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能量量子化
人教版高中物理 必修3
新知导入
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文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。但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云……”
一朵与黑体辐射有关
另一朵与迈克尔逊实验有关
新知导入
事隔不到一年，到1900年底，就从第一朵乌云中降生了量子论，到1905年，从第二朵乌云中降生了相对论。
经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。我们这节课就来学习―能量量子化。
新知讲解
一、热辐射
1. 热辐射现象
思考讨论: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？
新知讲解
刚开始时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越强引起人的视觉。所以铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。
铁块从发热到发光的颜色变化
新知讲解
（1）定义：我们周围的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。
（2）热辐射的特点：所辐射电磁波的特征与温度有关。
室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。
大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。
新知讲解
（3）无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强，在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。
除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。
新知讲解
（2）黑体辐射的特点：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。
（1）定义：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。
黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波。
2.黑体
（3）黑体辐射的实验规律
新知讲解
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。
0 1 2 3 4 5 6
（μ m）
λ
1700K
1300K
1100K
辐射强度
一般物体的热辐射除了与物体的温度有关外，还与材料的种类、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；而且黑体材料在加热到同样温度时，发出的热辐射比其他物体强，因此黑体是用来建立热辐射定律的理想辐射体。为了理论研究的需要，基尔霍夫提出了绝对黑体的理想模型，从而促进了黑体辐射研究。在生活中烟煤是很接近理想黑体的材料。
新知讲解
新知讲解
注意：黑体是个理想化的模型，黑体看上去不一定是黑色的；
对象 热辐射特点 吸收、反射的特点
一般物体 辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、表面状况有关 既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波的波长等因素有关
黑体
辐射电磁波的强弱按波长的分布只与黑体的温度有关 完全吸收各种入射电磁波，不反射
新知讲解
二、能量子
参考答案：比如一个箱子装满了苹果，如果我们用苹果的密度乘以箱子的体积（用连续性的观点处理），其重量会大于实际重量，我们只有把苹果想成量子化的，才能与实际吻合。人就是量子化的，不能说某个家庭有2.2个小孩，因为一个小孩就是一个基本单位。
思考讨论：阅读课文说一说你们心中的连续性和量子化有什么区别？
在研究黑体辐射规律时，人们发现用经典的电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重的困难。为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试，进行了激烈的思想斗争。最后他不得不承认：微观世界的某些规律在我们宏观世界看来可能非常奇怪。
新知讲解
新知讲解
1.普朗克能量子假说
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。
2.能量子公式
ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s.(一般取h＝6.63×10－34 J·s)
新知讲解
3.能量的量子化
在微观世界中能量是量子化的，或者说是微观粒子的能量是分立的，这种现象叫能量的量子化。
4. 普朗克假设的意义
①借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好。
②能量子的观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。
新知讲解
一个宏观的单摆，小球在摆动的过程中，受到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续的。
普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续（分立）的，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。
新知讲解
5.爱因斯坦光子说
他把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说光不是连续的而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比。
频率为ν的光的能量子为：E= hν，h 为普朗克常量。
新知讲解
三、能级
1.原子在不同的状态中具有不同的能量，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。
基态（第一能级）
量子化
激
发
态
能量最低的状态(离核最近)叫基态，其他的能量状态叫激发态。
新知讲解
2.原子分立谱线
（1）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。如图：hν= E4 – E1 。
（2）当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。
如图：hν= E2 – E5 。
新知讲解
3.原子的发射光谱
思考讨论：为什么原子的发射光谱只有一些分立的亮线？
氦原子光谱
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
新知讲解
19 世纪末和 20 世纪初，物理学研究深入到微观世界，20 世纪 20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用都离不开量子力学。是量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到丰富多彩的现代生活。
新知讲解
科学漫步 “聆听”宇宙
1.阅读科学漫步 “聆听”宇宙，了解我国于 2016 年 9 月 25 日在贵州落成启用被誉为“中国天眼” 的世界最大的 500 m 口径球面射电望远镜（简称 FAST）。
南仁东
2. FAST工程是我国科学工作者奋发图强、立志创新的具体实践，其中被人们誉为“天眼之父”的南仁东则是这个群体的杰出代表。
课堂练习
1._________提出量子假说，认为物质辐射或吸收能量是一份一份不连续的，每一份能量ε=______；_____________在量子假说的基础上提出光子说。
2.能量的量子化在微观世界中微观粒子的能量是_________的，或者说微观粒子的能量是_________的。这种现象叫能量的量子化。
普朗克
hν
爱因斯坦
量子化
分立
课堂练习
3.能量子大小ε=hν，其中ν是电滋波的频率，h称为——————常量。一般取h= —————————J?s。
4.普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的——————。即：能的辐射或者吸收只能是——————的。这个不可再分的最小能量值ε叫做——————。
6.63×10-34
普朗克
整数倍
一份一份
能量子
1. 下列叙述正确的是( )
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
ACD
拓展提高
2．下列说法正确的是（ ）
A．微观粒子的能量变化是跳跃式的
B．能量子与电磁波的频率成正比
