第十三章 电磁感应与电磁波初步 学习活动设计七：微观世界里能量是连续的？还是量子化的？

第十三章《电磁感应与电磁波初步》学习活动设计七：微观世界里能量是连续的？还是量子化的？
　　课前准备：
　　1.什么是黑体？什么是黑体辐射？黑体辐射研究的社会背景是什么？黑体辐射的实验规律是什么？
　　2.用经典物理学理论来解释黑体辐射遇到什么困难？
　　3.普朗克提出了怎样的假设解释黑体辐射的实验规律？
　　4.普朗克为什么对儿子说“自己的发现要么是荒诞无稽的，要么是牛顿以来物理学最伟大的发现之一”？
　　5.普朗克的能量子假说与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同？
　　6.量子力学的建立是不是完全否定了经典力学？
　　课堂教学：
　　【任务情境一】
　　【学习任务一】发现经典物理学理论存在缺陷
　　把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢？
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　提问1：结合铁块随温度升高从发热，再到发光，铁块的颜色不断发生变化的现象，说明什么是“热辐射”？物体热辐射辐射的是什么？
　　预测学生回答：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。铁块随温度升高辐射的电磁波波长和强度不同，所以会从不发光依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。
　　提问2：由于物体表面除了热辐射之外，还会吸收和反射外界射来的电磁波，所以要想研究物体热辐射，首先要建立一个物理模型——“黑体”。什么是黑体？黑体辐射研究的社会背景是什么？大量实验发现，黑体辐射的实验规律是什么？
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　学生代表交流展示：19世纪后半叶，欧洲的冶金工业迅速发展，技术人员渴望了解热辐射的规律。大量实验发现，黑体热辐射的强度与波长的关系：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
　　提问3：能否用铁块呈现的颜色判断铁块的温度呢？为什么？
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　问题提示：视频播放或课件展示：铁块在温度升高时颜色的变化（下图）。
　　预测学生回答：根据黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与黑体温度的关系，就能判断铁块的温度。
　　提问4：用经典物理学理论能解释黑体辐射的实验规律吗？遇到了什么困难？
　　问题提示：在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热学和电磁学的知识来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别在1896年、1900年根据热学和电磁学的知识，提出了辐射强度按波长分布的理论公式，他们是怎样解释黑体辐射的实验规律？
　　学生代表交流展示：两种理论公式描绘的电磁波辐射强度按波长分布情况变化与实验规律的区别（见下图）：
　　维恩公式：短波区与实验接近，长波区与实验偏离很大。
　　瑞利-金斯公式：长波区与实验基本一致，短波区与实验严重不符，当波长趋于零时，辐射强度变为无穷大，这显然是荒谬的。
　　问题提示：由经典理论得出的这种荒谬结果被认为是物理学理论的灾难，当时称它为“紫外灾难” ，这预示着经典理论在宏观还是微观范畴存在着缺陷？
　　预测学生回答：经典理论可能在微观世界里存在着缺陷。
　　【任务情境二】一朵令人不安的乌云
　　维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射，所得的结果都与实验结果不相符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。因此，当时的物理学家开尔文勋爵认为“黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云”。既然已有的理论不能合理解释黑体辐射的规律，这必然会促使人们去发现新的理论。
　　【学习任务二】普朗克如何解释黑体辐射的实验规律？
　　提问1：普朗克如何解释黑体辐射的实验规律？
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　问题提示：因黑体辐射实验结果与经典物理理论推导的结果存在巨大差异，普朗克将维恩定律加以改良，应用娴熟的数学技巧，“侥幸揣测”出了一个与实验数据完全吻合的普朗克黑体辐射公式。普朗克由实验事实出发，发现只要做一些假设，就可以从理论上得出他提出的黑体辐射公式。
　　图中曲线是根据普朗克公式做出的，小圆点是实验数据。比较结果是“令人满意的相符”。 然而，能量连续性概念在人们的头脑中根深蒂固，几乎所有的科学家相信包括能量在内的一切自然过程都是连续的，数学家、哲学家莱布尼兹曾经说道：“自然界不会突变，如果要对此提出疑问，那么世界将会出现许多间隙，这就迫使我们去乞求神灵来解释自然现象了”。
　　预测学生回答：普朗克提出一个假设：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。例如，可能是ε或2ε、3ε……这个不可再分的最小能量值 ε叫作能量子。
　　提问2：什么是普朗克的能量子假说？表达式如何？
　　预测学生回答：能量子ε=hυ。。其中，υ为电磁波的频率，h为普朗克常量，其值为h=6.626×10-34 J·s。
　　提问3：我们应该坚信传统观念还是尊重客观规律呢？
　　预测学生回答：应该由实验事实出发，尊重经验事实对理论的检验，科学研究应该实事求是、客观求实、理性追求、批判创新。
　　提问4：普朗克的能量子假说与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同？能量子假说的意义是什么？
