魯科版必修二 量子世界 第1課時(shí) 教案.doc

第6章第2節(jié)量子世界【教學(xué)目標(biāo)】(一)知識(shí)與技能：1、初步了解經(jīng)典物理觀點(diǎn)被量子觀點(diǎn)取代的原因，及一些科學(xué)家在其中所起的重要作用，從而了解量子論的主要思想，了解量子論涉及的一些相關(guān)的現(xiàn)象。2、認(rèn)識(shí)經(jīng)典力學(xué)的適用范圍和局限性，知道量子論對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響， (二)過(guò)程與方法：通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生研習(xí)，了解經(jīng)典物理在熱輻射研究領(lǐng)域中面臨的困境，從而了解微觀世界的量子化現(xiàn)象，了解量子論的思想。 (三)情感態(tài)度與價(jià)值觀：體會(huì)科學(xué)研究方法和尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度對(duì)人們認(rèn)識(shí)自然的重要作用?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】 通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生研習(xí)，了解經(jīng)典物理在熱輻射研究領(lǐng)域中面臨的困境，從而了解微觀世界的量子化現(xiàn)象，了解量子論的思想?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】弄清經(jīng)典物理學(xué)與黑體輻射等實(shí)驗(yàn)結(jié)果矛盾的具體表現(xiàn)?！窘虒W(xué)安排】（一）引入新課師：通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們知道在19世紀(jì)與20世紀(jì)之交（1900年前后），許多人認(rèn)為物理學(xué)這座莊嚴(yán)雄偉、動(dòng)人心弦的科學(xué)殿堂已經(jīng)基本建成了。只是“物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，漂浮著兩朵小小的令人不安的烏云?！边@兩朵“烏云”是什么同學(xué)們能說(shuō)說(shuō)嗎？生：這兩朵“烏云”是：1、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)：研究光沿不同方向傳播速度的差異。2、熱輻射實(shí)驗(yàn)：研究熱輻射的能量與溫度的關(guān)系。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的現(xiàn)象用當(dāng)時(shí)已有的物理學(xué)理論無(wú)法進(jìn)行合理的解釋。師：這兩朵“烏云”給物理學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了什么影響？生1：正是這兩朵的烏云，后來(lái)釀成了物理學(xué)中一場(chǎng)巨大的變革。生2：在研究第一朵“烏云”后愛(ài)因斯坦了開(kāi)創(chuàng)了相對(duì)論。師：好，現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)看看當(dāng)年物理學(xué)的天空中這令人不安的第二朵“烏云”：熱輻射的能量與溫度的關(guān)系有什么規(guī)律？（二）【板書】量子世界： 【板書】一、“紫外災(zāi)難”師：我們知道，燃燒的物體都會(huì)發(fā)光，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)那是因?yàn)槿紵刮矬w溫度升高的緣故。同學(xué)們能不能舉出一些高溫物體發(fā)光的例子呢？ 生：燒紅的鐵塊、通電后的白熾燈里高溫的燈絲、火山口流出的高溫巖漿、師：白熾燈里的燈絲在正常發(fā)光時(shí)有沒(méi)有在燃燒呢？生：沒(méi)有，否則燈絲就燒斷了。師：我們來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)?！緦?shí)驗(yàn)觀察一】通過(guò)調(diào)壓器給白熾燈通電，逐漸增大電壓，讓學(xué)生觀察燈絲亮度和顏色的變化。并請(qǐng)學(xué)生感受燈的熱輻射的變化。