《高中物理 17.1《能量量子化》课件 新人教版选修3-5.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 17.1《能量量子化》课件 新人教版选修3-5.ppt（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十七章：波粒二象性 第 1 节：能量量子化1. 了解热辐射及其特性。了解热辐射及其特性。2. 了解黑体及黑体辐射的概念和特点。了解黑体及黑体辐射的概念和特点。3. 了解能量子的概念及其提出的科学过程。了解能量子的概念及其提出的科学过程。 首首先先介介绍绍能能量量量量子子化化发发现现的的背背景景，并并利利用用铁铁块块加加热热的的例例子子，让让学学生生观观察察现现象象，引引出出新新课课热热辐辐射射的的概概念念和和热热辐辐射射的的现现象象，然然后后让让学学生生阅阅读读教教材材，并并引引出出黑黑体体的的概概念念，同同时时展展示示黑黑体体模模型型，并并引引导导学学生生阅阅读读教教材材“黑黑体体辐辐射射
2、的的实实验验规规律律”，通通过过课课件件展展示示讲讲解解黑黑体体辐辐射射的的实实验验规规律律。又又通通过过“紫紫外外灾灾难难”无无法法用用已已有有理理论论解解释释黑黑体体辐辐射射的的规规律律，而而引引出出能能量量子子的的概概念念，通通过课件展示普朗克的能量子假说和黑体辐射公式。过课件展示普朗克的能量子假说和黑体辐射公式。 本本节节知知识识对对学学生生来来说说，相相关关经经验验较较少少，理理解解起起来来有有一一定定困困难难。比比如如黑黑体体辐辐射射规规律律、研研究究黑黑体体和和理理想想黑黑体体模模型型作作用用、“紫紫外外灾灾难难”、“量量子子化化”和和“连连续续性性”等等问问题题都都是是学学生生
3、先先前前没没有有接接触触过过的的。因因此此在在学学生生预预习习阅阅读读的的基基础础上上以以教教师师的的生生动动讲讲解解为为主主，在在讲讲解解过过程程中中充充分分多多媒媒体体投投影影，以以生生活活中中的的实实物物粒粒子子展展现现“连连续续性性”和和“量量子子化化”的的概概念念，同同时时教教师师要要放放开开，让让学学生生自自己己总总结结所所学学内内容容，允允许许内内容容的的顺顺序序不不同同，从从而而构构建建他他们们自自己己的的知知识识框架，亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键。框架，亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键。 19 世世纪纪末末，牛牛顿顿定定律律在在各各个个领领域域
4、里里都都取取得得了了很很大大的的成成功功：在在机机械械运运动动方方面面不不用用说说，在在分分子子物物理理方方面面，成成功功地地解解释了温度、压强、气体的内能。释了温度、压强、气体的内能。 在在电电磁磁学学方方面面，建建立立了了一一个个能能推推断断一一切切电电磁磁现现象象的的MaxwellMaxwell方程方程方程方程。 另另外外还还找找到到了了力力、电电、光光、声声 等等都都遵遵循循的的规规律律 能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律。 当当时时许许多多物物理理学学家家都都沉沉醉醉于于这这些些成成绩绩和和胜胜利利之之中中。他他们认为物理学已经发展到头了。们认为
5、物理学已经发展到头了。 1900 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文开尔文勋爵作了展望新世纪的发言勋爵作了展望新世纪的发言: : 但开尔文毕竟是一位重视现实和有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眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：他还讲到： “ “ “ “但是，在物理学但是，在物理学但是，在物理学但是，在物理学晴朗天空的远处，还晴朗天空的远处，还晴朗天空的远处，还晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌有两朵令人不安的乌有两朵令人不安的乌有两朵令人不安的乌云，云，云，云，”科学的大厦已经基本完成，
6、后辈的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物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了作就行了 这两朵乌云是指什么呢这两朵乌云是指什么呢？ 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊- - - -莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验普朗克量子力学的诞生普朗克量子力学的诞生普朗克量子力学的诞生相对论问世相对论问世相对论问世这两朵乌云到底是什么回事呢？这两朵乌云到
7、底是什么回事呢？这两朵乌云到底是什么回事呢？这两朵乌云到底是什么回事呢？ 量量量 子子子 力力力 学学学相相相 对对对 论论论微微微 观观观 领领领 域域域高高高 速速速 领领领 域域域经经经 典典典力力力 学学学在火炉旁边有什么感觉？在火炉旁边有什么感觉？投在炉中的铁块开始是什么颜色？过一会有是什么颜色？投在炉中的铁块开始是什么颜色？过一会有是什么颜色？加热铁加热铁加热铁加热铁1. 概念：概念：固体或液体，在任何温度下都在辐射各种波长的电固体或液体，在任何温度下都在辐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
