物理学的新纪元能量量子化公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

导入新课导入新课 科学历史不但是一连串事实，科学历史不但是一连串事实，规则和随之而来数学描述，它也规则和随之而来数学描述，它也是一部概念历史。当我们进入一是一部概念历史。当我们进入一个新领域时，经常需要新概念。个新领域时，经常需要新概念。普朗克普朗克名言名言第1页第1页物理学发展历史物理学发展历史 19 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大成功：在机械运动方面不用说，取得了很大成功：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、在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体内能。在电磁学方面，建立了一个能推气体内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象断一切电磁现象 Maxwell Maxwell方程。另外还找到方程。另外还找到了力、电、光、声了力、电、光、声等都遵循规律等都遵循规律-能能量转化与守恒定律。当初许多物理学家都沉量转化与守恒定律。当初许多物理学家都沉浸于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学浸于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。已经发展到头了。第2页第2页爱因斯坦爱因斯坦伽利略伽利略著名物理学家著名物理学家爱迪生爱迪生牛顿牛顿楞次楞次第3页第3页 麦克斯韦主要从事麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力统计物理学、光学、力学、弹性理论方面研究。学、弹性理论方面研究。尤其是他建立电磁场理尤其是他建立电磁场理论，将电学、磁学、光论，将电学、磁学、光学统一起来，是学统一起来，是1919世纪世纪物理学发展最光辉结果，物理学发展最光辉结果，是科学史上最伟大综合是科学史上最伟大综合之一。之一。麦克斯韦麦克斯韦第4页第4页 19，在英国皇家学会新年庆祝会上，著名物理学家开尔文作了展望新世纪发言：“科学大厦已经基本完毕，后辈物理学家只要做一些零碎修补工作就行了。”开尔文开尔文第5页第5页 阐明：物理学已经没有什么新东西了，阐明：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过试验再做一做，在试验数后一辈只要把做过试验再做一做，在试验数据小数点后面在加几位罢了！但开尔文毕竟据小数点后面在加几位罢了！但开尔文毕竟是一位注重现实和有眼力科学家，就在上面是一位注重现实和有眼力科学家，就在上面提到文章中他还讲到：提到文章中他还讲到：“但是，在物理学晴但是，在物理学晴朗天空远处，尚有两朵令人不安乌云，朗天空远处，尚有两朵令人不安乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射相关，另一朵与迈克尔逊试验相关。相关，另一朵与迈克尔逊试验相关。第6页第6页 然而，事隔不到一年（19底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（19）从第二朵乌云中降生了相对论。典型物理学大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔领域。正可谓“山重水复疑无路柳暗花明又一村”。第7页第7页 1、在火炉旁边有什么感觉？、在火炉旁边有什么感觉？2、投在火炉中铁块刚开始是什么颜、投在火炉中铁块刚开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色。色？过一会儿又是什么颜色。问题问题第8页第8页第一节物理学新纪元：第一节物理学新纪元：能量量子化能量量子化第十七章波粒二象性第十七章波粒二象性第9页第9页教学目的教学目的1 1、知识与技能、知识与技能 理解什么是热辐射及热辐射特性，理理解什么是热辐射及热辐射特性，理解黑体与黑体辐射解黑体与黑体辐射 理解黑体辐射试验规律，理解黑体热理解黑体辐射试验规律，理解黑体热辐射强度与波长关系辐射强度与波长关系 理解能量子概念理解能量子概念第10页第10页 理解微观世界中量子化现象。