教学设计
第三节 量子化现象
整体设计
本节从19世纪末经典物理学的其中一朵乌云——黑体辐射引入新课，介绍量子化诞生的过程，揭示光的本性.通过对微观世界的量子化现象的讨论和分析，对比宏观物体和微观粒子能量变化的特点，呈现当科学家们由宏观世界进入微观世界领域时所引发的物理学革命，使学生认识普朗克量子假说和爱因斯坦提出光子说的重大意义，从而理解光的本性——波粒二象性和原子能量不连续的特点，进而体会量子物理对人类认识世界和科技发展的重要影响.
教学重点
1.黑体辐射：能量子假说的提出.
2.光子说：对光电效应的解释.
教学难点
1.黑体辐射：能量子假说的提出.
2.光子说：对光电效应的解释.
教学方法
讨论式、探究式
课时安排
1课时
三维目标
知识与技能
1.初步认识微观世界中的量子化现象，知道量子论的主要内容.
2.知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，了解光的波粒二象性.
3.知道量子论的建立不仅是物理学的革命，也对人类认识世界和科技发展具有重要影响.
过程与方法
1.通过了解经典物理学能量连续性观点在解释“黑体辐射”现象时的失败，体会普朗克提出量子假说的伟大意义.
2.通过了解“光电效应”实验与经典物理学理论的矛盾，体会爱因斯坦的光子说对光的本性的揭露.?
3.通过了解光的波粒二象性和氢原子光谱，使学生知道微观世界能量量子化的特征，从而使学生认识到：量子化的观点是作为现代人认识客观世界的重要方法.
4.通过列举量子论的发展所带来的科学技术的重大革命和对其他自然科学领域的影响，体会量子论对人类认识世界的深远影响.
情感态度与价值观
1.体会科学家探求真理的无限艰辛和他们非凡创性思维的光芒，使学生不仅从中获取科学知识，更受到科学思维的熏陶.引导学生善于逆向思维，培养思维的灵活性、发散性和创造性.
2.关注物理学对生活的影响，体会量子物理对20世纪科学技术领域和人类文明进步所造成的影响.
3.感受科学家客观求实、理性追求和批判创新的精神，培养学生敢于质疑的科学品质.
教学过程
导入新课
师
19世纪末20世纪初，在研究黑体辐射、光电效应、原子光谱和原子的稳定性等问题时发现，许多现象与经典物理学的观念产生了尖锐的矛盾，暴露了经典物理学的局限性，从而引发了物理学的另一场革命——量子论的建立，使人类对物质的认识由宏观世界进入微观世界.
推进新课
一、黑体辐射：能量量子假说的提出
师
黑体辐射是19世纪末20世纪初物理学无法解释的几大难题之一，那么什么是黑体？什么是黑体辐射？
生1
所谓黑体，是指这样一种物体，在任何温度下，它将入射的任何波长的电磁波全部吸收，没有一点反射，而在相同温度下，它所发射出的热辐射比任何其他物体都强.在自然界中，不存在这种理想的黑体，但在某些条件下我们可以找到近似于黑体的物体.
生2
黑体辐射是指黑体发出的电磁辐射.比如一块铁，我们可以把它看成近似的黑体加热，它开始吸收热能，铁块会先呈暗红，然后变黄变白，发出耀眼的光线.这就是黑体辐射.
师
每一种新生事物的诞生都有其偶然和必然的因素，经典物理学面临着如此无法解释的实验事实，这预示着经典物理学的理论存在缺陷，或是新理论的诞生，你能说说能量量子化假说提出的背景吗？
生
很长一段时间内，经典物理学中的连续性观念在人们头脑中根深蒂固，物理学家们都一直认为一切自然过程（包括物质、能量）都是连续的，并把它视为科学研究的一条准则，然而，这一准则在19世纪末科学家们研究黑体辐射规律时遇到了无法解释的困难：理论分析与实验结果不相符合.这使得不少物理学家看到，经典物理学面临着严重危机.
能量量子假说的提出：1900年德国物理学家普朗克以《正常光谱中能量分布的理论》为题，提出了一个大胆的能量子假说.这是一个与经典物理学基本原理完全对立的假说.根据这一假说：在电磁波的发射吸收过程中，发射体和吸收体的能量变化是不连续的，而是一份一份地进行的，每一份就是一个最小的能量单元.这个最小的能量单位称为“能量子”，能量值只能取某个最小能量元的整数倍.普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，如果能量子的能量用E表示，它的数值等于辐射的频率ν乘以一个常数h，即E=hν，h称作普朗克常量，实验测得普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.由这个假说推算出来的黑体辐射规律与观测事实符合得很好，但能量量子化的观点违背日常生活经验，当时没有被人接受，而普朗克本人也踌躇不前.
