人教版 (2019)必修 第三册5 能量量子化优秀教学设计

课 时 教 案

第 13 单元             第  5  案               总第 32 案

课题： §13. 5  能量量子化

【教学目标与核心素养】

1．了解热辐射及特点

2．知道黑体及黑体辐射的概念和特点特点

3．知道能量子（光子），会计算能量子（光子）能量

4．知道能量子假说

5．知道能级、跃迁及跃迁规律

【教学重点】

1．热辐射及辐射特点

2．能量子假说及能量子能量计算

3．跃迁规律

【教学难点】

1．黑体辐射及规律

【教学过程】

复习：

物理学从17世纪（伽利略时代）发展成为一门独立的科学，经过了200多年的发展形成了完整的经典力学体系，几乎可以解释当时出现的所有物理现象。所以到20世纪初第一个春天来临之际，英国物理学家威廉▪汤姆逊在《新春献词》中宣称：科学大厦已经基本完成，后辈物理学家只需做一些零碎的修补工作就可以了。然而当时在晴朗的物理学天空，还有两朵令人不安的乌云。

其中之一是热辐射现象的实质：（黑体辐射实验），促使了普朗克量子理学的诞生，推动了量子力学的发展。今天我们就来初步学习相关知识。

引入：在火炉旁边有什么感觉？

把一个铁块投入到火炉中，颜色有什么变化？

【新课教学】

一、热辐射

一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。

1.定义：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为热辐射。

物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。

2.特点：

①所辐射电磁波的特征与温度有关。800K以下在红外区，可以有热效应，高温时才能引起人的视觉。随着温度升高，电磁波的短波成分增加。

固体在温度升高时的颜色的变化

如：铁块在温度升高时从看不到发光到暗红到橙色到黄白色

②伴随能的转换：内能->辐射能->内能

③任何物体，只要温度高于0K ，就会不停地向周围空间发出热辐射。

④无论是高温物体还是低温物体都有热辐射，所辐射的能量及其按波长的分布都随温度而变化。

⑤可以在真空和空气中传播。

⑥热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。

3.本质：

它是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。激发出来的能量分为红外线、可见光和紫外线等。其中红外线对人体的热效应显著。

4.原因：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做无规则的微振动，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。

5.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。

直觉：低温物体发出的是红外光；

      炽热物体发出的时可见光；

      高温物体发出的是紫外光。

6.热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。

二、黑体辐射

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，

1.黑体：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，这种物体称为黑体、

2.特点：理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射，并将这些辐射转化为热辐射，其光谱特征仅与该黑体的温度有关，与黑体的材质无关。

即：黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波，

3.辐射规律：黑体辐射与热辐射规律相同，即：辐射电磁波的强度按波长的分布只与他的温度有关。

说明：黑体是一种特殊的辐射体，它对所有波长电磁辐射的吸收比恒为1。黑体在自然条件下并不存在，它只是一种理想化模型。

4.解释：依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释遇到了严重的困难。

三、能量子

为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多次尝试进行了激烈的思想斗争，最后不得不承认：微观世界的某些规律在我们宏观世界看来可能非常奇怪。

1900年普朗克大胆抛弃了经典物理学中物理量连续变化的旧观念，提出能量量子化假说：它不仅是对经典物理学的改造，而且是一次革命．后来的事实证明，随着普朗克能量子的提出，物理学理论发生了巨大的变革，它奠定了量子理论的基础，揭开了人类探索微观世界的序幕。

1．能量子假说：黑体是由带电的线性谐振子所组成，这些谐振子能量不能连续变化，只能取一些分立的值，这些分立的值只能是某一最小能量值ε的整数倍，即0，ε，2ε，3ε，……nε….，称为谐振子的能级，最小能量  

其中：ν是电磁波频率，h是普朗克常量，

2．定义：这个不能再分的最小能量值ε叫作能量子。

3．能量子假说的意义：不仅成功解决了热辐射中的难题，而且开创了物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。

4．宏观与微观的区别

宏观：宏观能量变化是连续的

微观：微观粒子的能量是量子化（不连续）的

5．光子说（爱因斯坦）：光是由一个个不可分割的能量子组成，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子后来称为光子。

（光的能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量。）

四、能级

微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，最早由丹麦的物理学家玻尔于1913年提出的

1．原子结构假说，主要包括下列几个方面：

⑴轨道量子化。围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，电子的可能轨道分布是不连续的，这种现象叫做轨道量子化。

⑵能量的量子化。在原子中，不同的轨道对应着不同的状态，原子只能处于一系列不连续的能量状态中，这种现象叫作能量量子化。在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态。

⑶能级的跃迁：原子从一种定态（能量为En）跃迁到另一种定态（能量为Em），它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，光子的能量为。

2．能级：原子的各个定态的能量值叫做它的能级。

3．基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，量子数为n=1，这种定态叫做基态。

4．激发态： 通过加热或光照的方法使物体中的某些原子从相互碰撞或入射光子中吸收一定的能量，从基态跃迁到较高的能级，这时电子在离核较远的轨道上运动，这些定态叫做激发态。

5．跃迁：原子从一种能量状态向另一种能量状态的变化叫做能级的跃迁。当原子从高能量状态向低能量状态跃迁时，放出一定频率的光子；当原子从低能量状态向高能量状态跃迁时，需吸收一定频率的光子。

由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。原子的吸收光谱是一些分立的暗线。

19世纪末、20世纪初在，物理学的研究深入到微观世界，微观世界的很多现象不能用经典的力学的知识来解释，这些问题推动了量子力学的建立，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要的作用。

小结：

作业：