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第十七章 波粒二象性 第1節(jié) 能量量子化 1 了解熱輻射及其特性 2 了解黑體及黑體輻射的概念和特點 3 了解能量子的概念及其提出的科學(xué)過程 首先介紹能量量子化發(fā)現(xiàn)的背景 并利用鐵塊加熱的例子 讓學(xué)生觀察現(xiàn)象 引出新課熱輻射的概念和熱輻射的現(xiàn)象 然后讓學(xué)生閱讀教材 并引出黑體的概念 同時展示黑體模型 并引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材 黑體輻射的實驗規(guī)律 通過課件展示講解黑體輻射的實驗規(guī)律 又通過 紫外災(zāi)難 無法用已有理論解釋黑體輻射的規(guī)律 而引出能量子的概念 通過課件展示普朗克的能量子假說和黑體輻射公式 本節(jié)知識對學(xué)生來說 相關(guān)經(jīng)驗較少 理解起來有一定困難 比如黑體輻射規(guī)律 研究黑體和理想黑體模型作用 紫外災(zāi)難 量子化 和 連續(xù)性 等問題都是學(xué)生先前沒有接觸過的 因此在學(xué)生預(yù)習(xí)閱讀的基礎(chǔ)上以教師的生動講解為主 在講解過程中充分多媒體投影 以生活中的實物粒子展現(xiàn) 連續(xù)性 和 量子化 的概念 同時教師要放開 讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容 允許內(nèi)容的順序不同 從而構(gòu)建他們自己的知識框架 親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵 19世紀(jì)末 牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功 在機(jī)械運(yùn)動方面不用說 在分子物理方面 成功地解釋了溫度 壓強(qiáng) 氣體的內(nèi)能 在電磁學(xué)方面 建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程 另外還找到了力 電 光 聲 等都遵循的規(guī)律 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中 他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了 1900年 在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上 物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言 但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學(xué)家 就在上面提到的文章中他還講到 但是 在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處 還有兩朵令人不安的烏云 科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成 后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了 這兩朵烏云是指什么呢 后來的事實證明 正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴 烏云落地化為一埸春雨 澆灌著兩朵鮮花 黑體輻射實驗 邁克爾遜 莫雷實驗 普朗克量子力學(xué)的誕生 相對論問世 這兩朵烏云到底是什么回事呢 量子力學(xué) 相對論 微觀領(lǐng)域 高速領(lǐng)域 經(jīng)典力學(xué) 在火爐旁邊有什么感覺 投在爐中的鐵塊開始是什么顏色 過一會有是什么顏色 加熱鐵 1 概念 固體或液體 在任何溫度下都在輻射各種波長的電磁波 這種由于物體中的分子 原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射 所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān) 固體在溫度升高時顏色的變化 例如 鐵塊溫度 從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色 一 熱輻射現(xiàn)象 2 原因 大量帶電粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動引起的 物體中每個分子 原子或離子都在各自平衡位置附近以各種不同頻率做無規(guī)則的微振動 每個帶電微粒的振動都會產(chǎn)生變化的電磁場 從而向外輻射各種波長的電磁波 形成連續(xù)的電磁波譜 3 特點 輻射強(qiáng)度及波長的分布隨溫度變化 隨著溫度升高 電磁波的短波成分增加 注意 激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射 直覺 低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的是可見光 高溫物體發(fā)出的是紫外光 4 熱輻射的主要成分 室溫時 波長較長的電磁波 高溫時 波長較短的電磁波 5 熱平衡狀態(tài) 物體的溫度恒定時 物體所吸收的能量等于在同一時間內(nèi)輻射的能量 這時得到的輻射稱為平衡熱輻射 向外發(fā)射的電磁波能量 從外界吸收的能量 一座建設(shè)中的樓房還沒安裝窗子 盡管室內(nèi)已經(jīng)粉刷 如果從遠(yuǎn)處看窗內(nèi) 你會發(fā)現(xiàn)什么 為什么 向遠(yuǎn)處觀察打開的窗子近似黑色 物體表面能夠吸收和反射外界射來的電磁波 如果一個物體在任何溫度下 對任何波長的電磁波都完全吸收 