資源簡介

教學設計
課程基本信息
課題 普朗克黑體輻射理論
教學目標
1. 知道黑體與黑體輻射，知道黑體輻射的實驗規律及理論解釋；2. 了解能量子假說，領會科學解釋中的科學假設方法；3. 了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點，體會能量量子化的提出對人們認識物質世界的影響。
教學內容
教學重點：1.能量子的概念；2.通過對不同溫度下黑體輻射強度與波長關系的實驗圖像的分析，讓學生感悟以實驗為基礎的科學探究方法。教學難點：1.黑體輻射的實驗規律；
2.如何讓學生認識能量量子化假說。
教學過程
一、引入新課教師：量子論的建立是20世紀物理學的最大成就之一，量子論解釋了原子、分子等微觀粒子遵循的規律，這些規律和牛頓力學等宏觀、低速情況下的物理規律有很大不同。那么，人們認識量子規律的第一步是怎樣邁出的？今天這節課我們就來一起學習“普朗克黑體輻射理論”。。二、新課教學1．黑體與黑體輻射教師：請大家先回憶一下我們在以前學習過的：什么是熱輻射？物體的熱輻射有什么特性？（請學生回答）教師：我們周圍的一切物體都在輻射各種波長的電磁波，這種輻射與物體的溫度有關，因此稱為熱輻射。 例如：新冠肺炎肆虐期間，我們每天進行體溫檢測使用的醫療測溫槍，使用時，只要把槍口對準待測物體，槍尾的顯示屏上就有數字直接顯示那個物體的溫度。你知道其中的道理嗎？根據熱輻射規律可知，人的體溫的高低直接決定了這個人輻射的紅外線的頻率和強度，通過監測被測者輻射的紅外線的情況，就知道這個人的體溫。　　先請大家閱讀教材P67頁，第一小節“黑體與黑體輻射”教師：除了熱輻射之外，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波。不同的物體吸收和反射電磁波的能力是不一樣的。（板書）某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。教師：課件展示黑體模型（如圖）并進行闡釋。不透明的材料制成帶小孔的空腔，那么射入小孔的電磁波在空腔內表面會發生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出。這個小孔可近似看作黑體。黑體雖然不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，這樣的輻射，叫做黑體輻射。19世紀，由于冶金、星體測溫等需求，人們對熱輻射進行了大量的研究。當時物理學家們已經有能力對熱輻射的強度隨波長的分布進行比較準確的測量。教師：一般材料的物體和黑體輻射電磁波的情況有什么不同呢？學生：一般材料的物體輻射電磁波的情況除與溫度有關，還與材料的種類和表面狀況有關，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。　　2．黑體輻射的實驗規律教師：研究黑體輻射的規律是了解一般物體熱輻射性質的基礎，請大家閱讀教材P68頁，第二小節“黑體輻射的實驗規律”。稍后，課件展示（如下圖）并講解黑體輻射的實驗規律。黑體熱輻射的強度與波長的關系：隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加，另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。這些規律與我們的日常經驗是一直的。 　　課件展示：鐵塊在溫度升高時顏色的變化（下圖）。例如：在給鐵塊加熱的過程，隨著溫度的升高，鐵塊從發熱到發光，顏色從暗淡的紅色到明亮的黃色。溫度不同，顏色就不同；顏色的不同就代表輻射電磁波的波長不同。這表明溫度身高時，熱輻射中波長較短的成分越來越強。教師：怎樣解釋黑體輻射的實驗規律呢？人們很自然地要依據熱學和電磁學的知識來解釋。德國物理學家維恩和英國物理學家瑞利分別在1896年1900年提出了輻射強度按波長分布的理論公式。　　課件展示：兩種理論公式描繪的電磁波輻射強度按波長分布情況變化與實驗規律的區別（見下圖），并引導學生了解圖中的信息。維恩公式：在短波區與實驗非常接近，在長波區則與實驗偏離較大。瑞利-金斯公式：在長波區與實驗基本一致，但在短波區與實驗嚴重不符。當波長趨于零時，輻射強度變為無究大，這在物理學史上稱之為“紫外災難”。那么怎樣才能得出同全部實驗相符的黑體輻射公式呢？教師：維恩公式和瑞利-金斯公式都是用經典物理學的方法來研究熱輻射所得的結果，都與實驗結果不相符合，明顯地暴露了經典物理學的缺陷。