C．红光的能量子比绿光大
D．电磁波波长越长，其能量子越大
AB
拓展提高
拓展提高
3.黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知（ ）
A．随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加
B．随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加
D．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
AC
C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
课堂总结
1.热辐射：我们周围的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。所辐射电磁波的特征与温度有关。
2.黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。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。
3.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，这个不可再分的最小能量值 ε叫作能量子。
课堂总结
4.能量子公式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，
h＝6.626×10－34 J?s.(一般取h＝6.63×10－34 J?s)
5.原子在不同的状态中具有不同的能量，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。
6.原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
板书设计
一、热辐射
1.热辐射：我们周围的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。所辐射电磁波的特征与温度有关。
2.黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。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。
二、能量子
1.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，这个不可再分的最小能量值 ε叫作能量子。
板书设计
2.能量子公式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J?s.(一般取h＝6.63×10－34 J?s)
3.能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说是微观粒子的能量是分立的，这种现象叫能量的量子化。
三、能级
1.原子在不同的状态中具有不同的能量，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。
2.原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
作业布置
课后练习和同步练习
谢谢
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人教版高中物理必修3教学设计
课题 能量量子化 单元 13 学科 物理 年级 高二
教材 分析 本节课所采用的教材是人教版高中物理必修3第13章第5节的内容, 本节主要是由热辐射、能量子、能级三部分组成的，重点难点是如何让学生理解能量量子化假说。教材简单叙述了在研究不同温度下黑体辐射强度与波长关系时．经典理论结果与实验事实之间产生的了矛盾，为了解决此矛盾，德国物理学家普朗克认为黑体辐射的能量是不连续的，是能量子的整数倍关系，提出了能量量子化的观点。本节的知识对学生来说相关的经验较少，理解起来有一定困难。所以一般采用在学生预习的基础上以教师的生动讲解为主，在讲解过程中作好知识铺垫。
教学目标与核心素养 一、教学目标1.了解黑体辐射，感悟以实验为基础的科学探究方法。2.了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想。3.了解能量子的概念了解微观世界中的量子化现象 4.了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射二、核心素养物理观念：体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。科学思维：了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想。科学探究：通过了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。科学态度与责任：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。
重点 能量子的概念
难点 理解能量量子化假说
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文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。但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云……” 一朵与黑体辐射有关;另一朵与迈克尔逊实验有关 事隔不到一年，到1900年底，就从第一朵乌云中降生了量子论，到1905年，从第二朵乌云中降生了相对论。 经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。我们这节课就来学习―能量量子化。 学生倾听老师叙述 引起学生学习的兴趣，引出本节课题能量量子化
讲授新课 一、热辐射 1. 热辐射现象 思考讨论: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？ 出示图片：铁块投进火炉 参考答案：刚开始时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越强引起人的视觉。所以铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。 出示图片：铁块从发热到发光的颜色变化 （1）定义：我们周围的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。 （2）热辐射的特点：所辐射电磁波的特征与温度有关。 室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。 大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。 （3）无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强，在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。 除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。 2.黑体（1）定义：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。 黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波。 黑体辐射的特点：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。（3）黑体辐射的实验规律随着温度的升高，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。一般物体的热辐射除了与物体的温度有关外，还与材料的种类、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；而且黑体材料在加热到同样温度时，发出的热辐射比其他物体强，因此黑体是用来建立热辐射定律的理想辐射体。为了理论研究的需要，基尔霍夫提出了绝对黑体的理想模型，从而促进了黑体辐射研究。在生活中烟煤是很接近理想黑体的材料。对象 热辐射特点 吸收、反射的特点 一般物体 辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、表面状况有关 既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波的波长等因素有关 黑体 辐射电磁波的强弱按波长的分布只与黑体的温度有关 完全吸收各种入射电磁波，不反射 注意：黑体是个理想化的模型，黑体看上去不一定是黑色的；二、能量子思考讨论：阅读课文说一说你们心中的连续性和量子化有什么区别？参考答案:比如一个箱子装满了苹果，如果我们用苹果的密度乘以箱子的体积（用连续性的观点处理），其重量会大于实际重量，我们只有把苹果想成量子化的，才能与实际吻合。