13.5 能量量子化教学设计（表格式）

课程基本信息
授课教师 学科 物理 年级 高二 学期 上学期
课题 能量量子化
教科书 书名：物理必修（第三册） 出版社：人民教育出版社 出版日期：2019 年 4 月
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。
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。
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。
教学重点
1.黑体辐射及其研究的历史脉络 2.能量量子化的基本概念和创立过程。
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。
教学过程
时间 教学 环节 主要师生活动
环节一 引入 环节二 热辐射 环节三：黑体辐射和紫外灾难 环节四： 能量量子化 环节五： 能量量子化的发展—光子和能级 环节六 小结 环节一：引入 【教师】同学们都看过士兵突击吗？里面有一段和我们物理知识相关的内容，请看视频。 同学们，钢七连为什么被发现了？ 【学生】侦察机有热成像仪。 【教师】很好，那么热成像仪的工作原理是什么呢？为什么一个热乎的鸡蛋就暴漏了隐藏目标呢？我们带着这个问题来学习今天的内容——能量量子化。 环节二：热辐射 【教师】首先请同学们带着以下问题观看下面的视频，并利用受用的平板电脑查找任务一的两个问题。 【学生】观看视频后小组利用学生平板电脑查找答案并讨论。 【任务一】探究物体辐射电磁波的原因。 问题1：物体中哪部分带电？ 问题2：物体中微观粒子的运动快慢与什么因素有关？ 【学生】学生回答两个问题。 问题1：物体中电子和原子核带电。 问题2：物体中微观粒子运动的快慢与温度有关。 【教师】上节课我们知道，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远向周围传播，形成电磁波。而一切物体内都存在不停运动的带电微粒，带电微粒的振动会产生变化的电磁场就会向外辐射电磁波。我们周围一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与温度有关，也称热辐射。 板书：一热辐射 一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与温度有关，也称热辐射。 【教师】那么热辐射有什么特点呢？接下来我们观看视频，并小组合租完成任务二。 【视频】铁块随温度颜色变化的视频。 【任务二】寻找物体辐射电磁波的规律 问题1：请将铁块的颜色变化记录下来 520度650度750度780度800度830度880度1150度1250度1300度
问题2：温度不同，为何铁块的颜色不同？ 问题3：对照电磁波谱，铁块的温度越高，铁块辐射的电磁波的波长越如何？ 问题4：常温下，铁块什么颜色？为什么？ 【学生】看视频后小组讨论、思考。 【教师】大家看这些图，铁块从发热到发光，温度不同，颜色不同，颜色不同代表的就是辐射的电磁波的波长不同，从电磁波谱可以知道，红光的波长长，紫光的波长短。温度升高时，铁块有暗暗的红色转变成明亮的黄色。大量实验表明，辐射强度按波长的分布规律随物体的温度不同而不同，温度升高时，波长较短的成分越来越强。 当我们看到铁块颜色是明亮的黄色时，就可以判断他比发暗红色的铁块温度高。炼钢工人正是通过观察颜色而判断温度的。当然，要精确到5摄氏度，还需要长期的经验积累。人体向外辐射的电磁波不在可见光的范围内，我们人眼观察不到，测温枪可以探测到，从而来判断人体温度高低的。 根据这个原理，我们可以推测物体的温度高低。 环节三：黑体辐射和紫外灾难 【教师】常温下，温度是20度左右，对应的光谱应该是红外线了，但是铁块为什么是银白色呢？ 【学生】思考。 【教师】一个物体除了热辐射外，物体表面还会反射外界射来的电磁波。所以铁块才显示出来银白色。那么我现在想研究热辐射的规律，就需要排除其他因素的影响，这种反射的电磁波和辐射的电磁波混在一起，对物体自身的热辐射造成了一定的干扰。怎么办 如果有一个物体只辐射电磁波，不反射电磁波就好了。为了研究方便，我们依据这个建立一个物理模型——黑体。 板书：二、黑体 1.定义：如果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，这种物体就叫做黑体。 【教师】 黑体是一个模型，他和我们学习过的所有物理模型一样，比如质点模型、点电荷模型等，都是理想化的，抽象化的，现实中并不存在。但在现实生活中，有很多物体，他们反射的电磁波和辐射的电磁波相比很少的话，反射电磁波的影响就可以忽略不计，那么我们就可以把他们当成是黑体。 【教师】生活中，哪些物体可以看作是黑体？ 开孔的黑盒子 远处的窗户 烟煤 太阳 【学生】思考。 【教师】在黑盒子上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终几乎不能从小口或窗口射出，远处建筑物上小小的窗口看起看来很黑就是这个道理，他们就可以近似看成一个黑体。太阳几乎没有反射的电磁波，但是会源源不断的向外辐射电磁波，所以太阳也是黑体。烟煤之所以是黑色因为它反射光线，所以烟煤不是黑体。大家看，黑体不一定是黑色，而黑色的物体也不一定是黑体。 板书：2.特点：（1）黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波。 （2）黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度 有关。 【教师】 黑体不反射电磁波。但可以向外辐射电磁波。黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关。接下来请大家小组合作来完成任务三。 【任务三】从黑体辐射的实验中得到什么规律？ 问题1：认清楚横纵坐标表示什么？ 问题2：随温度升高，辐射强度如何变化？ 