（如果有條件也可以將這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成一個(gè)觀察性的學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)）（學(xué)生們幾個(gè)人一組進(jìn)行觀察、討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）師：通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察一，同學(xué)們想一想，金屬燈絲的溫度與燈兩端所加的電壓有什么關(guān)系？你所感覺(jué)到的金屬燈絲熱輻射的強(qiáng)度與燈絲的溫度有什么關(guān)系？金屬燈絲輻射光的顏色與燈絲的溫度有什么關(guān)系生1：燈兩端加的電壓越大，通過(guò)燈的電流也越大，燈絲發(fā)的熱功率越大，燈絲的溫度就越高。生2：金屬燈絲的溫度越高我們感覺(jué)到金屬燈絲的熱輻射就越強(qiáng)。生3：金屬燈絲的溫度越高，金屬燈絲輻射的光顏色就越白，溫度越低，燈光就偏紅色。師：對(duì)，我們看到的光其實(shí)是金屬中的原子在高溫下受到激發(fā)而發(fā)出的電磁波，能引起人們視覺(jué)的電磁波就是可見(jiàn)光。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)不同顏色的光，波長(zhǎng)是不同的。燈光變白是因?yàn)樗l(fā)出的各種波長(zhǎng)的電磁波中波長(zhǎng)短電磁波變得更強(qiáng)了，燈光較紅是因?yàn)樗l(fā)出的電磁波中波長(zhǎng)短的較弱，而波長(zhǎng)長(zhǎng)的電磁波相對(duì)較強(qiáng)的緣故?！景鍟繙囟雀邿艄獍锥滩ㄩL(zhǎng)光較強(qiáng)；溫度低燈光較紅短波長(zhǎng)光較弱，長(zhǎng)波長(zhǎng)光相對(duì)較強(qiáng)。把電絲兩端的電壓調(diào)得很小，使燈絲不發(fā)光，這時(shí)金屬燈絲有沒(méi)有熱輻射呢？【實(shí)驗(yàn)觀察二】把一金屬塊掛在酒精燈上燒，在沒(méi)有燒紅之前移去酒精燈，然后用手靠近金屬塊，感受它的熱輻射。（學(xué)生們幾個(gè)人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察、討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察二，同學(xué)們定性地說(shuō)一說(shuō)，如果金屬溫度并沒(méi)有升高到使金屬發(fā)光的程度，這時(shí)有沒(méi)有熱輻射呢？生：有。師：對(duì)，這時(shí)金屬溫度不高，其中的原子發(fā)出的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，不能引起人眼的視覺(jué)，所以我們沒(méi)有看到它發(fā)光，但我們?nèi)匀豢梢愿杏X(jué)到它的熱輻射。人們用更精確的觀測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)，其實(shí)任何溫度的物體都有熱輻射，只是常溫和低溫的物體熱輻射較弱，輻射的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，難被我們的身體直接感覺(jué)到。這種常溫和低溫物體輻射的電磁波波長(zhǎng)比紅光還長(zhǎng)，稱為紅外線，可以用一些特殊的儀器探測(cè)到。同學(xué)們有沒(méi)有見(jiàn)過(guò)在沒(méi)有可見(jiàn)光的黑暗中利用紅外線感光拍攝到的照片呢？【演示】課前收集到和各種紅外線感光照片?！景鍟课矬w中的分子、原子在任何溫度下都會(huì)發(fā)射出各種波長(zhǎng)的電磁波，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。師：一般的物體不但會(huì)發(fā)出熱輻射，也會(huì)吸收和反射從別的物體射來(lái)的熱輻射。為了進(jìn)一步研究物體的熱輻射強(qiáng)度的定量規(guī)律，物理學(xué)家們?cè)O(shè)想了一種理想的物體：能夠發(fā)射熱輻射，也能完全吸收熱輻射，但是完全不反射任何熱輻射的物體，叫做黑體。煉鋼爐爐膛上開(kāi)的觀察小孔就是可以看成是一個(gè)黑體。在爐膛是冷的時(shí)，這個(gè)小孔是黑洞洞的，通過(guò)小孔射入其中的光和各種電磁輻射完全被爐膛中吸收掉了，沒(méi)有任何輻射被反射回來(lái)。當(dāng)爐膛中的溫度很高時(shí)，這個(gè)小孔就會(huì)有很強(qiáng)的熱輻射發(fā)射出來(lái)。通過(guò)精確的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)黑體熱輻射強(qiáng)度與溫度和波長(zhǎng)都有關(guān)系，可以把某一溫度下測(cè)得各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪成如右圖所示的曲線。