物理学文发表湖南

监利县实验高中高二物理导学案

17.1能量的量子化

编写:黄琼审稿:高二物理组

班级:学生:导学案评分:

学习目标:1.了解黑体和黑体辐射的基本含义

2.了解能量的量子化的含义

学习重点:能量的量子化

学习内容:

知识点一:黑体和黑体辐射

1.热辐射

(1)定义:我们周围的一切物体都在辐射,这种辐射与物体的有关,所以叫热辐射.

(2)特点:热辐射强度按的分布情况随物体的而有所不同.

2.黑体

(1)定义:在热辐射的同时,物体表面还会和外界射来的电磁波.如果一些物体能够吸收投射到其表面的的电磁波而不发生反射,这种物体就是绝对黑体,简称黑体.

(2)黑体辐射特点:黑体辐射电磁波的强度按的分布与黑体的有关.

注意:一般物体的热辐射除与温度有关外,还与材料的及有关.

知识点二:黑体辐射的实验规律

如图所示,随着的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加,另—方面,辐射强度的向波长较短的方向移动.

知识点三:能量子

1.能量子:带电微粒辐射或吸收能量时,只能是辐射或吸收某个能量值的整数倍,这个不可再分的值e叫做能量子.

2.大小:e等于hν.

其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量,h等于6.626x10—34J·s(—般h等于6.63x10—34J·s).

注:在电工和电子技术中,频率常用f表示,而在研究微观世界的物理学中,频率常用希腊字母ν表示.

拓展点一:对热辐射的理解

1.在任何温度下,任何物体都会发射电磁波,并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同,这是热辐射的一种特性.

在室温下,大多数物体辐射不可见的红外光,但当物体被加热到5000C左右时,开始发出暗红色的可见光.随着温度的不断上升,辉光逐渐亮起来,而且波长较短的辐射越来越多,大约在15000C时变成明亮的白炽光.这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的,而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也最高.

2.在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显着的不同.例如,将钢加热到约800℃时,就可观察到明亮的红色光,但在同一温度下,熔化的水晶却不辐射可见光.

注意:热辐射不需要高温,任何温度下物体都会发出一定的热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强.什么样的物体可以看做黑体

1.黑体是一个理想化的物理模型.

2.如图所示,如果在一个空腔壁上开—个很小的孔,那么射人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.这个空腔近似看成一个绝对黑体.

注意:黑体看上去不一定是黑色的,有些可看做黑体的物体由于自身有较强的辐射,看起来还会很明亮.如炼钢炉口上的小孔.

拓展点三:普朗克能量量子化检测说

1.如图所示,检测设与实验结果"令人满意地相符",图中小圆点表示实验值,曲线是根据普朗克公式作出的.

2.能量子检测说的意义

普朗克的能量子检测说,使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响.普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征,架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁.

注意:物体在发射或接收能量的时候,只能从某一状态"飞跃"地过渡到另一状态,而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态.

学习小结:

知识链接:普朗克简介

马克斯·普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck1858年4月23日-1947年10月3日),德国物理学家,量子力学的创始人,二十世纪最重要的物理学家之一,因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献,并在1918年获得诺贝尔物理学奖.量子力学的发展是20世纪最重要的科学发展,其重要性可以同爱因斯坦的相对论相媲美.

