新教材人教版高中物理必修第三冊(cè) 13.5能量量子化 教學(xué)課件

1、第十三章 電磁感應(yīng)與電磁波初步13.5 能量量子化1.1.了解熱輻射和黑體的概念.2.初步了解微觀世界的量子化特征，知道普朗克常量.3.了解原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo) 19世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中，他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。新課導(dǎo)入 于是，1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上,著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言: “科學(xué)

2、的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?-開爾文- 但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，-”這兩朵烏云是指什么呢？黑體輻射實(shí)驗(yàn)光的速度后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。 而關(guān)于黑體輻射的問題正是我們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。提出問題 把鐵塊投進(jìn)火爐中，剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的升高，鐵塊會(huì)慢慢變紅，開始發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。為什么會(huì)有這樣的變化呢？新課講解 我們周圍的一切物

3、體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。物體在室溫時(shí)，熱輻射的主要成分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波，不能引起人的視覺。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱輻射中波長(zhǎng)較短的成分越來越強(qiáng)。 隨著溫度的升高，鐵塊從發(fā)熱，再到發(fā)光，鐵塊的顏色也不斷發(fā)生變化。一、熱輻射 常溫下我們看到不發(fā)光的物體顏色就是物體表面反射光所致。 如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，會(huì)怎樣？ 大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同。一、熱輻射思考與討論 一座建設(shè)中樓房還沒有安裝窗子，盡管室內(nèi)已粉刷，如果從遠(yuǎn)處觀察，把窗內(nèi)的亮度與樓外墻的亮度相比，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？為什么？ 黑體：如果某物體

4、能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這物體稱為黑體。近似黑體 研究黑體輻射是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。黑體輻射只與溫度有關(guān)。一、熱輻射黑體輻射：對(duì)于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)。黑體輻射實(shí)驗(yàn)：隨著溫度的升高：各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。一、熱輻射0 1 2 3 4 1700K1500K1300K1100K輻射強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)瑞利線維恩線黑體輻射理論解釋（1）維恩的半經(jīng)驗(yàn)公式： 短波符合，長(zhǎng)波不符合。（2）瑞利金斯公式： 長(zhǎng)波符合，短波荒唐。 紫外災(zāi)

5、難一、熱輻射為了得出同實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，德國(guó)物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試：1900年底，普朗克作出了這樣的大膽假設(shè)： 振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍。例如，可能是或 2、3這個(gè)不可再分的最小能量值叫作能量子，它的大小為 是電磁波的頻率，h 是一個(gè)常量，后人稱之為普朗克常量，其值為二、能量子微觀宏觀連續(xù)分立的，量子化宏觀世界的連續(xù)性二、能量子 借助于能量子的假說，普朗克得出的黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布公式，與實(shí)驗(yàn)符合的非常好。能量子的觀點(diǎn)與宏觀世界中我們對(duì)能量的認(rèn)識(shí)有很大不同，例如，一個(gè)宏觀的單擺，小球在擺動(dòng)的過程中，受到摩擦阻力的作用，能量不斷減小，能量的變化是連續(xù)的

6、。而普朗克的假設(shè)則認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是不連續(xù)（分立）的。普朗克的量子化假設(shè)的意義:(1)普朗克的能量子假設(shè),使人類對(duì)微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí),對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。成為物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn);(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征;(3)不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。二、能量子光本身就是一個(gè)個(gè)不可分割的能量子，后來被叫做光子，其能量為：二、能量子愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：

7、微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫作能級(jí)（energy level）。分立軌道1 2 3 4E4E3E2E1定態(tài)躍遷E4E3E2E1三、能級(jí) 原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量，等于前后兩個(gè)能級(jí)之差。三、能級(jí) 由于原子的能級(jí)是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。氦原子光譜玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋：玻爾從上述假設(shè)出發(fā)，利用經(jīng)典理論和量子理論結(jié)合，計(jì)算出了氫的電子的軌道半徑和對(duì)應(yīng)的能量值（能級(jí)）。氫原子能級(jí)-13.6-3.4-1.51-0.8504132nE/eV三、能級(jí) 20世紀(jì)20年代，量子力

8、學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。核能的利用，計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的制造，激光技術(shù)等的應(yīng)用都離不開量子力學(xué)。是量子力學(xué)引領(lǐng)我們邁入了現(xiàn)代社會(huì)，讓我們享受到非富多彩的現(xiàn)代生活。量子力學(xué)與現(xiàn)代生活 聆聽宇宙：宇宙浩瀚無(wú)垠，神秘莫測(cè)。古人通過肉眼觀察星空，繪制星圖。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明拓展了人類的視野，使人們對(duì)天體的了解更加清楚?？茖W(xué)漫步黑體：物體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射。一切物體都在輻射電磁波，輻射與物體的溫度有關(guān)。輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同。熱輻射 叫能量子，簡(jiǎn)稱量子， 能量是量子化的，只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸

9、收能量。能量子 =hh=6.62610-34J/s。普朗克常量光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的這些能量子后來被叫作光子。原子能量的量子化能級(jí)課堂小結(jié)1.普朗克常量是自然界的一個(gè)基本常數(shù),它的數(shù)值是 ()A.6.0210-23 mol B.6.62510-3 molsC.6.62610-34 Js D.1.3810-16 mols【正確答案】C當(dāng)堂小練2.下列關(guān)于熱輻射和黑體輻射的說法 不正確 的是( )A. 一切物體都在輻射電磁波B. 黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波C. 黑體輻射強(qiáng)度的極大值跟溫度無(wú)關(guān)D. 一般物體輻射電磁波的強(qiáng)度與溫度有關(guān)【正確答案】C3.紅、橙、黃、綠四種單色光中,光子能量最小的是()A.紅光 B.橙光C.黃光 D.綠光【正確答案】A【解析】根據(jù)愛因斯坦的光子說,光子的能量=h,h為普朗克常量,說明光子的能量與光的頻率成正比,而四種單色光中,綠光的頻率最大,紅光的頻率最小,故光子能量最小的是紅光,A項(xiàng)正確.4.下列說法中正確的是（）A愛因斯坦第一個(gè)提出能量子的概念B黑體輻射電磁波的強(qiáng)度只與黑體的溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān)C物體的長(zhǎng)度是量子化的D溫度升高，物體輻射的紫光增強(qiáng)，輻射的紅光減弱【正確答案】B5.（多選）對(duì)于帶電微粒在輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說法正確的是（ ）A以某一個(gè)最