高中物理选修3-5第十七章波粒二象性 第一节能量量子化课件 （28张ppt）
文档属性
| 名称 | 高中物理选修3-5第十七章波粒二象性 第一节能量量子化课件 （28张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-04-01 10:20:49 | ||
图片预览
文档简介
(共29张PPT)
19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。
在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。
另外还找到了力、电、光、声——等都遵循的规律---能量转化与守恒定律。
当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:
“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。” (开尔文)
但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，……”
威廉·汤姆孙
迈克尔逊-
莫雷实验
物理学大厦已建立
But
仍有两朵乌云
相对论
高速领域
“两朵乌云”的故事
黑体辐射实验
量子力学
微观领域
思考与讨论
1，在炉火旁边有什么感觉？
2，投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？
铁块在随温度升高时从看不出发光到暗红到橙色到黄白色。
投在炉中的铁块
800K
1000K
1200K
1400K
热辐射：一切物体在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种辐射是由物体的原子、分子受激发产生的，与温度有关，故称为热辐射。
1.热辐射
一、黑体与黑体辐射
热辐射特征：热辐射强度按波长分布情况随温度变化而不同，温度升高，辐射电磁波中短波长成分更多；
注意： 激光 日光灯发光不是热辐射。
红外辐射
红外测温仪
利用红外成像探测铀矿
红外夜视仪
热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。
一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？
思考与讨论
发现室内墙是黑的，因为没有光
反射出来或反射出来的光比较弱
2.黑体：物体除会热辐射外，其表面还会吸收和反射外来的电磁波，如果某物体能够完全吸收入射各种波长的电磁波而不发生反射，这物体称为黑体
不透明的材料制成的带小孔的空腔
向远处观察打开的窗子
近似黑体
温馨提示
1、黑体并不一定是个黑色的物体，黑体是个理想化的模型，就象质点模型一样．
2、当黑体由于自身有很强的辐射时，看起来很明亮．比如，太阳为气体星球，可以认为射向太阳的电磁辐射很难被反射回来，所以认为太阳是个黑体（绝对黑体是不存在
黑体、黑洞和太阳黑子
①黑洞是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种超高密度天体，由于类似热力学上它是完全不反射光线的黑体，故名为黑洞．
太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，温度大约3000-4500摄氏度。因此其温度比太阳的表面温度要低1000到2000摄氏度，所以看上去像一些深暗色的斑点。
实验表明．对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外．还与材料的种类及表面状况有关．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．因而反映了某种具有普通意义的客观规律．于是，在研究热辐射的规律时．人们特别注意对黑体辐射的研究.
1700K
1500K
1300K
1100K
①温度升高，各种波长的辐射强度都增加；
②温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
黑体辐射的实验规律
辐射强度
0? ? ? ? 1? ? ? ? 2? ? ? ? 3? ? ? ? 4? ? ? ? 5? ? ? ? 6
波长（λ/um）
特别提醒
1．黑体的特点是吸收所有的入射电磁波不反射，但它可以辐射电磁波；而且它的辐射只与温度高低有关．
2．黑体辐射实验曲线的峰值随温度 “升高且左移” （即向短波移）
德国物理学家维恩根据经典热力学，在1896年提出了一个辐射强度随波长及温度变化的半经验公式，维恩公式：
维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。
实验值
维恩理论值
对黑体辐射实验规律的解释
T=1646K
λ
M0（λ、T）
根据经典热力学与电磁学，物理学家瑞利在1900年也提出了一个理论公式，后经金斯改进，合称瑞利-金斯公式：
紫外灾难
实验值
瑞利理论值
瑞利金斯公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区竟算得辐射强度为无穷大。
λ
M0（λ、T）
T=1646K
对黑体辐射实验规律的解释
对黑体辐射实验规律的解释
M?
?
