物理人教版 (2019)5 能量量子化教学设计

这是一份物理人教版 (2019)5 能量量子化教学设计，共6页。教案主要包含了热辐射，能量子，能级等内容，欢迎下载使用。


《能量量子化》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修3模块中“电磁场与电磁波初步”主题下的内容。课程标准要求为：知道光是一种电磁波。知道光的能量是不连续的。初步了解微观世界的量子化特征。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对课程标准的解读为：要求学生知道光也是一种电磁波，知道光具有波动性。让学生了解光的能量是不连续的，知道光子。通过对原子结构模型的科普性介绍，让学生体验物理模型在探索世界中的重要作用。
本节初步介绍黑体辐射规律及其与经典理论的矛盾冲突，介绍量子化概念的提出和理论的发展。教材以科学家研究热辐射的规律为切入点，指出科学家用经典电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到无法克服的困难，普朗克提出能量量子化假设，解决黑体辐射规律。继而指出爱因斯坦提出光子概念、玻尔提出轨道量子化假设和能级假设，解释了氢原子光谱。
学生生活中缺乏与量子概念有关的生活经验，微观世界规律对学生难以理解。学生喜欢阅读物理学史内容，了解科学探索的经历和遇到的困难。教师可以提供丰富的相关物理学史材料，生动讲解黑体研究的历史和辐射规律、介绍经典理论遭遇的困境和普朗克的能量量子化假设，按照物理学史发展进程让学生了解物理学家的科学探索活动，体会物理学惊心动魄的发展历程。
1.学生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索方法。
2.学生了解能量子的概念及其提出的过程，领会这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想。
3.学生了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子理论的建立极大地丰富和深化了人们对于物质世界的认识。
教学重点：能量量子化的基本概念和创立过程
教学难点：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
教学方法：教师讲授为主
PPT投影生活中的几种情境：
情境1：夏季穿黑色的衣服觉得更热，白色衣服更凉爽；
情境2：冬日在火炉旁或在太阳下倍感温暖；
情境3：有经验的炼钢工人能根据发光颜色，估计炽热金属管的温度.暗红色约500℃，黄色约800℃，明亮的白色超过1000℃.
问题：你对物质和电磁波的作用有哪些认识？
情境2和情境3说明物体会辐射电磁波，电磁波具有能量。情境1表面物质会吸收电磁波，也会反射电磁波。不同材料的物质对电磁波的吸收和反射能力不同。
1.热辐射
总结电磁波与物质的作用
物质吸收各种频率的电磁波。同一物质对频率不同的电磁波的吸收能力不同。
物质会反射电磁波。
任何物体都会辐射电磁波，辐射的电磁波与物体的温度有关，称为热辐射。室温下物体的热辐射以红外线为主，不能引起人的视觉反应。
投影铁块在不同温度下的图片：
问题：铁块温度升高，辐射的电磁波波长如何变化？热辐射的能力如何变化？
黑体：指将所有射向它的辐射都吸收掉的物体，是一种理想化物理模型。开有小孔的空腔可当作理想黑体.基尔霍夫证明：黑体的辐射强度只由温度和波长决定，与构成空腔的物质和形状无关.
黑体模型
黑体辐射规律PhET模拟实验：
问题1：黑体处在某个恒定温度下，只辐射某个特定波长的电磁波吗？
问题2：黑体辐射的电磁波能量在各个波段均匀分布吗？
问题3：黑体温度逐渐升高，热辐射规律如何变化？
黑体热辐射
黑体辐射规律：
① 热辐射包含各个波段的电磁波；
②不同波段电磁波的能量密度不同，在某一温度下。随着波长增加，辐射强度先增大后减小。
③维恩位移定律：温度升高，辐射强度最大的电磁波波长变小，λT=常数。
经典理论的失败：
根据电动力学和统计物理推理得到的瑞丽-金斯公式在低频段与实验数据符合，但在高频段公式预言辐射的能量密度趋于无穷大，即所谓的“紫外灾难”；由热力学理论推理得到的维恩公式在高频段与实验符合，但在低频段（或长波段）与实验数据有一定出入。经典理论无法解释黑体辐射的实验规律。
2.能量子
德国物理学家普朗克为解释黑体辐射规律，付出了大量艰辛的努力。普朗克提出：振动带电微粒的能量是某个最小能量的整数倍。最小的能量值为
ε=hv
叫作能量子，h是普朗克常数，h=6.626×10-34J·s。
普朗克利用能量量子化假设推导得到了普朗克公式，成功解释了黑体辐射规律。
普朗克的量子概念提出后，遭遇很多科学家的质疑。德拜(1884-1966)曾回忆说，普朗克的工作与数据符合得很好，“但是我们不知道量子是不是某种根本性的新东西.”著名物理学家洛伦兹对普朗克的量子概念也持怀疑态度。甚至于普朗克本人，在其晚年也说过：
“我总想能用什么方式把基本量子和经典理论调和一下。为此，我花费了巨大的精力，徒劳无功地研究了好几年。我有很多同事认为这是一场悲剧，然而我并不那么看，因为这项研究工作使我的思想很深切地理出了头绪，这对我来说是有巨大价值的。现在我敢肯定，作用量子的根本意义比我原来的猜想的要重大得多。”
3.能级
各种频率的电磁波被分解后，形成按波长排列的图案，称为光谱。实验发现氢原子的发射光谱是分立的线状谱。按照经典电磁理论，电子绕核加速运动，辐射出电磁波，电磁波的频率连续变化，其光谱应该是连续谱。经典理论无法解释氢原子光谱。
氢原子光谱
+
E1 E2 E3
丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出轨道量子化假设，认为电子只在特定的轨道上绕原子核运动，在这些轨道上运动时电子不辐射电磁波。电子在不同轨道上运动时，氢原子能量不同，能量与轨道半径有关，轨道半径越大，能量越大。原子的能量是量子化的，称为能级。原子能量最低的状态称为基态，其余称为激发态。处于基态的原子最稳定。
当电子从高轨道跃迁到低轨道时，氢原子能量减少，减少的能量以光子形式释放，根据能量守恒，两个轨道的能量差等于光子的能量，例如E3-E1=hv.原子的能级取分立值，放出的光子能量也是分立的，原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
作业：“练习与应用”第1题、第2题
§ 13.5 能量量子化
一、热辐射
任何物体都辐射电磁波.
黑体辐射规律
二、能量子
Ε=hv v为频率
三、能级
氢原子光谱：线状谱
玻尔理论 E3-E1=hv. v为光的频率
本节内容涉及微观世界量子理论，内容抽象，学生缺乏相关知识，例如什么是光谱，如何拍摄光谱。这些知识的缺乏给学生的学习带来较大困难，可适当补充介绍光谱含义，以教师讲授为主，介绍经典理论的困难，定性了解能量量子化概念含义和对黑体辐射规律和氢原子光谱的理论解释，对学生以科普程度要求即可。