從曲線可以看出，不同的溫度下熱輻射的強(qiáng)弱有什么變化呢？熱輻射的波長(zhǎng)又有什么變化呢？（學(xué)生們幾個(gè)人一組進(jìn)行分析討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）生1：可以看出溫度越高，熱輻強(qiáng)度越大。生2：在同一溫度下，不同波長(zhǎng)的電磁輻射強(qiáng)度不同，有某一種波長(zhǎng)的電磁輻射最強(qiáng)。生3：溫度越高，輻射最強(qiáng)的電磁波波長(zhǎng)變短?！景鍟亢隗w溫度越高，熱輻強(qiáng)度越大；在同一溫度下，不同波長(zhǎng)的電磁輻射強(qiáng)度不同，有某一種波長(zhǎng)的電磁輻射最強(qiáng)；溫度越高，輻射最強(qiáng)的電磁波波長(zhǎng)變短。師：這個(gè)規(guī)律與我們前面觀察到的高溫的金屬燈絲光輻射的規(guī)律是類似的。是嗎？生1：是的。生2：為什么要定義黑體呢？直接研究燈絲等物體的輻射不行嗎？師：這個(gè)問(wèn)題提得好，這是因?yàn)橐话愕奈矬w會(huì)反射別的物體的輻射，這樣觀測(cè)到的就不全是這個(gè)物體本身輻射的能量了。生：噢，原來(lái)是要觀測(cè)物體本身的熱輻射規(guī)律。師：右上圖中是一條奇妙的曲線，黑體的熱輻射為什么會(huì)有這樣的規(guī)律呢？許多物理學(xué)家根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論進(jìn)行分析，試圖從當(dāng)時(shí)經(jīng)典的物理學(xué)理論中推導(dǎo)出一個(gè)描述黑體輻射規(guī)律的公式，比較著名的有兩個(gè)用不同方法推導(dǎo)出的公式：一個(gè)是維恩公式還有一個(gè)是瑞利-瓊斯公式。 但是這用兩個(gè)公式算出各種同波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度，都與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果不完全符合。維恩公式算得的結(jié)果在短波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)較吻合，但長(zhǎng)波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大；而瑞利-瓊斯公式算得的結(jié)果則在長(zhǎng)波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)較吻合，在短波區(qū)域卻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，更糟的是瑞利-瓊斯公式算得隨著波長(zhǎng)變短即輻射在紫外波長(zhǎng)區(qū)域時(shí)，輻射強(qiáng)度會(huì)變成無(wú)限大，但實(shí)驗(yàn)測(cè)得在波長(zhǎng)很短的紫外區(qū)域的輻射強(qiáng)度卻是趨于零。當(dāng)時(shí)科學(xué)界稱其為“紫外災(zāi)難”，這就是第二朵“烏云”的由來(lái)。面對(duì)這樣令人不安局面，同學(xué)們想想看，怎么辦呢？生：維恩公式和瑞利-瓊斯公式是怎么推導(dǎo)的呀？會(huì)不會(huì)是推導(dǎo)錯(cuò)了呢？師：由于我們的物理知識(shí)不夠，所以暫時(shí)沒(méi)有辦法了解他們公式推導(dǎo)的過(guò)程和方法，不過(guò)當(dāng)時(shí)的確有不少的物理學(xué)家按照經(jīng)典的物理學(xué)原理對(duì)推導(dǎo)過(guò)程做過(guò)各種修正，但總是顧此失彼無(wú)法得到能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合的公式。后來(lái)德國(guó)的物理學(xué)家普朗克，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，在百思不得其解的困境中，迫不得已做了一個(gè)大膽的假設(shè)，他發(fā)現(xiàn)只有做這個(gè)假設(shè)，得到的公式才會(huì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。這個(gè)假設(shè)在今天看起來(lái)具有劃時(shí)代的意義，叫做量子假說(shuō)。認(rèn)為物質(zhì)輻射或吸收能量不是經(jīng)典物理理論中認(rèn)識(shí)的那種可以任意大小連續(xù)不斷的。