17.1《能量量子化》教学设计

《能量量子化》教学设计
教学设计思路
本节课的设计是顺应能量量子化观点提出的这段历史展开的。通过演示实验、师生活动及问题串等多种形式引导学生去主动建构知识。先通过演示实验灯丝颜色的变化引出热辐射及对热辐射规律的研究；再通过与日常看到的颜色的对比得出黑体模型；再通过对黑体辐射的实验规律及理论推导的讨论引导学生得出经典物理学观念的局限性，进而引出要打破旧观念，提出新观念，即普朗克能量子假说；再通过师生活动“买米”，帮助学生理解宏观能量的连续和微观能量的量子化；最后通过与元电荷概念的类比，学生进一步加深对能量量子化的理解，把整节课推向高潮。
前期分析
本节课是第十七章波粒二象性的第一节，通过这一节内容的学习，学生可以了解能量量子化观点建立的历史，知道微观粒子的能量是分立的。并且，正是普朗克提出了能量子假说，才启发了爱因斯坦对光电效应的解释，进而促使康普顿提出光子还具有动量及德布罗意提出物质波。可以说，普朗克提出了能量量子化观点，为量子理论的建立打响了第一炮。所以这一节的学习为本章甚至原子物理的学习奠定了基础。同时，本节课的学习启发了学生研究科学问题的思维：先提出问题，再实验探究，再理论证明和修正方法再证明，最后提出新观念。
本节课的授课对象是我校高二选修物理的学生，他们已经完成了选考所有内容的学习。对他们而言，重新学习本节课的困难有以下几点：
1、对能量量子化观点建立的历史不清楚；
2、对宏观物体能量的连续性与微观粒子能量的分立理解不到位，似懂非懂；
3、对能量量子化这个观点建立的意义不知道；
4、研究科学问题的思维没有建立起来。
结合以上分析，确定本节课的重难点如下：
1、重点：
通过物理史实的学习，建立能量量子化的观点；
通过师生活动、类比等的手段，理解宏观能量的连续性与微观能量的分立。
2、难点
理解微观粒子的能量是量子化的。
教学目标
1.知识与技能
（1）通过对黑体辐射实验规律及理论推导的讨论，说明经典理论存在局限性。
（2）通过对能量量子化观点建立的历史的解读，知道微观粒子的能量是不连续的。
（3）通过对普朗克真实的心理历程的描述，知道能量量子化是研究微观世界的基本观点。
（3）通过师生活动，解释宏观能量的连续性与微观能量的分立。
应用ε和公式进行计算。
2.过程与方法
经历黑体模型的建立过程，感受理想化模型的思想方法的运用。
参与师生活动，体会类比的思想方法的运用。
经历能量量子化观点的建立过程，体会科学研究的一般思路。
3.情感态度与价值观
（1）通过对普朗克真实的心路历程的描述，确立科学的新发现既要基于对实验事实的尊重，又取决于新观点、新概念的提出
（2）比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点，领会量子论的建立深化了人们对物质世界的认识。
四、教学准备
100W白炽灯一个、调压变压器一个、小米若干、PPT、导线若干
五、教学过程
1、新课导入
演示实验：增大灯泡两端电压后白炽灯灯丝颜色的变化
在引入新课环节通过演示实验能够引起学生注意，激发学生学习兴趣，提出课题。通过对白炽灯灯丝颜色的观察得出热辐射的定义及热辐射的规律。同时回顾了19世纪人们对热辐射研究的历史：早在19世纪，欧洲的冶金等重工业迅速发展，人们想要炼出高质量的钢材，必须要知道钢水的温度，那时的人们就已经知道，明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高，在冶炼金属中，人们往往根据经验去判断火候。
2、黑体与黑体辐射
（1）提出问题：如果我们想要研究热辐射强度与温度、波长的具体关系，应该怎么做？
定性研究不够准确，自然过渡到对热辐射强度与温度、波长的定量关系的研究，从而提出选择怎样的物体作为研究对象。
（2）提出问题：同学们看到老师的衣服是红色的，同学的衣服是蓝色的，那边的黑板是白色的，按照热辐射的规律，白色的黑板温度最高吗？红色的衣服温度最低吗？
通过与日常看到的颜色的对比，学生马上明白在选择研究对象时应该要排除反射电磁波的干扰，引出黑体概念。这个对比贴近生活实际，学生得出黑体概念水到聚成。
（3）提出问题：黑板是黑体吗？
通过对黑板是不是黑体的讨论，学生意识到黑体在实际生活中并不存在，是一种理想化模型，并通过与质点等理想化模型的类比，确定在实验时应该选择吸收电磁波的能力远远大于反射电磁波的能力的物体作为黑体，进而介绍19世纪人们选择涂黑的铂片作为黑体过渡到带小孔的空腔作为黑体这段历史。