　　问题提示：在宏观世界中我们认为能量是连续变化的。例如，把一个小球从高处落下，它的重力势能随高度变小而连续变小。在微观世界里能量是量子化的，量子化如何理解呢？可以认为一个物理系统的能量状态不是连续地变化而是以某一最小能量单位做跳跃式变化。楼梯是量子化的，一个人上楼梯，他可以一次上一阶、或二阶、或三阶，但他绝不可能上一阶半,就停在那里。
　　预测学生回答：经典物理学认为宏观世界物质的能量是连续的。在微观领域中能量是不连续变化的，即只能取分立的值。普朗克能量子的假说，提出了能量量子化的观点，打破了“能量连续变化” 的传统观念，使人们对微观世界有了一个全新的认识。
　　【任务情境三】物理学的一场革命
　　普朗克提出“能量子假说”宣告了物理学的一场革命。普朗克提出这种与经典物理学截然不同的观点是需要极大的勇气的，普朗克在公开提出“能量子假说”时，是非常“谨慎和大胆”的。普朗克对自己的儿子说“我的这一发现要么是荒诞无稽的，要么是牛顿以来物理学最伟大的发现之一”。
　　【学习任务三】微观世界里能量是连续的还是量子化的？
　　提问1：普朗克为什么对儿子说“自己的发现要么是荒诞无稽的，要么是牛顿以来物理学最伟大的发现之一”？
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　预测学生回答：普朗克提出的“能量子假说”，当时缺乏支持它的证据。自然现象在其未被揭示出科学本质之前，人们对它的认识是很不完整的，甚至是片面的，只能借助于假说的形式进行研究与探索。当某一假说被大量事实所证实时，它才能发展成一种理论。
　　提问2：普朗克开创了量子论，他认为，辐射的能量仅仅在原子吸收或发射时是不连续的，一份一份的，而在传播过程中仍是连续的。爱因斯坦则认为，电磁辐射的能量不仅仅在吸收或发射时是不连续的，在传播过程中也是不连续的。即电磁场本身就是不连续的。请同学结合上节课“电磁波的发现及应用”知识，判断谁的观点是正确的？
　　预测学生回答：光是一种电磁波——传播着的电磁场，光电效应实验表明光本身就是由一个个不可分割的能量子——光子组成的，说明电磁辐射的能量不仅仅在吸收或发射时是不连续的，还是在传播过程中，也是不连续的。电磁场本身就是不连续的，量子化的。
　　提问3：经典理论无法解释原子光谱特征谱线。在原子的发射光谱中，只有一些分立的亮线，这一现象说明原子的能量是连续的还是量子化的？
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　问题提示：通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。而处于较高的能量状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的. 所以原子的发射光谱中，只有一些分立的亮线。物理学家波尔提出假说：微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量也是不连续的，是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级。波尔能级理论和氢原子光谱特征谱线的实验数据非常吻合。
　　预测学生回答：氢原子光谱是由一系列不连续的亮线组成的线状谱，说明原子只能处于一系列不连续的能量状态中，当原子从一种能量状态变化到另一种能量状态时，辐射（或吸收）的光子的能量是不连续的。
　　提问4: 19 世纪末和 20 世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明。大量事实说明，微观世界里能量是连续的还是量子化的？量子力学的建立是不是完全否定了经典力学？
　　预测学生回答：微观世界，能量不是连续的而是量子化的，宏观世界中能量是连续的。量子论和量子力学的建立并不是完全否定了经典力学，它只是在微观世界领域否定了经典物理中根深蒂固的连续性概念和决定论思想，事实上宏观的经典物理是量子物理的极限形式。
　　【学习小结】
　　1.黑体辐射
　　2.普朗克能量子假说的提出
　　3.能量子假说的推广
　　【学习评价自测】
　　1．以下宏观概念，哪些是“量子化”的 ( )
　　A．木棒的长度
　　B．物体的质量
　　C．物体的动能
　　D．学生的个数
　　答案：D
　　解析：木棒的长度、物体的质量、物体的动能，数值都是可以连续变化的。学生的个数只能是一个人，两个人……不可能是任意连续的数值，如2.3个人。因此学生的个数是量子化的。
　　2．红、橙、黄、绿四种单色光中，光子能量最小的是 ( )
　　A．红光 B．橙光 C．黄光 D．绿光
　　答案：A
　　解析：光是一种电磁波，光子的能量ε=hυ。其中，υ为光的频率，h为普朗克常量，其值为h=6.626×10-34 J·s，四种单色光中红光频率最低，光子能量最小。
　　3．（1）最早提出能量量子化概念的是___国的科学家______。最早提出光子概念的科学家是________，并运用它成功解释了________。
　　（2）在宏观世界中，人们认为能量是______，在微观世界中，普朗克认为能量是_______，而是_______________,每一份能量等于____。
　　答案：（1）德国 普朗克 爱因斯坦 光电效应
　　（2）连续的 不连续的 量子化的 能量子
　　解析：（1）最早提出能量量子化概念的是德国的科学家普朗克。普朗克能量子的假说，提出了能量量子化的观点，打破了“能量连续变化”的传统观念，使人们对微观世界有了一个全新的认识。爱因斯坦在此基础上提出，光电效应实验表明光本身就是由一个个不可分割的能量子——光子组成的，说明电磁辐射的能量仅仅在吸收或发射时是不连续的，还是在传播过程中，也是不连续的。电磁场本身就是不连续的，量子化的。
　　（2）在宏观世界中，人们认为能量是连续的，在微观世界，能量不是连续的而是量子化的，,每一份能量等于能量子。量子论和量子力学的建立并不是完全否定了经典力学，它只是在微观世界领域否定了经典物理中根深蒂固的连续性概念和决定论思想，事实上宏观的经典物理是量子物理的极限形式。