而是不連續(xù)的、一份一份的，物質(zhì)輻射或吸收的能量只能是某個(gè)最小能量的整數(shù)倍。這個(gè)最小的能量叫做一個(gè)量子【板書】二、量子假說(shuō)：物質(zhì)輻射或吸收的能量是不連續(xù)的，只能是一種最小能量的整數(shù)倍。e=n （n=0,1,2,3,） =h=hc/ ( h稱為普朗克常數(shù) )經(jīng)典電磁理論中電磁波的能量是由波的振幅決定的，但在量子假說(shuō)中最小能量卻是與輻射的頻率成正比的。做這樣的假設(shè)后，普朗克推導(dǎo)得出了一個(gè)描述黑體輻射規(guī)律的公式：【板書】普朗克公式：用這個(gè)公式算得的各種波長(zhǎng)下的輻射強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果竟然完全吻合，獲得了極大的成功。同學(xué)們想一想，討論一下，這件事意味著什么？（學(xué)生們幾個(gè)人一組進(jìn)行分析討論和交流，教師巡視，并參與小組探討，幾分鐘后）生1：覺(jué)得有點(diǎn)不可思議，這給人一種生搬硬套，拼湊答案的感覺(jué)。生2：如果真的沒(méi)有別的辦法，也只好這樣了。生3：根據(jù)經(jīng)典的物理理論總得不到與實(shí)驗(yàn)完全符合公式，就說(shuō)明經(jīng)典的物理學(xué)理論有局限性，不能認(rèn)為一定是永遠(yuǎn)正確的。生4：我認(rèn)為可以接受普朗克的假設(shè)，因?yàn)榭茖W(xué)就是要尊重事實(shí)，既然普朗克的得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能符合得那么好，就表明他所做的假設(shè)是符合客觀實(shí)際的，也就是說(shuō)能量輻射其實(shí)就真的是一份一份的不連續(xù)的。師：嗯，同學(xué)說(shuō)得都很好，普朗克提出他的量子觀點(diǎn)后，在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界也和同學(xué)們現(xiàn)在一樣發(fā)生了激烈的爭(zhēng)論，真理必須能經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)，對(duì)量子觀點(diǎn)覺(jué)得不可思議的同學(xué)可以持保留態(tài)度。隨著我們今后的學(xué)習(xí)，同學(xué)們將會(huì)看到，量子觀點(diǎn)不斷表現(xiàn)出它強(qiáng)大的生命力，最終被科學(xué)界所廣泛認(rèn)可了，并且由此開(kāi)始了一場(chǎng)物理學(xué)的巨大變革。下一次的課我們就要來(lái)進(jìn)一步了解量子觀點(diǎn)如何成功地解決了此后物理學(xué)研究中又遇到的的一系列難題。【板書】量子觀點(diǎn)開(kāi)創(chuàng)了一場(chǎng)物理學(xué)的巨大變革。（三）小結(jié)： 師：通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可不可以把能量量子化的觀點(diǎn)與經(jīng)典物理的能量觀點(diǎn)列表作一個(gè)比較呢？請(qǐng)同學(xué)們把這作為今天的小組作業(yè)回去討論完成。參考答案：量子觀點(diǎn)與經(jīng)典物理的能量觀點(diǎn)列表比較經(jīng)典物理能量觀量子觀能量的大小可以是連續(xù)的任意值能量的大小是不連續(xù)的，只能是最小能量子的整數(shù)倍。電磁輻射的能量由電磁波的振幅決定。電磁輻射的最小能量值與頻率成正比?！菊n后作業(yè)】課本122頁(yè)2.3.4.【課后反思】這個(gè)教學(xué)案例的設(shè)計(jì)將要研習(xí)的內(nèi)容逐層遞進(jìn)展開(kāi)。教學(xué)中考慮到學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和生活經(jīng)驗(yàn)，加上兩個(gè)定性體驗(yàn)的小實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)物體熱輻射的體驗(yàn)，通過(guò)這個(gè)體驗(yàn)從具體到抽象地逐漸展開(kāi)學(xué)習(xí)過(guò)程，使學(xué)生真正體悟熱輻射問(wèn)題的物理意義。揭示經(jīng)典物理學(xué)理論與黑體輻射規(guī)律的矛盾，是本節(jié)課的關(guān)鍵。限于學(xué)生的知識(shí)局限，不可能在這節(jié)課中做詳細(xì)的定量分析，因此通過(guò)舉例把黑體的概念定性地剖析清楚，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生把