人就是量子化的，不能说某个家庭有2.2个小孩，因为一个小孩就是一个基本单位。在研究黑体辐射规律时，人们发现用经典的电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重的困难。为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试，进行了激烈的思想斗争。最后他不得不承认：微观世界的某些规律在我们宏观世界看来可能非常奇怪。 1.普朗克能量子假说 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。 2.能量子公式 ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s.(一般取h＝6.63×10－34 J·s) 3.能量的量子化 在微观世界中能量是量子化的，或者说是微观粒子的能量是分立的，这种现象叫能量的量子化。 4. 普朗克假设的意义 ①借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好。 ②能量子的观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。 一个宏观的单摆，小球在摆动的过程中，受到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续的。 出示动图：单摆 普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续（分立）的，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。 5.爱因斯坦光子说 他把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说光不是连续的而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比。 频率为ν的光的能量子为：E= hν，h 为普朗克常量。 三、能级 1.原子在不同的状态中具有不同的能量，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。 能量最低的状态(离核最近)叫基态，其他的能量状态叫激发态。 2.原子分立谱线 （1）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。如图：hν= E4 – E1 。 （2）当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。如图：hν= E2 – E5 。 3.原子的发射光谱 思考讨论：为什么原子的发射光谱只有一些分立的亮线？ 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 出示图片：氦原子光谱 19 世纪末和 20 世纪初，物理学研究深入到微观世界，20 世纪 20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用都离不开量子力学。是量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到丰富多彩的现代生活。 科学漫步 “聆听”宇宙 1.阅读科学漫步 “聆听”宇宙，了解我国于 2016 年 9 月 25 日在贵州落成启用被誉为“中国天眼” 的世界最大的 500 m 口径球面射电望远镜（简称 FAST）。 2. FAST工程是我国科学工作者奋发图强、立志创新的具体实践，其中被人们誉为“天眼之父”的南仁东则是这个群体的杰出代表。 出示图片：南仁东课堂练习1._________提出量子假说，认为物质辐射或吸收能量是一份一份不连续的，每一份能量ε=______；_____________在量子假说的基础上提出光子说。答案：普朗克；hν；爱因斯坦2.能量的量子化在微观世界中微观粒子的能量是_________的，或者说微观粒子的能量是_________的。这种现象叫能量的量子化。答案：量子化；分立3.能量子大小ε=hν，其中ν是电滋波的频率，h称为——————常量。一般取h= —————————J?s。答案：普朗克； 6.63×10-344.普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的——————。即：能的辐射或者吸收只能是——————的。这个不可再分的最小能量值ε叫做——————。答案：整数倍；一份一份；能量子拓展提高1. 下列叙述正确的是( ) 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答案： ACD2.下列说法正确的是（ ） A．微观粒子的能量变化是跳跃式的 B．能量子与电磁波的频率成正比 C．红光的能量子比绿光大 D．电磁波波长越长，其能量子越大答案： AB3.黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知（ ）A．随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加 B．随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加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．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动答案： AC 学生思考讨论 阅读课文了解热辐射的概念以及其特点 观察图片了解黑体辐射的实验规律 观察表格了解一般物体的热辐射和黑体辐射的特点 学生思考讨论回答 阅读课文说出普朗克能量子假说以及能量子公式 阅读课文说出爱因斯坦光子说 观看图片理解能级的概念 学生思考讨论回答 学生阅读课文科学漫步 “聆听”宇宙 学生练习 初步认识温度与电磁波波长的关系 理解辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同 锻炼学生的观察总结能力 进一步了解黑体辐射特点 通过讨论回答了解连续性和量子化的区别 锻炼学生的理解能力和自主学习能力 初步了解爱因斯坦光子说，锻炼学生的总结能力和自主学习能力 进一步理解能级的概念 锻炼学生的语言表达能力以及合作交流能力 拓展学生的知识面 巩固本节的知识
课堂小结 1.热辐射：我们周围的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。所辐射电磁波的特征与温度有关。 2.黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。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。 3.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，这个不可再分的最小能量值 ε叫作能量子。4.能量子公式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量， h＝6.626×10－34 J?s.(一般取h＝6.63×10－34 J?s) 5.原子在不同的状态中具有不同的能量，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。 6.原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 梳理自己本节所学知识进行交流 根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
板书 一、热辐射 1.热辐射：我们周围的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。所辐射电磁波的特征与温度有关。 2.黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就叫作黑体。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。 二、能量子 1.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，这个不可再分的最小能量值 ε叫作能量子。 2.能量子公式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J?s.(一般取h＝6.63×10－34 J?s) 3.能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说是微观粒子的能量是分立的，这种现象叫能量的量子化。 三、能级 1.原子在不同的状态中具有不同的能量，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。 2.原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
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