呢？直接研究燈絲等物體的輻射不行嗎？師：這個(gè)問題提得好，這是因?yàn)橐话愕奈矬w會(huì)反射別的物體的輻射，這樣觀測(cè)到的就不全是這個(gè)物體本身輻射的能量了。生：噢，原來是要觀測(cè)物體本身的熱輻射規(guī)律。師：右上圖中是一條奇妙的曲線，黑體的熱輻射為什么會(huì)有這樣的規(guī)律呢？許多物理學(xué)家根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論進(jìn)行分析，試圖從當(dāng)時(shí)經(jīng)典的物理學(xué)理論中推導(dǎo)出一個(gè)描述黑體輻射規(guī)律的公式，比較著名的有兩個(gè)用不同方法推導(dǎo)出的公式：一個(gè)是維恩公式還有一個(gè)是瑞利-瓊斯公式。 但是這用兩個(gè)公式算出各種同波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度，都與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果不完全符合。維恩公式算得的結(jié)果在短波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)較吻合，但長(zhǎng)波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大；而瑞利-瓊斯公式算得的結(jié)果則在長(zhǎng)波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)較吻合，在短波區(qū)域卻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，更糟的是瑞利-瓊斯公式算得隨著波長(zhǎng)變短即輻射在紫外波長(zhǎng)區(qū)域時(shí)，輻射強(qiáng)度會(huì)變成無(wú)限大，但實(shí)驗(yàn)測(cè)得在波長(zhǎng)很短的紫外區(qū)域的輻射強(qiáng)度卻是趨于零。當(dāng)時(shí)科學(xué)界稱其為“紫外災(zāi)難”，這就是第二朵“烏云”的由來。面對(duì)這樣令人不安局面，同學(xué)們想想看，怎么辦呢？生：維恩公式和瑞利-瓊斯公式是怎么推導(dǎo)的呀？會(huì)不會(huì)是推導(dǎo)錯(cuò)了呢？師：由于我們的物理知識(shí)不夠，所以暫時(shí)沒有辦法了解他們公式推導(dǎo)的過程和方法，不過當(dāng)時(shí)的確有不少的物理學(xué)家按照經(jīng)典的物理學(xué)原理對(duì)推導(dǎo)過程做過各種修正，但總是顧此失彼無(wú)法得到能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合的公式。后來德國(guó)的物理學(xué)家普朗克，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究，在百思不得其解的困境中，迫不得已做了一個(gè)大膽的假設(shè)，他發(fā)現(xiàn)只有做這個(gè)假設(shè)，得到的公式才會(huì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。這個(gè)假設(shè)在今天看起來具有劃時(shí)代的意義，叫做量子假說。認(rèn)為物質(zhì)輻射或吸收能量不是經(jīng)典物理理論中認(rèn)識(shí)的那種可以任意大小連續(xù)不斷的。而是不連續(xù)的、一份一份的，物質(zhì)輻射或吸收的能量只能是某個(gè)最小能量的整數(shù)倍。這個(gè)最小的能量叫做一個(gè)量子【板書】二、量子假說：物質(zhì)輻射或吸收的能量是不連續(xù)的，只能是一種最小能量的整數(shù)倍。e=n （n=0,1,2,3,） =h=hc/ ( h稱為普朗克常數(shù) )經(jīng)典電磁理論中電磁波的能量是由波的振幅決定的，但在量子假說中最小能量卻是與輻射的頻率成正比的。做這樣的假設(shè)后，普朗克推導(dǎo)得出了一個(gè)描述黑體輻射規(guī)律的公式：【板書】普朗克公式：用這個(gè)公式算得的各種波長(zhǎng)下的輻射強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果竟然完全吻合，獲得了極大的成功。同學(xué)們想一想，討論一下，這件事意味著什么？（學(xué)生們幾個(gè)人一組進(jìn)行分析討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）生1：覺得有點(diǎn)不可思議，這給人一種生搬硬套，拼湊答案的感覺。生2：如果真的沒有別的辦法，也只好這樣了。生3：根據(jù)經(jīng)典的物理理論總得不到與實(shí)驗(yàn)完全符合公式，就說明經(jīng)典的物理學(xué)理論有局限性，不能認(rèn)為一定是永遠(yuǎn)正確的。生4：我認(rèn)為可以接受普朗克的假設(shè)，因?yàn)榭茖W(xué)就是要尊重事實(shí)，既然普朗克的得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能符合得那么好，就表明他所做的假設(shè)是符合客觀實(shí)際的，也就是說能量輻射其實(shí)就真的是一份一份的不連續(xù)的。師：嗯，同學(xué)說得都很好，普朗克提出他的量子觀點(diǎn)后，在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界也和同學(xué)們現(xiàn)在一樣發(fā)生了激烈的爭(zhēng)論，真理必須能經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)，對(duì)量子觀點(diǎn)覺得不可思議的同學(xué)可以持保留態(tài)度。隨著我們今后的學(xué)習(xí)，同學(xué)們將會(huì)看到，量子觀點(diǎn)不斷表現(xiàn)出它強(qiáng)大的生命力，最終被科學(xué)界所廣泛認(rèn)可了，并且由此開始了一場(chǎng)物理學(xué)的巨大變革。下一次的課我們就要來進(jìn)一步了解量子觀點(diǎn)如何成功地解決了此后物理學(xué)研究中又遇到的的一系列難題?！景鍟苛孔佑^點(diǎn)開創(chuàng)了一場(chǎng)物理學(xué)的巨大變革。（三）小結(jié)： 師：通過前面的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可不可以把能量量子化的觀點(diǎn)與經(jīng)典物理的能量觀點(diǎn)列表作一個(gè)比較呢？請(qǐng)同學(xué)們把這作為今天的小組作業(yè)回去討論完成。參考答案：量子觀點(diǎn)與經(jīng)典物理的能量觀點(diǎn)列表比較經(jīng)典物理能量觀量子觀能量的大小可以是連續(xù)的任意值能量的大小是不連續(xù)的，只能是最小能量子的整數(shù)倍。電磁輻射的能量由電磁波的振幅決定。電磁輻射的最小能量值與頻率成正比。【課后作業(yè)】課本122頁(yè)2.3.4.【課后反思】這個(gè)教學(xué)案例的設(shè)計(jì)將要研習(xí)的內(nèi)容逐層遞進(jìn)展開。教學(xué)中考慮到學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和生活經(jīng)驗(yàn)，加上兩個(gè)定性體驗(yàn)的小實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)物體熱輻射的體驗(yàn)，通過這個(gè)體驗(yàn)從具體到抽象地逐漸展開學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生真正體悟熱輻射問題的物理意義。揭示經(jīng)典物理學(xué)理論與黑體輻射規(guī)律的矛盾，是本節(jié)課的關(guān)鍵。限于學(xué)生的知識(shí)局限，不可能在這節(jié)課中做詳細(xì)的定量分析，因此通過舉例把黑體的概念定性地剖析清楚，通過實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生把