13.5《能量量子化》 教学设计-2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

13.5能量量子化
一、教材分析
能量量子化这一节是必修第三册的最后一节，本节课介绍近代物理知识非常重要的内容，丰富所有学生的视野，也为接下来学习物理选修课程的学生做好铺垫。本节内容的核心是从黑体辐射的研究到量子化思想的提出。通过对热辐射、黑体辐射的研究，重温科学家们独特的思维方式，培养学生大胆、创新的能力。希望引导学生学会利用能量子的思想理解客观世界，重视发挥物理学史的教育功能，让学生了解量子力学的初期的探索历程。树立正确的科学观念。
二、学情分析
上一节课学生已经学习了电磁波，知道了电磁波谱，简单知道了各种电磁波的辐射规律。对于学生来说熟悉"一切自然过程都是连续的"这条原理。普朗克开创性的新思想是与经典理论相违背的，它打破了经典物理传统观念对人们的长期束缚，这就为人们建立新的概念，探索新的理论开拓了一条新路。在他的假设的启发下，许多现象得到了解释。
三、教学目标
（一）物理观念
1.通过实验了解黑体辐射
2.了解黑体辐射研究的历史脉络
3.了解能量子、能级等概念
（二）科学思维
体验从无到有的科学创新思维
（三）科学探究
经历能量子的探究过程，领会这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想。
（四）科学态度与责任
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。
四、教学重点
1.黑体辐射及其研究的历史脉络
2.能量子的概念
五、教学难点
1.黑体辐射的定义。
2.能量子概念的理解。
3.光子、原子的能量也是量子化的规律。
六、教学流程
七、教学过程
（一）创设情境，提出问题
19世纪末，经典物理学经历了长足的发展，在力学、热学、电磁学等领域都取得了很大的成功当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中，认为物理学已经发展到头了。
著名的物理学家开尔文说科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。这两朵乌云是什么呢？
（二）作出假设，建立模型
1.它们分别是黑体辐射实验和迈克尔逊-莫雷实验，后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。量子论和相对论，接下来让我们跟着科学家的脚步，看黑体辐射如何浇灌出量子论这朵鲜花。冬天时，我们常有坐在炉火旁取暖的经验，这便是热辐射现象，一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，故称为热辐射。如果我们将铁块放进火炉内，我们可以看到投在炉中的铁块随温度升高依次呈现不同颜色，颜色不同，对应光的波长也不同。这是热辐射的一个特性，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。实际物体热辐射十分复杂，物体除了辐射电磁波外，还会吸收、反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。科学家们希望找到一个物体在任何温度下，都能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这样就可以单纯研究热辐射与温度之间的关系。这种理想化的模型称为黑体，最早由德国物理学家基尔霍夫提出。
2.一个黑体在各种温度下，同样也会不断辐射出电磁波，这就是黑体辐射，如在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔中会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔就可以看成一个绝对黑体。现实生活中的楼房墙壁已刷好白漆，但远远地透过窗户往里看，则黑乎乎一片，这时房间便可以近似看成黑体。黑体不一定是黑的,只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的;有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射,看起来还会很明亮,如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也有时被看作黑体来处理。在一定温度下,不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。而黑体辐射的规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种具有普遍意义的客观规律。
（三）回顾实验，发现规律
黑体辐射的实验规律：
（四）总结规律，拓展延伸
黄色圈圈代表实验值，绿色的虚线代表维恩的理论图像，我们发现短波符合，长波不符合；蓝色的虚线代表瑞利的理论图像，发现长波符合，短波却趋于无穷大，意味着紫外线具有毁灭性的辐射，这与实际情况严重不符，即紫外灾难。那到底该用什么样的公式来描述呢？让我们来看一看伟大的发现者——普朗克。普朗克做出了这样的大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍， E=nε n=1,2,…这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的大小为：e=hv 带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的。在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的，这种现象叫能量的量子化。在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为:物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化;在研究微观粒子时必须考虑量子化。爱因斯坦把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量。这些能量子后来被叫作光子，爱因斯坦的发现跨出了真正说明物质世界量子性的第一步。能量子的发现开创了物理学的新纪元。世界迎来了量子时代！这也给研究原子系统的丹麦物理学家玻尔一个启发。
在原子系统中，玻尔以量子论、光子学说为基础，提出假设：电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动。电子在这些原子处于能量最低的状态是最稳定的。如果原子获得能量电子有可能跃迁到较高的能量状态,这些状态的原子是不稳定的,电子会自发地向能量较低的能级跃迁。
（五）科学共情，课堂小结
观看量子物理研究短片，加深理解。普朗克之后，一大批优秀的科学家前赴后继地投入量子力学的研究，发展并完善了量子力学理论，到了21世纪的今天，量子力学已在现代科学技术中发挥了重要作用，理论物理也有了长足的发展，但人类对物理学的探索、对真理的追求将永不止步！
通过和学生一起进行课堂总结，为必修第三册的学习画上圆满的句号。
八、板书设计
创设情境
提出问题
作出假设建立模型
回顾实验发现规律
总结规律拓展延伸
科学共情课堂小结