8、为的现象称为热辐射热辐射。所辐射电磁波的特征与。所辐射电磁波的特征与温度温度有关。有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400 1400 KK800 800 KK1000 1000 KK1200 1200 KK 例如：铁块例如：铁块 温度温度 从看不出发光到从看不出发光到暗红暗红到到橙色橙色到到黄白色黄白色。一、热辐射现象一、热辐射现象 2. 原因：原因：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中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每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近
9、以各种不同频率做无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产同频率做无规则的微振动，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。成连续的电磁波谱。3. 特点：特点：辐射强度及波长的分布随温度变化；随着温度升辐射强度及波长的分布随温度变化；随着温度升高，电磁波的短波成分增加。高，电磁波的短波成分增加。注意注意： 激光、日光灯发光不是热辐射。激光、日光灯发光不是热辐射。直觉直觉: 低温低温物体发出的是物体发出的是红外光红外光； 炽热炽热物体发出的是物体发出的是可见光可见光； 高温高温物体发出的是物体发出的是紫
10、外光紫外光。4. 热辐射的主要成分：热辐射的主要成分：室温时，波长较长的电磁波；高室温时，波长较长的电磁波；高温时，波长较短的电磁波。温时，波长较短的电磁波。5. 热平衡状态：热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。衡热辐射。向外发射的电磁波能量向外发射的电磁波能量 = 从外界吸收的能量从外界吸收的能量 一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管
11、室内一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？为什么？为什么？为什么？为什么？为什么？为什么？向远处观察打开的窗子近似黑色向远处观察打开的窗子近似黑色物体表面能够吸收和反射外界射来的电磁波。物体表面能够吸收和反射外界射来的电磁波。如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完如果一个物体在任何温度下，对任何波长
12、的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑体黑体。黑体模型黑体模型不透明材料不透明材料不透明材料不透明材料制成的带小孔的空腔制成的带小孔的空腔制成的带小孔的空腔制成的带小孔的空腔空腔上的小孔空腔上的小孔空腔上的小孔空腔上的小孔二、黑体与黑体辐射二、黑体与黑体辐射1. 黑体是个理想化的模型。黑体是个理想化的模型。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体 2. 对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。3. 一般物体的辐射与温度、材料、表
13、面状况有关，但黑体一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但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。辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。1. 测量黑体辐射的实验原理图 加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础 三、黑体辐射的实验规律三、黑体辐射的实验规律平行光管平行光管平行光管平行光管三棱镜三棱镜三棱镜三棱镜T TT T空空空空 腔腔腔腔 单位时间内从物体
14、单位面积上所发射的各种波长的总单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。辐射能，称为辐射强度。特点：随温度的升高特点：随温度的升高特点：随温度的升高特点：随温度的升高各种波长的辐射强度都在各种波长的辐射强度都在各种波长的辐射强度都在各种波长的辐射强度都在增加；增加；增加；增加； 绝对黑体的温度升高时，绝对黑体的温度升高时，绝对黑体的温度升高时，绝对黑体的温度升高时，辐射强度的最大值向短辐射强度的最大值向短辐射强度的最大值向短辐射强度的最大值向短波方向移动。波方向移动。波方向移动。波方向移动。2. 辐射强度3. 3. 经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难 解释实
15、验曲线解释实验曲线 一朵令人不安的乌云一朵令人不安的乌云1) 1) 维恩的半经验公式：维恩的半经验公式：维恩的半经验公式：维恩的半经验公式：短波符合，长波不符合短波符合，长波不符合短波符合，长波不符合短波符合，长波不符合2) 2) 瑞利瑞利瑞利瑞利 金斯公式：金斯公式：金斯公式：金斯公式：长波符合，短波荒唐长波符合，短波荒唐长波符合，短波荒唐长波符合，短波荒唐 紫外灾难紫外灾难紫外灾难紫外灾难维恩线维恩线紫紫 外外 灾灾 难难 0 0实验值实验值/m/m1 12 23 34 45 56 67 78 8瑞瑞利利 金金斯斯线线 普朗克能量子假说普朗克能量子假说1. 辐射物体中包含大量振动着的带电辐