理解微观世界中量子化现象。比较宏观物体和微观粒子能量改变特比较宏观物体和微观粒子能量改变特点。点。体会量子论建立深化了人们对于物质体会量子论建立深化了人们对于物质世界结识。世界结识。2 2、过程与办法、过程与办法第11页第11页3 3、情感态度与价值观、情感态度与价值观 领略自然界奇妙与友好，发展对领略自然界奇妙与友好，发展对科学好奇心与求知欲，乐于探究自然科学好奇心与求知欲，乐于探究自然界奥秘，能体验摸索自然规律艰苦与界奥秘，能体验摸索自然规律艰苦与喜悦。喜悦。第12页第12页教学重难点教学重难点重点重点 能量子概念能量子概念难点难点黑体辐射试验规律黑体辐射试验规律第13页第13页本节知识线索本节知识线索 冶金工业发展及对恒星研究需要冶金工业发展及对恒星研究需要增进了对黑体辐射问题研究增进了对黑体辐射问题研究典型理论对黑体辐射试验规律研究典型理论对黑体辐射试验规律研究难以处理矛盾（维斯公式、瑞利公式）难以处理矛盾（维斯公式、瑞利公式）普朗克能量子假设普朗克能量子假设数学推理（黑体辐射强度按波长分布公式）数学推理（黑体辐射强度按波长分布公式）与试验事实对照与试验事实对照第14页第14页本节导航本节导航一一.黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射二二.黑体辐射试验规律黑体辐射试验规律三三.能量子、超越牛顿发觉能量子、超越牛顿发觉第15页第15页一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射第16页第16页1 1、热辐射、热辐射 固体或液体，在任何温度下都在固体或液体，在任何温度下都在发射发射各种波长电磁波各种波长电磁波，这种由于物体中分子、，这种由于物体中分子、原子受到激发而发射电磁波现象称为原子受到激发而发射电磁波现象称为热辐热辐射射。（1 1）、所辐射电磁波特性与温度相关。）、所辐射电磁波特性与温度相关。固体在温度升高时颜色改变固体在温度升高时颜色改变800k1200k1200k1400k第17页第17页 比如：铁块在随温度升高时从看不出发比如：铁块在随温度升高时从看不出发光到暗红到橙色到黄白色。光到暗红到橙色到黄白色。这种与温度相关辐射这种与温度相关辐射 称为热辐射。称为热辐射。（2 2）、热辐射）、热辐射-热能转化为电磁能过程。热能转化为电磁能过程。任何物体任何温度均存在热辐射任何物体任何温度均存在热辐射,温度温度升高升高，发射能量，发射能量升高。升高。第18页第18页直觉直觉:低温物体发出是红外光低温物体发出是红外光 火热物体发出是可见光火热物体发出是可见光 高温物体发出是紫外光高温物体发出是紫外光注意注意：激光激光 日光灯发光不是热辐射。日光灯发光不是热辐射。（3 3）、无论是高温物体还是低温物体，都）、无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射能量及其按波长分布都随有热辐射，所辐射能量及其按波长分布都随温度而改变。温度而改变。第19页第19页 （4）、热辐射解释：大量带电粒子无规则热运动引发。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微振动，每个带电微粒振动都会产生改变电磁场，从而向外辐射各种波长电磁波，形成连续电磁波谱。第20页第20页思考与讨论思考与讨论 一座建设中楼房还没安装窗子，尽管一座建设中楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，假如从远处看，把窗内亮室内已经粉刷，假如从远处看，把窗内亮度与楼房外墙亮度相比，你会发觉什么？度与楼房外墙亮度相比，你会发觉什么？为何？为何？第21页第21页2、黑体：、黑体：能所有吸取各种波长辐射能而能所有吸取各种波长辐射能而不发生不发生反射反射，折射折射和和透射透射物体称为物体称为绝对黑体绝对黑体。简。简称黑体。称黑体。对于普通材料物体，辐射电磁波温度对于普通材料物体，辐射电磁波温度除了与温度相关外，还与材料种类以及表除了与温度相关外，还与材料种类以及表面情况相关，而黑体辐射电磁波强度按波面情况相关，而黑体辐射电磁波强度按波长分布只与黑体温度相关。