而不反射與透射 則稱這種物體為絕對黑體 簡稱黑體 黑體模型 二 黑體與黑體輻射 1 黑體是個理想化的模型 例 開孔的空腔 遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體2 對于黑體 在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的 3 一般物體的輻射與溫度 材料 表面狀況有關(guān) 但黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 1 測量黑體輻射的實驗原理圖加熱空腔使其溫度升高 空腔就成了不同溫度下的黑體 從小孔向外的輻射就是黑體輻射 研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ) 三 黑體輻射的實驗規(guī)律 單位時間內(nèi)從物體單位面積上所發(fā)射的各種波長的總輻射能 稱為輻射強(qiáng)度 特點 隨溫度的升高 各種波長的輻射強(qiáng)度都在增加 絕對黑體的溫度升高時 輻射強(qiáng)度的最大值向短波方向移動 2 輻射強(qiáng)度 3 經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難解釋實驗曲線 一朵令人不安的烏云 1 維恩的半經(jīng)驗公式 短波符合 長波不符合2 瑞利 金斯公式 長波符合 短波荒唐 紫外災(zāi)難 普朗克能量子假說1 輻射物體中包含大量振動著的帶電微粒 它們的能量是某一最小能量的整數(shù)倍 E n n 1 2 2 叫能量子 簡稱量子 n為量子數(shù) 它只取正整數(shù) 能量量子化 3 諧振子只能一份一份按不連續(xù)方式輻射或吸收能量 4 對于頻率為 的諧振子 最小能量為 h h 6 626 10 34J s 普朗克常量 四 能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn) 黑體輻射公式1900年10月19日 普朗克在德國物理學(xué)會會議上提出一個黑體輻射公式 M Planck德國人1858 1947 五 普朗克能量子理論成功解釋黑體輻射 五 普朗克能量子理論成功解釋黑體輻射 普朗克 能量量子化 物理學(xué)的新紀(jì)元 牛頓以來物理學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一 跨出了真正說明物質(zhì)世界量子性的第一步 愛因斯坦 Planck拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化 物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點 提出了能量子 物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進(jìn)行的新觀點 這不僅成功地解決了熱輻射中的難題 而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面 標(biāo)志著人類對自然規(guī)律的認(rèn)識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域 為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ) 1918年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎 死后他的墓碑上只刻著他的姓名和h 6 626 10 34J s 既然燈向外輻射的光能是分立的 一份份的 為何我們看不到燈的亮度發(fā)生變化 1 在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運(yùn)動時我們可以認(rèn)為 物體的運(yùn)動是連續(xù)的 能量變化是連續(xù)的 不必考慮量子化 2 在研究微觀粒子時必需考慮能量量子化 1 熱輻射現(xiàn)象 2 黑體與黑體輻射黑體 吸收而不反射電磁波 3 黑體輻射的實驗規(guī)律溫度升高 輻射強(qiáng)度增加 強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動 4 能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn) 5 普朗克能量子理論成功解釋黑體輻射 h h 6 626 10 34J s 普朗克常量 1 下列敘述正確的是 A 一切物體都在輻射電磁波B 一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C 黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D 黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波 ACD 2 煉鋼工人通過觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色 就可以估計出爐內(nèi)的溫度 這是根據(jù)什么道理 根據(jù)熱輻射的規(guī)律可知 當(dāng)物體的溫度升高時 熱輻射中較短波長的成分越來越強(qiáng) 可見光所占份額增大 溫度越高紅光成分減少 頻率比紅光大的其他顏色的光 為橙 黃 綠 藍(lán) 紫等光的成分就增多 因此可根據(jù)爐內(nèi)光的顏色大致估計爐內(nèi)的溫度 3 對應(yīng)于3 4 l0 19J的能量子 其電磁輻射的頻率和波長各是多少 它是什么顏色 解 根據(jù)公式 h 和 c 得 h 5 13 1014Hz c 5 85 10 7m5 13 10 14Hz的頻率屬于黃光的頻率范圍 它是黃光 其波長為5 85 l0 7m