16、射物体中包含大量振动着的带电 微粒，它们的能量是某一最小能量微粒，它们的能量是某一最小能量 的整数倍：的整数倍：E = nE = n n n = 1= 1，2 2，2. 叫能量子叫能量子，简称量子，简称量子，n 为量子数为量子数，它只取正整数，它只取正整数 能能 量量子化；量量子化； 3. 谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量；谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量；4. 对于对于频率为频率为 的谐振子，最小能量为：的谐振子，最小能量为： = = h h h = 6.626 10 34 Js 普朗克常量 能能能能量量量量量子量子量子量子经典经典经典经典四、能量子：超越牛顿的发现四
17、、能量子：超越牛顿的发现黑体辐射公式黑体辐射公式 1900 年年 10 月月19 日，普朗克在日，普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式辐射公式M.Planck M.Planck 德国人德国人 1858185819471947五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射h = 6.626 10 34 Js 维恩线维恩线紫紫 外外 灾灾 难难 0 0实验值实验值/m/m1 12 23 34 45 56 67 78 8瑞瑞利利 金金斯斯线线 普朗克普朗克普朗克普朗克h = 6.626 10 34 Js 五、普朗克能量子理论成功解释黑
18、体辐射五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射普普普普朗朗朗朗克克克克能量量子化能量量子化 物理学的新纪元物理学的新纪元牛顿以来物理学最伟牛顿以来物理学最伟牛顿以来物理学最伟牛顿以来物理学最伟大的发现之一大的发现之一大的发现之一大的发现之一跨出了真正说明物质跨出了真正说明物质跨出了真正说明物质跨出了真正说明物质世界量子性的第一步世界量子性的第一步世界量子性的第一步世界量子性的第一步爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦 Planck 抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、
19、物能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新的新观点。观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理这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。领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。1918年年他荣获诺贝尔物理学奖。他荣获诺贝尔物理学奖。死后他的墓碑上只刻着他的姓名和死后他的墓碑上只刻着他的姓名和死后他的墓碑上只刻着他的姓名和死后他的墓碑上只刻着他的姓名和 h h
20、 = = 6.6266.626 10 10 34 34 Js Js 既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份的。的。 为何我们看不到灯的亮度发生变化？为何我们看不到灯的亮度发生变化？1. 在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化。运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化。2. 在研究微观粒子时必需考虑能量量子化。在研究微观粒子时必需考虑能量量子化。1. 热辐射现象热辐射现象 2. 黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射 黑体：吸收而不反射电磁波黑体：吸收而不反射电磁
21、波3. 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 温度升高，辐射强度增加，强度的极大值向波长较短温度升高，辐射强度增加，强度的极大值向波长较短 的方向移动的方向移动4. 能量子：超越牛顿的发现能量子：超越牛顿的发现5. 普朗克能量子理论成功解释黑体辐射普朗克能量子理论成功解释黑体辐射 = =h h h h= =6.6266.626 1010-34-34Js Js 普朗克常量普朗克常量普朗克常量普朗克常量1. 下列叙述正确的是下列叙述正确的是 ( )A. 一切物体都在辐射电磁波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
22、度按波长的分布只与黑体温黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温 度有关度有关D. 黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波ACD2. 炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理内的温度，这是根据什么道理? 根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，温射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，温度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度。光的颜色大致估计炉内的温度。3. 对应于对应于3.4l0 19 J 的能量子，其电磁辐射的频率和波的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？它是什么颜色？长各是多少？它是什么颜色？解：根据公式解：根据公式 = h 和和 = c/ 得得 = /h = 5.131014 Hz = c/ = 5.8510 7 m5.1310 14 Hz 的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，其波长为其波长为 5.85l07 m。