长分布只与黑体温度相关。第22页第22页二、黑体辐射试验规二、黑体辐射试验规二、黑体辐射试验规二、黑体辐射试验规律律律律第23页第23页 引言引言 19世纪后半叶，欧洲冶金工业快速世纪后半叶，欧洲冶金工业快速发展，技术人员渴望了接热辐射规律。发展，技术人员渴望了接热辐射规律。假如知道了辐射强度，波长分布与辐射假如知道了辐射强度，波长分布与辐射体温度关系，就能够通过光谱推知钢水体温度关系，就能够通过光谱推知钢水温度。这种需求推动了黑体辐射研究。温度。这种需求推动了黑体辐射研究。第24页第24页 假如在一个空墙壁上开一个很小孔，假如在一个空墙壁上开一个很小孔，那么摄入小孔电磁波在空腔内表面会发生多那么摄入小孔电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸取。最后不能从空腔射出，这个次反射和吸取。最后不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。小孔就成了一个绝对黑体。阐明：阐明：(1)(1)黑体是个抱负化模型。黑体是个抱负化模型。例：开孔例：开孔空腔，远处窗口等可近似看作黑体。空腔，远处窗口等可近似看作黑体。(2)(2)对于黑体，在相同温度下辐射规对于黑体，在相同温度下辐射规律是相同。律是相同。第25页第25页 假如加热小孔，空腔内温度升高，小孔就成了不同温度下黑体了，从小小孔向外辐射就是黑体辐射。利用分光技术和热电偶等设备，测出它所辐射电磁波强度按波长分布情况。下图为四种温度下黑体热辐射强度与波长关系。第26页第26页 从中能够看出，伴随温度升高，各从中能够看出，伴随温度升高，各种波长强度有所增长，并且，辐射强度极种波长强度有所增长，并且，辐射强度极大值向波长较短方向移动。大值向波长较短方向移动。第27页第27页 公式只适合用于长波段公式只适合用于长波段,而在紫外区与试而在紫外区与试验不符验不符-紫外劫难。紫外劫难。黑体辐射试验是物理学晴朗天空中一朵令黑体辐射试验是物理学晴朗天空中一朵令人不安乌云。人不安乌云。第28页第28页三、能量子、超越牛三、能量子、超越牛三、能量子、超越牛三、能量子、超越牛顿发觉顿发觉顿发觉顿发觉第29页第29页1、普朗克能量子假说、普朗克能量子假说 辐射黑体分子、原子振动可看作谐振子，辐射黑体分子、原子振动可看作谐振子，这些谐振子能够发射和吸取辐射能。但是这些这些谐振子能够发射和吸取辐射能。但是这些谐振子只能处于一些分立状态，在这些状态中，谐振子只能处于一些分立状态，在这些状态中，谐振子能量并不象典型物理学所允许可含有任谐振子能量并不象典型物理学所允许可含有任意值。意值。相应能量是某一最小能量相应能量是某一最小能量称为能量子。称为能量子。能量子整数倍，即：能量子整数倍，即：,1,2,3,.n.n为正为正整数，称为整数，称为量子数量子数。第30页第30页 德国物理学家，量子物理学开创者和奠基人，19诺贝尔物理学奖取得者。普朗克伟大成就，就是创建了量子理论，这是物理学史上一次巨大变革。从此结束了典型物理学一统天下局面。普朗克普朗克第31页第31页2、普朗克常数、普朗克常数 对于频率为对于频率为能量子最小能量：能量子最小能量：=h h=6.626 10-34焦耳。焦耳。普朗克常数普朗克常数 比方比方：电磁波就好象是机关枪发射子弹，：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，每一颗子弹就子弹是一颗一颗向前运动，每一颗子弹就好象是一份电磁波。好象是一份电磁波。第32页第32页能量能量量子量子典型典型3、振子只能一份一份地按不、振子只能一份一份地按不连续连续方式方式辐辐射或吸取能量射或吸取能量第33页第33页4、意义：Planck抛弃了典型物理中能量可连续变化、物体辐射或吸取能量可认为任意值旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸取能量只能一份一份地按不连续方式进行新观点。这不仅成功地解决了热辐射中难题，并且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律结识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学诞生奠定了基础。