17.1物理学的新纪元：能量量子化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,导入新课,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,物理学的发展历史,19,世纪末页，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。,爱因斯坦,伽利略,著名物理学家,爱迪生,牛顿,楞次,麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是,19,世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。,麦克斯韦,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。”,开尔文,说明：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！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，,-”,这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。,然而， 事隔不到一年（,1900,年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（,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。正可谓,“,山重水复疑无路， 柳暗花明又一村,”,。,1,、在火炉旁边有什么感觉？,2,、投在火炉中的铁块刚开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色。,问题,第一节物理学的新纪元：能量量子化,第十七章波粒二象性,教学目标,1,、知识与技能,了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射,了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系,了解能量子的概念,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。,体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。,2,、过程与方法,3,、情感态度与价值观,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。,教学重难点,重点,能量子的概念,难点,黑体辐射的实验规律,本节知识线索,冶金工业的发展及对恒星研究的需要促进了对黑体辐射问题的研究,经典理论对黑体辐射实验规律的研究,难以解决的矛盾（维斯公式、瑞利公式）,普朗克能量子假设,数学推理（黑体辐射的强度按波长分布的公式）,与实验事实的对照,本节导航,一,.,黑体与黑体辐射,二,.,黑体辐射的实验规律,三,.,能量子、超越牛顿的发现,一、黑体与黑体辐射,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,。（,1,）、所辐射电磁波的特征与温度有关。,固体在温度升高时颜色的变化,800,k,1200,k,1200,k,1400,k,例如：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。,这种与温度有关的辐射 称为热辐射。,（,2,）、热辐射,-,热能转化为电磁能的过程。,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。,直觉,:,低温物体发出的是红外光,炽热物体发出的是可见光,高温物体发出的是紫外光,注意,： 激光 日光灯发光不是热辐射。,（,3,）、无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的能量及其按波长的分布都随温度而变化。,（,4,）、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。,思考与讨论,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？,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。,对于一般材料的物体，辐射电磁波的温度除了与温度有关外，还与材料的种类以及表面状况有关，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。,二、黑体辐射的实验规律,引言,19,世纪后半叶，欧洲的冶金工业迅速发展，技术人员渴望了接热辐射的规律。如果知道了辐射强度，波长分布与辐射体的温度的关系，就可以通过光谱推知钢水的温度。这种需求推动了黑体辐射的研究。,如果在一个空墙壁上开一个很小的孔，那么摄入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收。最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。,说明：,(1),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。,(2),对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。,如果加热小孔，空腔内的温度升高，小孔就成了不同温度下的黑体了，从小小孔向外辐射的就是黑体辐射。利用分光技术和热电偶等设备，测出它所辐射的电磁波强度按波长的分布情况。,下图为四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系。,从中可以看出，随着温度的升高，各种波长的强度有所增加，而且，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。,公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符,-,紫外灾难。,黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。,三、能量子、超越牛顿的发现,1,、普朗克能量子假说,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,称为能量子。,能量子的整数倍，即：, 1, 2, 3, .,n,. n,为正整数，称为,量子数,。,德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，,1918,年诺贝尔物理学奖的获得者。 普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，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。,普朗克,2,、普朗克常数,对于频率为,的能量子最小能量：,=,h,h=6.626,10,-34,焦耳。,普朗克常数,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,量子,经典,3,、振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量,4,、意义：,Planck,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的新观点。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领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。,5,、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,普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信,h,的引入确实反映了新理论的本质。,普朗克公式与实验结果的比较。曲线是根据普朗克的公式做出的，小圆代表实验值,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,的能量子最小能量：,=,h,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,课堂练习,1,我们周围的一切物体都在辐射,_,，这种辐射与物体的,_,有关，所以叫,_,。除了这种辐射以外，物体表面还会,_,和,_,外界射来的电磁波，若某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生,_,，这种物体就叫,_,。,电磁波,温度,热辐射,吸收,反射,反射,黑体,2,实验测出了辐射的电磁波的强度按波长的分布情况。随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有,_,，另一方面，辐射强度的极大值向波长,_,的方向移动。,较短,增加,3,对一束太阳光进行分析，下列说法正确的是,( ),A,太阳光是由各种单色光组成的复合光,B,在组成太阳光的各单色光中，其能量最强的光为红光,C,在组成太阳光的各单色光中，其能量最强的光为紫光,D,组成太阳光的各单色光的能量都相同,AC,4,对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是,( ),A,温度,B,材料,C,表面状况,D,质量,5,一束红光从空气射入折射率为,1.5,的玻璃，则这束红光的能量将,( ),A,增大,B,减小,C,不变,D,无法确定,A,C,教材习题解答,1,、答：,D,2,、解：由,=,h,得：,400nm,电磁辐射的能量子,=4.9710,-19,J700nm,电磁辐射的能量子,=2.8410,-19,J,3,、答：开水向外辐射的每一份能量子很小，而水降低一度释放的能量很大，有益于温度计的度量不够，所以观察到的温度计温度不是一段一段的降低的。,