物理学的新纪元能量量子化课件.ppt

导入新课导入新课 科学的历史不仅是一连串事实，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，常常需要新入一个新的领域时，常常需要新的概念 ——普朗克普朗克名言名言物理学的新纪元能量量子化物理学的发展历史物理学的发展历史 19 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都世纪末页，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，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、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推断一切电磁现象的 Maxwell Maxwell方程另外还方程另外还找到了力、电、光、声找到了力、电、光、声————等都遵循的规律等都遵循的规律------能量转化与守恒定律当时许多物理学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物理学已经发展到头了物理学的新纪元能量量子化爱因斯坦爱因斯坦伽利略伽利略著名物理学家著名物理学家爱爱迪迪生生牛顿牛顿楞次楞次物理学的新纪元能量量子化 麦克斯韦主要从事麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研学、弹性理论方面的研究尤其是他建立的电究尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是学、光学统一起来，是1919世纪物理学发展的最世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一上最伟大的综合之一 麦克斯韦麦克斯韦物理学的新纪元能量量子化 1900年，在英国年，在英国皇家学会的新年庆皇家学会的新年庆祝会上，著名物理祝会上，著名物理学家开尔文作了展学家开尔文作了展望新世纪的发言：望新世纪的发言：“科学的大厦已经科学的大厦已经基本完成，后辈的基本完成，后辈的物理学家只要做一物理学家只要做一些零碎的修补工作些零碎的修补工作就行了开尔文开尔文物理学的新纪元能量量子化 说明：物理学已经没有什么新东西了，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：在上面提到的文章中他还讲到：““但是，在但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，的乌云，----”----”这两朵乌云是指什么呢？一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朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。

有关物理学的新纪元能量量子化 然而，然而， 事隔不到一年（事隔不到一年（1900年底），就年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着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到了一个更为辽阔的领域正可谓““山重水山重水复疑无路，复疑无路， 柳暗花明又一村柳暗花明又一村””物理学的新纪元能量量子化 1、在火炉旁边有什么感觉？、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、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颜色？过一会儿又是什么颜色问题问题物理学的新纪元能量量子化第一节物理学的新纪第一节物理学的新纪元：能量量子化元：能量量子化第十七章波粒二象性第十七章波粒二象性物理学的新纪元能量量子化教学目标教学目标1 1、知识与技能、知识与技能 了解什么是热辐射及热辐射的特性，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与黑体辐射 了解黑体辐射的实验规律，了解黑体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热辐射的强度与波长的关系 了解能量子的概念了解能量子的概念物理学的新纪元能量量子化 了解微观世界中的量子化现象。

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体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识质世界的认识2 2、过程与方法、过程与方法物理学的新纪元能量量子化3 3、情感态度与价值观、情感态度与价值观 领略自然界的奇妙与和谐，发展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自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦的艰辛与喜悦物理学的新纪元能量量子化教学重难点教学重难点重点重点 能量子的概念能量子的概念难点难点黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律物理学的新纪元能量量子化本节知识线索本节知识线索 冶金工业的发展及对恒星研究的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）难以解决的矛盾（维斯公式、瑞利公式）普朗克能量子假设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）数学推理（黑体辐射的强度按波长分布的公式）与实验事实的对照与实验事实的对照物理学的新纪元能量量子化本节导航本节导航一一. .黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射二二. .黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律三三. .能量子、超越牛顿的发现能量子、超越牛顿的发现物理学的新纪元能量量子化一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射物理学的新纪元能量量子化1 1、热辐射、热辐射 固体或液体，在任何温度下都在固体或液体，在任何温度下都在发射发射各种波长的电磁波各种波长的电磁波，这种由于物体中的分，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子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为为热辐射热辐射。

1 1）、所辐射电磁波的特征与温度有关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固体在温度升高时颜色的变化800k1200k1200k1400k物理学的新纪元能量量子化 例如：铁块在随温度升高时从看不出发例如：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光到暗红到橙色到黄白色这种与温度有关的辐射这种与温度有关的辐射 称为热辐射称为热辐射2 2）、热辐射）、热辐射 --- --- 热能转化为电磁能的过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任何物体任何温度均存在热辐射, , 温度温度升高升高，发射的能量，发射的能量升高物理学的新纪元能量量子化直觉直觉: : 低温物体发出的是红外光低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可见光炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光高温物体发出的是紫外光注意注意：： 激光激光 日光灯发光不是热辐射日光灯发光不是热辐射 （（3 3）、无论是高温物体还是低温物体，都）、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。

都随温度而变化物理学的新纪元能量量子化 （（4 4）、热辐射解释：大量带电粒子）、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，场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱形成连续的电磁波谱 物理学的新纪元能量量子化思考与讨论思考与讨论 一座建设中的楼房还没安装窗子，尽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，你会发现的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？什么？为什么？物理学的新纪元能量量子化2、黑体：、黑体： 能全部吸收各种波长的辐射能而能全部吸收各种波长的辐射能而不发不发生反射生反射，，折射折射和和透射透射的物体称为的物体称为绝对黑体绝对黑体简称黑体简称黑体 对于一般材料的物体，辐射电磁波的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。