第34页第34页5、黑体、黑体辐辐射公式：射公式：1900.10.19 普朗克在德国物理学会会普朗克在德国物理学会会议议上上提出一个黑体提出一个黑体辐辐射公式射公式 普朗克以后又为这种与典型物理格格不入普朗克以后又为这种与典型物理格格不入观念深感不安，只是在通过十多年努力证实观念深感不安，只是在通过十多年努力证实任何复归于典型物理企图都以失败而告终之任何复归于典型物理企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信后，他才坚定地相信h引入确实反应了新理论引入确实反应了新理论本质。本质。第35页第35页 普朗克公式与试验结果比较。曲线是依普朗克公式与试验结果比较。曲线是依据普朗克公式做出，小圆代表试验值据普朗克公式做出，小圆代表试验值第36页第36页课堂小结课堂小结1、热辐射、热辐射 固体或液体，在任何温度下都在固体或液体，在任何温度下都在发射各发射各种波长电磁波种波长电磁波，这种由于物体中分子、原，这种由于物体中分子、原子受到激发而发射电磁波现象称为子受到激发而发射电磁波现象称为热辐射热辐射。任何物体任何温度均存在热辐射任何物体任何温度均存在热辐射,温度温度升高升高，发射能量，发射能量升高。升高。激光、日光灯激光、日光灯发光发光不是热辐射。不是热辐射。第37页第37页2、黑体：、黑体：能所有吸取各种波长辐射能而能所有吸取各种波长辐射能而不发生反不发生反射射，折射折射和和透射透射物体称为物体称为绝对黑体绝对黑体。简称。简称黑体。黑体。(1)黑体是个抱负化模型。黑体是个抱负化模型。(2)对于黑体，在相同温度下辐射规律是对于黑体，在相同温度下辐射规律是相同。相同。第38页第38页3、普朗克常数、普朗克常数 对于频率为对于频率为能量子最小能量：能量子最小能量：=hh=6.626 10-34焦耳。焦耳。普朗克常数。普朗克常数。4、黑体辐射公式：、黑体辐射公式：1900.10.19 普朗克在德国物理学会会普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式议上提出一个黑体辐射公式第39页第39页课堂练习课堂练习 1我们周围一切物体都在辐射我们周围一切物体都在辐射_，这种辐射与物体这种辐射与物体_相关，因此叫相关，因此叫_。除了这种辐射以外，物体表面还。除了这种辐射以外，物体表面还会会_和和_外界射来电磁波，若外界射来电磁波，若某种物体能够完全吸取入射各种波长电磁波而某种物体能够完全吸取入射各种波长电磁波而不发生不发生_，这种物体就叫，这种物体就叫_。电磁波电磁波温度温度热辐射热辐射吸取吸取反射反射反射反射黑体黑体第40页第40页 2实验测出了辐射电磁波强度按波长分布情况。随着温度升高，一方面，各种波长辐射强度都有_，另一方面，辐射强度极大值向波长_方向移动。较短较短增长增长第41页第41页3对对一束太阳光一束太阳光进进行分析，下列行分析，下列说说法正法正确是确是 ()A太阳光是由各种太阳光是由各种单单色光构成复合光色光构成复合光B在构成太阳光各在构成太阳光各单单色光中，其能量最色光中，其能量最强强光光为红为红光光C在构成太阳光各在构成太阳光各单单色光中，其能量最色光中，其能量最强强光光为为紫光紫光D构成太阳光各构成太阳光各单单色光能量都相同色光能量都相同AC第42页第42页 4对黑体辐射电磁波波长分布有影响是对黑体辐射电磁波波长分布有影响是 ()A温度温度 B材料材料C表面情况表面情况 D质量质量 5一束红光从空气射入折射率为一束红光从空气射入折射率为1.5玻璃，玻璃，则这束红光能量将则这束红光能量将 ()A增大增大 B减小减小C不变不变 D无法拟定无法拟定AC第43页第43页教材习题解答教材习题解答 1、答：、答：D 2、解：由、解：由=h得：得：400nm电磁辐射能量子电磁辐射能量子=4.9710-19J700nm电磁辐射能量子电磁辐射能量子=2.8410-19J 3、答：开水向外辐射每一份能量子很小，、答：开水向外辐射每一份能量子很小，而水减少一度释放能量很大，有益于温度计而水减少一度释放能量很大，有益于温度计度量不够，因此观测到温度计温度不是一段度量不够，因此观测到温度计温度不是一段一段减少。一段减少。第44页第44页第45页第45页