因此，當時的物理學家開爾文認為黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中一朵令人不安的“烏云”。既然已有的理論不能合理解釋黑體輻射的規律，這必然會促使人們去發現新的理論。這就是能量量子化理論。3．能量子請大家閱讀教材P69頁，第三小節“能量子”教師：1900年，德國物理學家普朗克提出量子化假說：黑體中振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍（即：ε， 1ε，2ε，3ε，．．． nε，n為正整數，稱為量子數），這些帶電微粒吸收或輻射的能量也不象經典物理學所允許的可具有任意值，也只能以這個最小能量值ε為單位一份份地進行的。（板書）這個不可再分的最小能量值ε叫能量子，它的表達式為ε=hυh是一個常量，后人稱之為普朗克常量，其數值等于6.626 07015×10-34J·s ，一般取6.63×10-34J·s 。υ是帶電微粒的振動頻率，也即帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率。借助于能量子的假說，1900年10月19日普朗克提出一個黑體輻射的強度按波長分布的公式，這公式與實驗非常符合。 按理說：普朗克提出能量子假設完美的解釋了黑體的輻射，應該是高興的，但很長時間內普朗克本人也為他的這種能量子假說深感不安。他也曾努力把自己提出的能量子假說納入已有的經典物理學的框架，但后來物理學的發展表明，能量量子化和經典物理并不相容，它是原子、分子等微觀粒子所遵循的獨有的物理規律——量子規律的體現。教師提問、講解：對能量量子化如何理解呢？　　在宏觀世界中我們認為能量是連續變化的。例如，一個彈簧振子，把小球推離平衡位置后開始振動，能量為E，下一次我們可以把它推的稍遠一些，使它振動的能量稍多一些，例如，1.2E或1.3E，也可以把它推的更遠，能量更大。彈簧振子的能量不一定是某個最小值的整數倍。只要在彈性限度以內，我們可以把小球推到任何位置，它的能量可以是任何值。在微觀世界里能量是量子化的，量子化如何理解呢？可以認為一個物理系統的能量狀態不是連續地變化而是以某一最小能量單位做跳躍式變化。比如說人就是量子化的，一個人就是一個基本單位。我們說教室里有51位同學，但不能說有16.7個同學。 　　 再比如：這種供路人行走的臺階和坡道，對于坡道來說他的高度變化是連續的，而對于臺階來說高度的變化是不連續的、是分立的、是量子化的。一個人上臺階，他可以一次上一級、或二級，但絕不可能上一級半就停在那里。普朗克提出的能量子假設被物理學后來的發展證明是完全合理的，它第一次為人們揭開了微觀世界物理規律面紗的一角，使物理學從此進入了一個新得紀元。而他本人也因此獲得了1918年諾貝爾物理學獎。三、課堂小結請一個同學口頭回憶本節學了哪些知識，并找其它同學做補充。教師應鼓勵學生主動總結所學內容，允許他們可以不按講課的內容順序總結，讓他們自主建構物理知識、同時內化為自身的知識。教師主要強調物理學常用的科學探究方法之一：以實驗事實為基礎，經過合理的推理和想象，最后得出結論。四、課堂練習1、黑體輻射的實驗規律如圖所示，以下說法正確的是（ ） A.隨溫度升高，各種波長的輻射強度都增大 B.隨溫度降低，各種波長的輻射強度都增大 C.隨溫度升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動 D.隨溫度降低，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動【參考答案】ACD2、對于帶電微粒輻射和吸收能量時的特點，以下說法正確的是（ ） A.以某一最小能量值一份一份的輻射或吸收 B.輻射和吸收的能量是某一最小值的整數倍 C.吸收的能量可以是連續的 D.輻射和吸收的能量是量子化的【參考答案】ABD五、課后作業：1、閱讀教科書及課后的科學漫步2、完成課后“練習與應用”1、2題六、【教學反思】本節的知識對學生來說學前相關經驗較少，理解起來有一定困難。因此要以接受學習為主，教師在講解時可以充分利用直觀的圖像來做說明并做好知識鋪墊，同時要注意語言的生動、形象。在能量子概念教學時，要讓學生體會物理發展進程中物理學家面臨物理新問題的積極態度，更多的引發他們對物理學家敢于突破先前思想、先前理論束縛的創新精神的欽佩之情。
反射某些波長的電磁波
吸收某些波長的電磁波
輻射電磁波

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