4.1 普朗克黑体辐射理论 教学设计（表格式）

教学设计
课程基本信息
课题 普朗克黑体辐射理论
教学目标
1. 知道黑体与黑体辐射，知道黑体辐射的实验规律及理论解释；2. 了解能量子假说，领会科学解释中的科学假设方法；3. 了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会能量量子化的提出对人们认识物质世界的影响。
教学内容
教学重点：1.能量子的概念；2.通过对不同温度下黑体辐射强度与波长关系的实验图像的分析，让学生感悟以实验为基础的科学探究方法。教学难点：1.黑体辐射的实验规律；
2.如何让学生认识能量量子化假说。
教学过程
一、引入新课教师：量子论的建立是20世纪物理学的最大成就之一，量子论解释了原子、分子等微观粒子遵循的规律，这些规律和牛顿力学等宏观、低速情况下的物理规律有很大不同。那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的？今天这节课我们就来一起学习“普朗克黑体辐射理论”。。二、新课教学1．黑体与黑体辐射教师：请大家先回忆一下我们在以前学习过的：什么是热辐射？物体的热辐射有什么特性？（请学生回答）教师：我们周围的一切物体都在辐射各种波长的电磁波，这种辐射与物体的温度有关，因此称为热辐射。 例如：新冠肺炎肆虐期间，我们每天进行体温检测使用的医疗测温枪，使用时，只要把枪口对准待测物体，枪尾的显示屏上就有数字直接显示那个物体的温度。你知道其中的道理吗？根据热辐射规律可知，人的体温的高低直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度，通过监测被测者辐射的红外线的情况，就知道这个人的体温。　　先请大家阅读教材P67页，第一小节“黑体与黑体辐射”教师：除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。（板书）某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。教师：课件展示黑体模型（如图）并进行阐释。不透明的材料制成带小孔的空腔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔可近似看作黑体。黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射，叫做黑体辐射。19世纪，由于冶金、星体测温等需求，人们对热辐射进行了大量的研究。当时物理学家们已经有能力对热辐射的强度随波长的分布进行比较准确的测量。教师：一般材料的物体和黑体辐射电磁波的情况有什么不同呢？学生：一般材料的物体辐射电磁波的情况除与温度有关，还与材料的种类和表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。　　2．黑体辐射的实验规律教师：研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础，请大家阅读教材P68页，第二小节“黑体辐射的实验规律”。稍后，课件展示（如下图）并讲解黑体辐射的实验规律。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。这些规律与我们的日常经验是一直的。 　　课件展示：铁块在温度升高时颜色的变化（下图）。例如：在给铁块加热的过程，随着温度的升高，铁块从发热到发光，颜色从暗淡的红色到明亮的黄色。温度不同，颜色就不同；颜色的不同就代表辐射电磁波的波长不同。这表明温度身高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。教师：怎样解释黑体辐射的实验规律呢？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年提出了辐射强度按波长分布的理论公式。　　课件展示：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），并引导学生了解图中的信息。维恩公式：在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离较大。瑞利-金斯公式：在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。当波长趋于零时，辐射强度变为无究大，这在物理学史上称之为“紫外灾难”。那么怎样才能得出同全部实验相符的黑体辐射公式呢？教师：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合，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。这就是能量量子化理论。3．能量子请大家阅读教材P69页，第三小节“能量子”教师：1900年，德国物理学家普朗克提出量子化假说：黑体中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（即：ε， 1ε，2ε，3ε，．．． nε，n为正整数，称为量子数），这些带电微粒吸收或辐射的能量也不象经典物理学所允许的可具有任意值，也只能以这个最小能量值ε为单位一份份地进行的。（板书）这个不可再分的最小能量值ε叫能量子，它的表达式为ε=hυh是一个常量，后人称之为普朗克常量，其数值等于6.626 07015×10-34J·s ，一般取6.63×10-34J·s 。υ是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。借助于能量子的假说，1900年10月19日普朗克提出一个黑体辐射的强度按波长分布的公式，这公式与实验非常符合。 按理说：普朗克提出能量子假设完美的解释了黑体的辐射，应该是高兴的，但很长时间内普朗克本人也为他的这种能量子假说深感不安。他也曾努力把自己提出的能量子假说纳入已有的经典物理学的框架，但后来物理学的发展表明，能量量子化和经典物理并不相容，它是原子、分子等微观粒子所遵循的独有的物理规律——量子规律的体现。教师提问、讲解：对能量量子化如何理解呢？　　在宏观世界中我们认为能量是连续变化的。例如，一个弹簧振子，把小球推离平衡位置后开始振动，能量为E，下一次我们可以把它推的稍远一些，使它振动的能量稍多一些，例如，1.2E或1.3E，也可以把它推的更远，能量更大。弹簧振子的能量不一定是某个最小值的整数倍。只要在弹性限度以内，我们可以把小球推到任何位置，它的能量可以是任何值。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。比如说人就是量子化的，一个人就是一个基本单位。我们说教室里有51位同学，但不能说有16.7个同学。 　　 再比如：这种供路人行走的台阶和坡道，对于坡道来说他的高度变化是连续的，而对于台阶来说高度的变化是不连续的、是分立的、是量子化的。一个人上台阶，他可以一次上一级、或二级，但绝不可能上一级半就停在那里。普朗克提出的能量子假设被物理学后来的发展证明是完全合理的，它第一次为人们揭开了微观世界物理规律面纱的一角，使物理学从此进入了一个新得纪元。而他本人也因此获得了1918年诺贝尔物理学奖。三、课堂小结请一个同学口头回忆本节学了哪些知识，并找其它同学做补充。教师应鼓励学生主动总结所学内容，允许他们可以不按讲课的内容顺序总结，让他们自主建构物理知识、同时内化为自身的知识。教师主要强调物理学常用的科学探究方法之一：以实验事实为基础，经过合理的推理和想象，最后得出结论。四、课堂练习1、黑体辐射的实验规律如图所示，以下说法正确的是（ ） A.随温度升高，各种波长的辐射强度都增大 B.随温度降低，各种波长的辐射强度都增大 C.随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 D.随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动【参考答案】ACD2、对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是（ ） A.以某一最小能量值一份一份的辐射或吸收 B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍 C.吸收的能量可以是连续的 D.辐射和吸收的能量是量子化的【参考答案】ABD五、课后作业：1、阅读教科书及课后的科学漫步2、完成课后“练习与应用”1、2题六、【教学反思】本节的知识对学生来说学前相关经验较少，理解起来有一定困难。因此要以接受学习为主，教师在讲解时可以充分利用直观的图像来做说明并做好知识铺垫，同时要注意语言的生动、形象。在能量子概念教学时，要让学生体会物理发展进程中物理学家面临物理新问题的积极态度，更多的引发他们对物理学家敢于突破先前思想、先前理论束缚的创新精神的钦佩之情。
反射某些波长的电磁波
吸收某些波长的电磁波
辐射电磁波