讨论与交流
师
普朗克的能量子的假说与宏观世界中我们对能量的认识有什么不同？
宏观世界中对能量的认识是连续的，运动物体今后的行为，是由过去的运动状态以及物体所受的作用力决定的，这就是牛顿力学的确定性，即如果知道物体初始的运动状态以及运动过程中的受力情况，那么就可以根据牛顿运动定律列出物体的运动方程，从而确定物体在任意时刻的运动状态.
普朗克的能量子假说认为能量是不连续的，发射体和吸收体的能量变化不是连续的，而是一份一份地进行的，每一份就是一个最小的能量单元.这个最小的能量单位称为“能量子”，能量值只能取某个最小能量元的整数倍.
在微观领域中能量的不连续变化，即只能取分立值的现象，叫做能量的量子化.
二、光子说：对光电效应的解释
1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子的假说，提出了光量子理论.爱因斯坦认为：普朗克把能量的不连续性只限于光的发射和吸收过程，这是不彻底的，即使在空间传播的过程中辐射的能量也是不连续的，也是一个个能量子组成的.
具体地说，光在传播的过程中，也是不连续的，它由数值分立的能量子组成.爱因斯坦称这些能量子为光量子，也称为“光子”，光就是以光速c运动着的光子流.同普朗克的能量子一样，每个光子的能量也是hν，式中ν为光的频率，h为普朗克常量.光子说成功地解释了经典物理学所遭遇的另一难题——光电效应现象.
当紫外线这一类波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出，这种现象叫光电效应现象.从金属表面逸出的电子叫光电子.
经典理论中“光的波动说”认为光是一种波，它的能量是连续的，与光的强度有关，而与光的频率无关.光电效应实验显示：用微弱的紫光照射金属表面能立即产生光电子，而用很强的红光照射，无论照射多长时间，也没有光电子产生.就是说光电效应的产生取决于光的频率而与光的强度无关，这和光的波动说相矛盾.
光子说可以很好地解释光电效应.按照光子说，光是由光子组成的，光子的能量是由频率决定的.光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的电子吸收，电子吸收光子的能量后，本身的能量增加，如果能量足够大，电子就能克服金属离子对它的束缚，离开金属表面，逃逸出来，成为光电子.用微弱的紫光照射金属表面时，虽然光子的数目比较少，但是由于光子的频率大，每个光子的能量也足够大，光子的能量被电子吸收后，足以使电子从金属中逃逸出来；用很强的红光照射，虽然光子的数目很多，但光子的频率低，每个光子的能量不够大，光子的能量被电子吸收后，也不足以使电子从金属中逃逸出来.
光电效应表明：光具有粒子性.
三、光的波粒二象性：光的本性揭示
两种学说的斗争历程：
有两种关于光的本性的认识：光的波动性和光的粒子性.光是电磁波，它的波动性是我们所熟悉的.光是物质，具有能量.那么，它的粒子性又如何？
牛顿是光的微粒学说的创始人.牛顿认为：光是从光源射出具有高速度的粒子流.微粒学说可以解释光的反射、折射、光的颜色等，因此，18世纪粒子说得到许多人的认可.但是，微粒说不能解释光的干涉、衍射等现象.荷兰物理学家惠更斯认为，光像水波一样，也是一种波，叫光波.19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦创立的经典电磁场理论揭示出：光是一种电磁波.因此到19世纪，波动说才代替微粒说，得到大家的承认.
到20世纪，由于光电效应的出现，人们发现用电磁波来解释这一效应又出现了困难，这就触发了人们对光的本性的再认识.
爱因斯坦第一个意识到普朗克量子假设的革命性意义，即能量量子化与牛顿力学和麦克斯韦的电磁理论是不相容的，并提出了光量子的假说，但光量子假说却将这种不相容表现得更为明显.因此，即使是量子化的首创者普朗克都拒绝接受光量子概念.1915年，美国物理学家密立根用实验精确证实了光量子的存在.直到1922年，康普顿效应的发现才最终令人信服地验证了光量子假说的正确性，使光量子概念开始为人们所接受.随后，光量子才正式命名为光子（photon）.