瑞利 — 金斯 (1900年)
维恩
(1896年)
试验曲线
T=1646K
乌云来了
1900 年德国物理学家普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接起来，提出了一个新的公式：
为解释这一公式，普朗克“绝望地”，“不惜任何代价地”提出了能量量子化假设。
对黑体辐射实验规律的解释
理论值
实验值
M0（λ、T）
λ
微观世界的某些规律，在我们宏观世界看来可能非常奇怪。
三.能量子
对于频率为ν的电磁波ε=hν
辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε, 1 ε, 2 ε, 3 ε, ... n ε. n为正整数，称为量子数。
能量
量子
经典
三、能量子
普朗克常量h=6.626×10-34J·s
比喻：电磁波就好象是机关枪发射子弹，
子弹是一颗一颗向前运动的，
每一颗子弹就好象是一份电磁波。
能量子的理解
宏观世界中：
能量可以是任意值，可以连续变化。
例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。
微观世界中：
微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（能量量子化）
例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。
科学的历史不仅是一连串事实，规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。
——普朗克
科学的历史不仅是一连串事实，规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。
——普朗克
名言
名言
量子化假设的实验证实
（1）许多科学家（代表有德国维恩和英国瑞利、金斯）用宏观能量的观点推导的公式无法完整解释黑体辐射实验规律．
1918年，普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。
普朗克（德国）
（1858-1947）
1900年12月14日他在德国物理学会上，提出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。
普朗克的能量子观点不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。
例题
例1.
下列叙述中正确的是（ ）
A.一切物体都在辐射电磁波
B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
【解析】一般物体的热辐射与温度、材料、表面状况有关，黑体是为了忽略热辐射的次要因素而假想的一个模型，它的热辐射只与温度有关．
所以，ACD正确．
例2神光“Ⅱ”装置是我国规模最大，国际上为数不多的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2 400 J、波长λ为0.35 μm的紫外激光，已知普朗克常量h=6.63×10–34 J·s，则该紫外激光所含光子数为________个（取两位有效数字）。
解析：每个光子的能量E0=hν=h ， 故所含的光子数为n= =
= 个≈4.2×1021个
参考答案：4.2×1021
例3.光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400~700 nm。求400 nm、700 nm电磁辐射的能量子的值各是多少?
课堂小结
1、热辐射
固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。
任何物体任何温度均存在热辐射, 温度升高，发射的能量升高。激光、日光灯发光不是热辐射。
2、黑体：
能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体。
(1)黑体是个理想化的模型。
(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。
3、普朗克常数
对于频率为ν的能量子最小能量：
ε=hγ
h=6.626?10-34焦耳。——普朗克常数。
4、黑体辐射公式：
1900.10.19 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式
19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。
在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。
另外还找到了力、电、光、声——等都遵循的规律---能量转化与守恒定律。
当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:
“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。” (开尔文)
但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，……”
威廉·汤姆孙
迈克尔逊-
莫雷实验
物理学大厦已建立
But
仍有两朵乌云
相对论
高速领域
“两朵乌云”的故事
黑体辐射实验
量子力学
微观领域
思考与讨论
1，在炉火旁边有什么感觉？
2，投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？
铁块在随温度升高时从看不出发光到暗红到橙色到黄白色。
投在炉中的铁块
800K
1000K
1200K
1400K
热辐射：一切物体在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种辐射是由物体的原子、分子受激发产生的，与温度有关，故称为热辐射。
1.热辐射
一、黑体与黑体辐射
热辐射特征：热辐射强度按波长分布情况随温度变化而不同，温度升高，辐射电磁波中短波长成分更多；
注意： 激光 日光灯发光不是热辐射。
红外辐射
红外测温仪
利用红外成像探测铀矿
红外夜视仪
热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。
一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？
思考与讨论
发现室内墙是黑的，因为没有光
反射出来或反射出来的光比较弱
2.黑体：物体除会热辐射外，其表面还会吸收和反射外来的电磁波，如果某物体能够完全吸收入射各种波长的电磁波而不发生反射，这物体称为黑体
不透明的材料制成的带小孔的空腔
向远处观察打开的窗子
近似黑体
温馨提示
1、黑体并不一定是个黑色的物体，黑体是个理想化的模型，就象质点模型一样．
2、当黑体由于自身有很强的辐射时，看起来很明亮．比如，太阳为气体星球，可以认为射向太阳的电磁辐射很难被反射回来，所以认为太阳是个黑体（绝对黑体是不存在
黑体、黑洞和太阳黑子
①黑洞是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种超高密度天体，由于类似热力学上它是完全不反射光线的黑体，故名为黑洞．
太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，温度大约3000-4500摄氏度。因此其温度比太阳的表面温度要低1000到2000摄氏度，所以看上去像一些深暗色的斑点。
实验表明．对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外．还与材料的种类及表面状况有关．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．因而反映了某种具有普通意义的客观规律．于是，在研究热辐射的规律时．人们特别注意对黑体辐射的研究.