问题3：随温度升高，辐射强度的最大值如何变化？ 【教师】总结黑体辐射规律。 【教师】19世纪，物理学飞速发展，在各个领域都取得了很大的成功。那时候许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。接下来我们回到1900年，听一下在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文说了什么。 【AI生成开尔文的视频讲话】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。只是，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，其中一朵就是黑体辐射与紫外灾难。 【教师】那么什么是紫外灾难？当时关于黑体辐射的研究究竟发生了什么，让人们称之为灾难？ 【AI生成维恩的视频讲话】我们发现短波符合，长波不符合。 【AI生成瑞利的视频讲话】英国物理学家我瑞利在1900年提出的，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，不但不符，而且当波长很小时，辐射强度竟变成无穷大，被称为是物理学经典理论的灾难，由于波长很小的辐射处在紫外线波段，故而称为 “紫外灾难”。环节四：能量量子化 【AI生成普朗克的视频讲话】 1900年，我——普朗克作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。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，它的大小为ε ＝ hν ,ν是电磁波的频率，h 是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为h ＝ 6.63×10-34 J·s 【教师】这里面有两个对立的概念，连续和不连续----即量子化。我们生活中也有连续和不连续的事物变化。借助于量子化的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合的非常完美。 板书：三、能量量子化 能量子ε＝ hν 普朗克常量h ＝ 6.626 070 15×10-34 J·s 按理说，这样的结果普朗克应该高兴，但是，普朗克没有，不但没有，还非常恐慌。因为在很长的历史时期内，不仅是物理学界，就是整个科学和哲学界都认为，一切自然过程都是连续的。 当然，一种新的思想，一种新的观念，要让人们接受，是需要时间的。最早认识到能量量子化概念的意义和正确性的是年轻的物理学家爱因斯坦。 环节五：能量量子化的发展—光子和能级 【教师】光子：19世纪，另外一种现象也一直困扰着物理学家，人们发现照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。被称之为光电效应现象。1905年，为了解释光电效应现象，德国物理学家爱因斯坦把普朗克能量子的假设进行了推广，他认为普朗克的观点是不彻底的，仅仅认为电磁波在吸收和辐射时，才显示出不连续性是不够的，实际上电磁场本身就是不连续的。 也就是说，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。 爱因斯坦的光子说，成功的解释光电效应现象。 能级：另一位把量子化假设向前推进的是丹麦物理学家玻尔。 我们在初中化学中学习过，原子由原子核和核外电子组成，核外电子在绕核做高速的运动。离核越远，能量越高，离核越近，能量越低，根据经典电磁理论，高速运动的电子，不断向辐射电磁波，使得电子的能量越来越低，这个变化是连续的，也就是说，我们应该看到原子辐射的各种频率（波长）的光，即原子的光谱应该总是连续的；而实际上看到的是分立的线状谱。为了解释这个现象，1913年，丹麦物理学家玻尔提出：原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫能级 。通常情况下，原子处于能量最低的状态， 这是最稳定的。处在较高的能级的原子是不稳定的，会自发地向低能级跃迁，放出光子。 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。 玻尔将量子化的科学观点引入到了原子系统，很好的解释了原子的线状光谱，进一步发展了普朗克的量子假说。 正是在不断的实践检验的证明中，量子化的观点才逐渐被大家接受和认可。 【视频】观看中国的超级科技——量子芯片短片，一大批优秀的科学家前赴后继地投入祖国的量子力学的研究，发展并完善了量子力学理论。到今天，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！ 环节六：小结 这节课，我们通过三段物理学史，了解了量子化概念建立发展的过程，为了解释黑体辐射的实验规律，普朗克 1900 年提出了能量量子化的概念，从此，物理学进入了一个新的纪元。普朗克本人因此获得了 1918 年的诺贝尔 物理学奖。五年之后，爱因斯坦在此基础上进一步提出了光量子的概念，成功解释了光电效应现象获得1921年的诺贝尔物理学奖。丹麦物理学家玻尔在1913 年把量子化的观念应用到原子系统，提出了自己的能级假说，成功地解释了氢原子的分立光谱。获得1922年的诺贝尔物理学奖。光量子和能级的提出，深化了普朗克能量量子化的假说。 量子化的观点逐渐被人们认可，但科学研究并没有因此而结束，科学家发现，这些成功的理论都和普朗克常数有关。这就预示着这些理论之间存在着某种紧密的内在联系。正是由于科学家们敏锐的洞察力和锲而不舍的科学精神，20世纪，量子力学诞生了。它不但可以很好的描述微观世界的运动规律，并在现代科学技术中发挥着重大的作用。 有兴趣的同学可以阅读课后推荐的学习资源，了解什么是量子力学，以及它和我们丰富多彩的现代生活之间关系。 今天的课就上到这里，同学们 再见。
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