大量的事实证明：光既具有波动性又具有粒子性，也就是说光具有波粒二象性.实际上，在宏观上，大量光子传播往往表现波动性；在微观上，个别光子在与其他物质产生作用时，往往表现为粒子性.
在光的双缝干涉实验中，如果短时间曝光，发现光子在底片上呈现不规则分布的点子，长时间光才形成明暗相间的条纹.这说明了光的波动性不同于机械波，也不同于经典意义下的电磁波，即表现为光子在空间各点出现的可能性的大小.所谓概率大，即出现光子的机会多，出现光子的数目多，也就是干涉、衍射时呈现的明亮的条纹；所谓概率小，即出现光子的机会少，出现光子的数目小，也就是干涉、衍射时呈现较暗的条纹.
物质的波粒二象性
法国物理学家德布罗意通过研究、分析、对比，灵感的火花闪过他的脑际，他意识到，既然光具有波粒二象性，那么静止质量不为零的物质粒子，如电子，也应该具有光波的性质.
德布罗意进一步提出了物质波理论，根据这一理论，每个物质粒子都伴随着一种波，这种波称为物质波，又称概率波，后人称之为德布罗意波，德布罗意从理论上揭示了物质（包括光子和电子）的统一性.同时他推导出物质波的波长：λ=.?
式中，λ是波长，p是实物的动量，它等于实物的质量与运动速度的乘积，即 p = mv.h是普朗克常量.
例：已知一个垒球的质量是1 kg，一个电子的质量是9.1×10-31 kg.垒球在地板上以1 m/s的速度运动，电子经加速后在显像管中以1×107 m/s的速度运动.它们的物质波波长各是多少？
分析与计算：将数据代入德布罗意的物质波公式中，可以算出垒球与电子的物质波波长分别是：
λ1≈ 6.6×10-34 m
λ2≈ 0.7×10-10m.
可见，垒球的波长远小于一个原子的直径，这是无法测量到的，难怪我们无法观察到常见物体的物质波.电子的波长虽然也很小，但是用精密的手段已可以测量.1927年，在实验室中已成功地拍摄到了电子的干涉照片.干涉与衍射是波的显著特征.
物质波是对经典物理学在微观领域的又一次冲击，尽管它出乎常理，但独具一格，拓展了人们的视野，使人们对自然的认识又深入了一步.
四、原子光谱：原子能量的不连续性
如果按照经典理论，能量是连续变化的，则氢原子发光的光谱就应该包含一切频率的连续谱，而事实上氢原子光谱是由一系列不连续的亮线组成的线状谱.
这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）一定频率的光子，辐射（吸收）的光子的能量是不连续的.
量子论的发展带来了20世纪科学技术的繁荣，开辟了众多的高新技术领域，成为当今高科技的理论基础.
量子论的发展也改变了人们的思维方式，强烈地影响着人类包括哲学家在内的社会和文化，也将对21世纪的科学进步产生深远的影响.
课堂小结
本节课我们明确了能量子假说的提出，学习了光子说，对光电效应的解释；通过光的波粒二象性，揭示了光的本性，明确了原子光谱、原子能量的连续性.
板书设计
第三节 量子化现象
一、黑体辐射
能量子假说的提出
二、光子说
对光电效应的解释
WWW.ziyuanku.com三、光的波粒二象性
光的本性揭示
四、原子光谱
原子能量的不连续
备课资料
1.“紫外灾难”
我们都有这样的经验：放在炉火上加热到发热的螺丝刀可以将木柴点燃，说明它有很高的温度.因为物体在温度升高时颜色会发生变化，有经验的炼钢工人，根据钢水的颜色就能比较准确地判断钢水的温度.一般来说，暗红色约500 ℃，橙黄色约800 ℃，明亮的白色就有1 000 ℃以上了.
在高温的物体附近，你会明显感觉到它辐射出来的热.物理学研究表明：物体在任何温度下都会发射出各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射出电磁波的现象称为热辐射.
为了研究热辐射的规律，物理学家设想了一个理想模型：一个能完全吸收热辐射而不反射热辐射的物体，称之为黑体.黑体辐射涉及热、光、电磁现象，对黑体辐射的研究是19世纪后期的重要课题之一.