1700K
1500K
1300K
1100K
①温度升高，各种波长的辐射强度都增加；
②温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
黑体辐射的实验规律
辐射强度
0? ? ? ? 1? ? ? ? 2? ? ? ? 3? ? ? ? 4? ? ? ? 5? ? ? ? 6
波长（λ/um）
特别提醒
1．黑体的特点是吸收所有的入射电磁波不反射，但它可以辐射电磁波；而且它的辐射只与温度高低有关．
2．黑体辐射实验曲线的峰值随温度 “升高且左移” （即向短波移）
德国物理学家维恩根据经典热力学，在1896年提出了一个辐射强度随波长及温度变化的半经验公式，维恩公式：
维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。
实验值
维恩理论值
对黑体辐射实验规律的解释
T=1646K
λ
M0（λ、T）
根据经典热力学与电磁学，物理学家瑞利在1900年也提出了一个理论公式，后经金斯改进，合称瑞利-金斯公式：
紫外灾难
实验值
瑞利理论值
瑞利金斯公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区竟算得辐射强度为无穷大。
λ
M0（λ、T）
T=1646K
对黑体辐射实验规律的解释
对黑体辐射实验规律的解释
M?
?
瑞利 — 金斯 (1900年)
维恩
(1896年)
试验曲线
T=1646K
乌云来了
1900 年德国物理学家普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接起来，提出了一个新的公式：
为解释这一公式，普朗克“绝望地”，“不惜任何代价地”提出了能量量子化假设。
对黑体辐射实验规律的解释
理论值
实验值
M0（λ、T）
λ
微观世界的某些规律，在我们宏观世界看来可能非常奇怪。
三.能量子
对于频率为ν的电磁波ε=hν
辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε, 1 ε, 2 ε, 3 ε, ... n ε. n为正整数，称为量子数。
能量
量子
经典
三、能量子
普朗克常量h=6.626×10-34J·s
比喻：电磁波就好象是机关枪发射子弹，
子弹是一颗一颗向前运动的，
每一颗子弹就好象是一份电磁波。
能量子的理解
宏观世界中：
能量可以是任意值，可以连续变化。
例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。
微观世界中：
微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（能量量子化）
例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。
科学的历史不仅是一连串事实，规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。
——普朗克
科学的历史不仅是一连串事实，规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。
——普朗克
名言
名言
量子化假设的实验证实
（1）许多科学家（代表有德国维恩和英国瑞利、金斯）用宏观能量的观点推导的公式无法完整解释黑体辐射实验规律．
1918年，普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。
普朗克（德国）
（1858-1947）
1900年12月14日他在德国物理学会上，提出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。
普朗克的能量子观点不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。
例题
例1.
下列叙述中正确的是（ ）
A.一切物体都在辐射电磁波
B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
【解析】一般物体的热辐射与温度、材料、表面状况有关，黑体是为了忽略热辐射的次要因素而假想的一个模型，它的热辐射只与温度有关．
所以，ACD正确．
例2神光“Ⅱ”装置是我国规模最大，国际上为数不多的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2 400 J、波长λ为0.35 μm的紫外激光，已知普朗克常量h=6.63×10–34 J·s，则该紫外激光所含光子数为________个（取两位有效数字）。
解析：每个光子的能量E0=hν=h ， 故所含的光子数为n= =
= 个≈4.2×1021个
参考答案：4.2×1021
例3.光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400~700 nm。求400 nm、700 nm电磁辐射的能量子的值各是多少?
课堂小结
1、热辐射
固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。
任何物体任何温度均存在热辐射, 温度升高，发射的能量升高。激光、日光灯发光不是热辐射。
2、黑体：
能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体。
(1)黑体是个理想化的模型。
(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。
3、普朗克常数
对于频率为ν的能量子最小能量：
ε=hγ
h=6.626?10-34焦耳。——普朗克常数。
4、黑体辐射公式：
1900.10.19 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式