（4）讨论黑体辐射实验规律及维恩和瑞利的理论解释。
展示黑体辐射的实验结果及维恩线和瑞利线。
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学生通过看图总结出黑体辐射的实验规律、维恩和瑞利的理论解释的正确性与不足之处。
从探究性实验的一般步骤入手，采用问题串的形式来分解黑体辐射及其实验规律这部分的知识要点，生活中的实例帮助学生更好理解黑体模型，过渡自然。
3、能量子
（1）提出问题：维恩和瑞利利用已有的电磁学理论和热力学理论去证明，都失败了，这时候应该怎么办？
学生讨论得出：当我们用已有的观念去证明某个问题时，遇到了困难，于是在原有基础上去修正，但如果还是不行，我们需要去打破原有观念。提出新的观念。由于前面对黑体辐射的规律及维恩和瑞利的理论解释的讨论比较具体，学生较容易得出经典理论存在局限性，要提出新观念。
进而提出普朗克的研究：维恩分布定律没有得到实验的完全支持，另外一位物理学家普朗克试图重新研究维恩分布定律，此时，他得知了瑞利的研究在长波区域的正确性，这一情况立即引起了普朗克的重视，于是，他试图找到一个公式，把代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的瑞利公式综合在一起，很快就得到了一个公式，做出图线如图所示：
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发现：与实验结果基本完全吻合。
（2）认识能量子假说。
教师投影能量子假说及公式：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……当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。
公式： ，
（3）认识普朗克的心理历程并讨论
教师投影普朗克的心理历程：普朗克并没有高兴几天，在当时，人们根深蒂固的观念是自然界不做跳跃。普朗克及与他同时代的其他人并没有真正认识到能量量子化的真正意义。虽然他对这个事实深信不疑，但他对于一个违背自己固有信仰的概念总是心有不甘，认为自己提出的能量子概念在理论上应该是“有懈可击”的，为了维护经典理论，他在接下来的十几年时间内试图在纯粹经典物理学的基础上解释黑体辐射。但始终没有成功。与此同时，当时穷困潦倒的爱因斯坦马上接受了普朗克的观点，并将他的观点发展到电磁辐射本身就是不连续的。于1905年解释了光电效应，获得诺贝尔奖。最终，普朗克他不得不承认，自己最初的观点是正确的，在1918年，普朗克因发现了能量子而被授予诺贝尔奖。
学生总结得出：要形成一个新的观念需要非常漫长而曲折的过程，科学的发现既要基于对事实的尊重，又要敢于提出新观点。能量量子化是研究微观世界的基本观点。
（4）师生活动：买米
通过学生活动，把整节课推向了高潮。从实际生活中的例子出发，很容易启发学生的思维，引起学生的思考。学生在教师引导下得出：米的质量看似可以连续变化，但实际上它是分立变化的，它有最小的米粒。通过对比，学生很容易就能理解宏观能量的连续与微观粒子能量的分立 ： ，能量子的数值太小，虽然能量是跳跃式增加的，但宏观看起来，连续的，不需要考虑分立性。
（5）类比：带电体的带电量与元电荷
类比带电体的带电量和元电荷关系，学生进一步理解微观能量量子化与宏观能量连续性。
（6）课内练习
练习：光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400~760nm，对应的电磁辐射的能量子ε的值是多少？
由公式ε和可得：
当波长为400nm时，ε；
当波长为760nm时，ε；
所以，对应的电磁辐射的能量子≤ε≤
通过课内练习，学生会用ε和公式进行计算。
4、小结
这节课到此为止，本节课我们主要是顺着历史的发展，回顾了能量量子化观点建立的历史，从最初的热辐射的研究，到黑体辐射的研究，再到能量子假说的提出，揭示了经典理论的局限性，提出了新的观念，导致了量子论的诞生。
5、板书
热辐射
黑体辐射
模型
实验规律
维恩：短波符合
瑞利：长波符合
失败
成功
普朗克能量子假说
内容
公式：ε，
理解