人们发现黑体的辐射能力与黑体的辐射波长和温度有关，并得出了黑体的辐射强度与辐射波长、温度之间关系的实验曲线.为了从理论上导出符合实验曲线的公式，许多物理学家根据经典物理学的理论做了大量的实验尝试，但是导出的结果与实验曲线不相符合.其中，维恩公式在短波区与实验较吻合，长波区偏离较大；瑞利—金斯公式在长波区域与实验较一致，而在短波区域，即接近蓝、紫、紫外光时，与实验不相符合，更为严重的是，理论计算表明，随波长变短，即向紫外区域延伸时，瑞利—金斯公式的计算结果竟导致辐射能量无限大，而实验结果在紫外区域却趋于零.由于这个与实验不符的结果出现在紫外区域，所以人们称其为黑体辐射的“紫外灾难”.这也是开尔文所说的第二朵乌云.
2.1924年，年轻的法国物理学家德布罗意（L.Broglie）在他的博士论文《关于量子理论的研究》中提出：在实物和辐射（电磁波）之间应存在某种对称性.他认为，既然辐射显示出波粒二象性，而像电子这样的实物，其行为仅表现出粒子性，这是不对称的.实物也应当具有波粒二象性.
德布罗意的博士论文使学术委员会不知所措，最后寄给了爱因斯坦，征求他的意见.爱因斯坦被这篇论文深深地打动了，他评论说：“它是照在这个最难理解的物理学之谜上的一缕微弱的光线”，揭开了“自然界巨大面罩的一角”.
物质波的假说一经提出，很快就被一系列实验所验证.例如，1927年，美国贝尔实验室的戴维孙（C.J.Davisson）、革末（L.H.Germer）及英国的汤姆孙（G.P.Tomson）通过电子衍射实验，在接收屏上得到了与光波一样的衍射图样.电子能发生衍射现象，证明电子具有波动性.微观粒子具有明显的波动性，宏观物质也具有波动性，但是极为不明显，而被忽略不计.
总之，光与静止质量不为零的物质都具有波粒二象性.应当明确，粒子性或量子性的本质在于不连续性；波动性的实质在于对微观物体状态及运动描述的不确定性，不能把物质波理解为经典的机械波和电磁波模式.
物质的波粒二象性被应用于实践.例如人眼无法辨别大小在微米以下的物体.要想看到这样小的东西，可以利用光学显微镜.对于光学显微镜来说，它能够分辨的物体的尺度与它使用的光的波长成正比，波长越短，能够看清楚的东西就越小.人们发现电子在150 V电压下的波长为0.1 nm，这个尺度刚好是原子的尺度，因此，可以利用电子的波动性来设计制造电子显微镜.
3.量子是什么？
煤矿的生产量可以用连续的方式变化.生产出来的煤可以增加或减少任意小的部分.但是矿上工作的矿工的数目只能以不连续的方式变化.如果有人这样说：“从昨天起工人的数量增加了3.783个”这句话是毫无意义的.
当你问别人的口袋里有多少钱时，只能说出一个有两位小数的数.钱的总数只能以不连续地、跳跃式地变化.在美国，美元允许的最小变化，或者像我们所要说的，美国钱币的“基本量子”是1分.英国钱币的“基本量子”是1/4便士，它只值美国基本量子的一半.
我们可以说某些量可以连续变化，而另外一些量只能不连续地变化，即从一个不能再分的单位一份一份地变化.这些不可再分的量就叫做某一种量的量子.
我们称大量砂的时候，虽然它的颗粒结构非常明显，还是认为它的质量是连续的.但是砂变得很珍贵，而且所用的秤非常灵敏，我们就不得不考虑砂子质量变化的数目，是一个颗粒的质量的多少倍数.这一个颗粒的质量，就是我们所说的基本量子.从这个例子我们可以看到，以前一直认为是连续的量，由于我们测量精密度的增大，而显示出不连续性.
假如我们要用一句话来表明量子论的基本观念，我们可以这样说：必须假定某些以前被认为是连续的物理量是由基本量子组成的.
（摘自爱因斯坦，英费尔德《物理学的进化》）
4.马克斯·普朗克
（1）生平简介
普朗克（Max Planck 1858～1947）近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人.1858年4月23日生于基尔.1867年，其父民法学教授J.W.von普朗克应慕尼黑大学的聘请任教，从而举家迁往慕尼黑.普朗克在慕尼黑度过了少年时期，1874年入慕尼黑大学.1877～1878年间，去柏林大学听过数学家K.外尔斯特拉斯和物理学家H.von亥姆霍兹和G.R.基尔霍夫的讲课.普朗克晚年回忆这段经历时说，这两位物理学家的人品和治学态度对他有深刻影响，但他们的讲课却不能吸引他.在柏林期间，普朗克认真自学了R.克劳修斯的主要著作《力学的热理论》，使他立志去寻找像热力学定律那样具有普遍性的规律.1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教.1888年基尔霍夫逝世后，柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人（先任副教授，1892年后任教授）和理论物理学研究所主任.1900年，他在黑体辐射研究中引入能量量子.由于这一发现对物理学的发展作出的贡献，他获得1918年诺贝尔物理学奖.