马克斯·普朗克1874年至1877年,在慕尼黑大学学习物理学和数学.1879年转到柏林大学学习.1879年通过了博士论文,在论文中论述了热力学第二定律.1880年在慕尼黑大学担任物理讲师,1885年被基尔大学聘为理论物理特约教授.1900年,普朗克提出了一个重要的物理学常数--普朗克常数,以调和经典物理学理论研究热辐射规律时遇到的矛盾.基于普朗克常数的检测设,他推导出黑体辐射的普朗克公式,圆满地解释了实验现象.这个成就揭开量子力学的序幕,普朗克也此获得1918年诺贝尔物理学奖.尽管在后来的时间里,普朗克一直试图将自己的理论纳入经典物理学的框架之下,但他仍被视为近代物理学的开拓者之一.1926年,普朗克成为英国皇家学会会员,同时还担任了柏林威廉皇家研究所所长.1947年10月逝世,终年89岁.1900年德国科学家马克斯·普朗克提出了一个大胆的检测说,在科学界一鸣惊人.这一检测说认为辐射能(即光波能)不是一种连续不断的流的形式,而是由小微粒组成的.他把这种小微粒叫做量子.普朗克的检测说与经典的光学说和电磁学说相对立,使物理学发生了一场革命,使人们对物质性和放射性有了更为深刻的了解.和其他几位科学家一样,普朗克对黑体辐射问题也很感兴趣,黑体辐射是描述给绝对黑体加热来做电磁辐射的术语(绝对黑体是不反射任何光而完全吸收所遇见光的物体).实验物理学家们甚至在普朗克着手研究这个问题之前就对这样的物体辐射做过认真的测量.普朗克取得的第一项成就是提出了一个用来正确描绘黑体辐射的相当复杂的代数公式.这个代数式完美地概述了实验数据,在今天理论物理学上仍常常使用.但是却有一个问题:公认的物理学定律预示存在着一个完全不同的公式.普朗克对这个问题沉思默想,终于提出了一个崭新的学说:辐射能只能以普朗克称为量子这个基本单位的整倍数形式辐射出来.根据普朗克学说,一个光量子的大小取决于光的频率(即颜色)且与一个物理量成正比.普朗克把这个物理量缩写为h,现在被称为普朗克常数.普朗克检测说与当时流行的物理概念完全对立,但是他却利用这一检测说在理论上准确地推导了正确的黑体辐射公式.普朗克检测说具有彻底的革命性.因此若不是他以顽固保守的物理学家而着称,他的检测说无疑会被当作一种荒诞的思想而弃之一边.虽然这一检测说听起来很离奇,但是在这种特殊情况下却推导出了正确的公式.当初大多数物理学家(包括普朗克本人在内)都认为这一检测说不过是适应面很窄的一个数学检测设.但是几年以后表明普朗克的概念还能应用于除黑体辐射以外的许多各种不同的物理现象.1905年爱因斯坦用这一概念解释光电效应,1913年尼尔斯·玻尔在他的原子结构学说中也使用了这一概念.他的学说基本正确而且在物理学理论方面具有根本重要的意义.量子力学的发展可能是二十世纪中最重要的科学发展,甚至比爱因斯坦的相对论还要重要.普朗克常数h在物理理论中有着重要的作用,现在被认为是两三个最基本的物理常数之一.它出现在原子结构学说,海森堡测不准原理,辐射学说和许多科学公式中.普朗克最初计算出来的常数数值比今天使用的相差百分之二.一般认为普朗克是量子力学之父.

普朗克早期的研究领域主要是热力学.他的博士论文就是《论热力学的第二定律》.此后,他从热力学的观点对物质的聚集态的变化,气体与溶液理论等进行了研究.普朗克在物理学上最主要的成就是提出着名的普朗克辐射公式,创立能量子概念.19世纪末,人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候,出现了着名的所谓"紫外灾难".虽然瑞利,金斯(1877-1946)和维恩(1864-1928)分别提出了两个公式,企图弄清黑体辐射的规律,但是和实验相比,瑞利-金斯公式只在低频范围符合,而维恩公式只在高频范围符合.普朗克从1896年开始对热辐射进行了系统的研究.他经过几年艰苦努力,终于导出了一个和实验相符的公式.他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文,题目是《论维恩光谱方程的完善》,第一次提出了黑体辐射公式.12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告.在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现.他说,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须检测定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地,而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍.这个最小数值就叫能量子,辐射频率是ν的能量的最小数值ε等于hν.其中h,普朗克当时把它叫做基本作用量子,现在叫做普朗克常数.普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数,它标志着物理学从"经典幼虫"变成"现代蝴蝶".1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中,系统地总结了他的工作,为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础.1918年,普朗克得到了物理学的最高荣誉奖--诺贝尔物理学奖.1926年,普朗克被推举为英国皇家学会的最高级名誉会员,美国选他为物理学会的名誉会长.1930年,普朗克被德国科学研究的最高机构威廉皇家促进科学协会选为会长普朗克的另一个鲜为人知伟大的贡献是推导出波尔兹曼常数k.他沿着波尔兹曼的思路进行更深入的研究得出波尔兹曼常数后,为了向他一直尊崇的波尔兹曼教授表示尊重,建议将k命名为波尔兹曼常数.普朗克的一生推导出现代物理学最重要的两个常数k和h,是当之无愧的伟大物理学家.

只要你做,你就是最好的！

选修3--5波粒二象性