普朗克早期从事热力学的研究.他于1879年所写的毕业论文，就是关于热力学的第二定律，对克劳修斯的不可逆性定义提出了某些批评.1880～1890年，发表了一系列的论文，阐述了力学建立在热化基础上的热平衡理论，同时讨论了气体离解、渗透压力和溶液冰点下降、关于热力学定律的表述等问题.
1900年，普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释上的困难，创立了物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位（能量量子）的整数倍的假说，即量子假说.他引进了一个物理普适常量，即普朗克常量，以符号h表示，其数值为6.626176×10-27尔格·秒，是微观现象量子特性的表征.他从理论上导出了黑体辐射的能量按波长（或频率)分布的公式，称为普朗克公式.量子假说的提出对现代物理学，特别是量子论的发展起了重大的作用.普朗克于1918年获得诺贝尔物理学奖.
自20世纪20年代以来，普朗克成了德国科学界的中心人物，与当时德国以及国外的知名物理学家都有着密切联系.1918年被选为英国皇家学会会员，1930～1937年他担任威廉皇帝协会会长.在那时期，柏林、哥廷根、慕尼黑、莱比锡等大学成为世界科学的中心，是同普朗克、W.能斯脱、A.索末菲等人的努力分不开的.在纳粹攫取德国政权后，以一个科学家对科学、对祖国的满腔热情与纳粹分子展开了为捍卫科学的尊严而斗争.1947年10月4日在哥廷根逝世.
（2）科学成就
①普朗克早期的研究领域主要是热力学，他的博士论文就是《论热力学的第二定律》.此后，他从热力学的观点对物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究.
②提出能量子概念
普朗克在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式，创立能量子概念.19世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了著名的所谓“紫外灾难”.虽然瑞利、金斯（1877～1946）和维恩（1864～1928）分别提出了两个公式，企图弄清黑体辐射的规律，但是和实验相比，瑞利-金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高频范围符合.普朗克从1896年开始对热辐射进行系统的研究.他经过几年艰苦努力，终于导出了一个和实验相符的公式.他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文，题目是《论维恩光谱方程的完善》，第一次提出了黑体辐射公式.12月14日，在德国物理学会的例会上，普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告.在这个报告中，他激动地阐述了自己最惊人的发现.他说，为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍.这个最小数值就叫能量子，辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν.其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常量.普朗克常量是现代物理学中最重要的物理常数，它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”.1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中，系统地总结了他的工作，为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础.
（3）趣闻轶事
普朗克进入科学殿堂以后，无论遇到什么困难，都没有动摇过他献身于科学的决心.他的家庭相继发生过许多不幸：1909年妻子去世，1916年儿子在第一次世界大战中战死，1917年和1919年两个女儿先后都死于难产，1944年长子被希特勒处死.但是普朗克总是用奋发忘我的工作抑制自己的感情和悲痛，为科学作出了一个又一个重要的贡献.他一生发表了215篇研究论文和7部著作，其中包括1959年所著的《物理学中的哲学》一书.在普朗克诞辰80周年的庆祝会上，人们“赠给”他一个小行星，并命名为“普朗克行星”.1946年他虽然体弱，但却非常高兴地出席了皇家学会的纪念牛顿的集会.
普朗克为人谦虚，作风严谨.在1918年4月德国物理学会庆贺他60寿辰的纪念会上，普朗克致答词说：“试想有一位矿工，他竭尽全力地进行贵重矿石的勘探，有一次他找到了天然金矿脉，而且在进一步研究中发现它是无价之宝，比先前可能设想的还要贵重无数倍.假如不是他自己碰上这个宝藏，那么无疑地，他的同事也会很快地、幸运地碰上它的.”这当然是普朗克的谦虚.洛伦兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话，才道出了问题的本质.他说：“我们一定不要忘记，这样灵感观念的好运气，只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到.”1947年10月3日，普朗克在哥廷根病逝，终年89岁.德国政府为了纪念这位伟大的物理学家，把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所.普朗克的墓在哥廷根市公墓内，其标志是一块简单的矩形石碑，上面只刻着他的名字，下角写着：尔格·秒.
课件35张PPT。第五章 经典力学与物理学革命