强度按波长的分布只与黑体的温度有关物理学的新纪元能量量子化二、黑体辐射的实验二、黑体辐射的实验二、黑体辐射的实验二、黑体辐射的实验规律规律规律规律物理学的新纪元能量量子化 引言引言 19世纪后半叶，欧洲的冶金工业迅世纪后半叶，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推知钢水的温度这种需求推动了黑体辐射的研究辐射的研究物理学的新纪元能量量子化 如果在一个空墙壁上开一个很小的孔，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个小孔就成了一个绝对黑体说明：说明： (1)(1)黑体是个理想化的模型黑体是个理想化的模型 例：开例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。

(2) (2)对于黑体，在相同温度下的辐射对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的规律是相同的物理学的新纪元能量量子化 如果加热小孔，空腔内的温度升高，小如果加热小孔，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下图为四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系波长的关系物理学的新纪元能量量子化 从中可以看出，随着温度的升高，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度的极大值向波长较短的方向移动物理学的新纪元能量量子化 公式只适用于长波段公式只适用于长波段, , 而在紫外区与实验而在紫外区与实验不符不符 ---- ---- 紫外灾难紫外灾难 黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。

人不安的乌云物理学的新纪元能量量子化三、能量子、超越牛三、能量子、超越牛三、能量子、超越牛三、能量子、超越牛顿的发现顿的发现顿的发现顿的发现物理学的新纪元能量量子化1、普朗克能量子假说、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，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可具有任意值相应的能量是某一最小能量相应的能量是某一最小能量ε称为能量子称为能量子能量子的整数倍，即：能量子的整数倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε. n为正整数，称为为正整数，称为量子数量子数物理学的新纪元能量量子化 德国物理学家，德国物理学家，量子物理学的开创者量子物理学的开创者和奠基人，和奠基人，1918年诺年诺贝尔物理学奖的获得贝尔物理学奖的获得者 普朗克的伟大成普朗克的伟大成就，就是创立了量子就，就是创立了量子理论，这是物理学史理论，这是物理学史上的一次巨大变革。

上的一次巨大变革从此结束了经典物理从此结束了经典物理学一统天下的局面学一统天下的局面普朗克普朗克物理学的新纪元能量量子化2、普朗克常数、普朗克常数 对于频率为对于频率为ν的能量子最小能量：的能量子最小能量： ε=hγ h=6.626 10-34焦耳——普朗克常数普朗克常数 比喻比喻：电磁波就好象是机关枪发射子弹，：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就好象是一份电磁波 物理学的新纪元能量量子化能量能量量子量子经典经典3、振子只能一份一份地按不、振子只能一份一份地按不连续方式方式辐射或吸收能量射或吸收能量物理学的新纪元能量量子化4、意义：、意义： Planck抛弃了经典物理中的能量可连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，为量子力学的从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础诞生奠定了基础物理学的新纪元能量量子化5、黑体、黑体辐射公式：射公式： 1900.10.19 普朗克在德国物理学会会普朗克在德国物理学会会议上上提出一个黑体提出一个黑体辐射公式射公式 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入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，他才坚定地相信告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映的引入确实反映了新理论的本质了新理论的本质 物理学的新纪元能量量子化 普朗克公式与实验结果的比较曲线是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，小圆代表实验值根据普朗克的公式做出的，小圆代表实验值物理学的新纪元能量量子化课堂小结课堂小结1、热辐射、热辐射 固体或液体，在任何温度下都在固体或液体，在任何温度下都在发射各发射各种波长的电磁波种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、，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原子受到激发而发射电磁波的现象称为热热辐射辐射。

任何物体任何温度均存在热辐射任何物体任何温度均存在热辐射, 温度温度升高升高，发射的能量，发射的能量升高激光、日光灯激光、日光灯发发光不是热辐射光不是热辐射物理学的新纪元能量量子化2、黑体：、黑体： 能全部吸收各种波长的辐射能而能全部吸收各种波长的辐射能而不发生不发生反射反射，，折射折射和和透射透射的物体称为的物体称为绝对黑体绝对黑体简称黑体简称黑体 (1)黑体是个理想化的模型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对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的是相同的物理学的新纪元能量量子化3、普朗克常数、普朗克常数 对于频率为对于频率为ν的能量子最小能量：的能量子最小能量： ε=hγh=6.626 10-34焦耳——普朗克常数普朗克常数4、黑体辐射公式：、黑体辐射公式： 1900.10.19 普朗克在德国物理学会会普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式议上提出一个黑体辐射公式物理学的新纪元能量量子化课堂练习课堂练习 1．我们周围的一切物体都在辐射．我们周围的一切物体都在辐射_________，这种辐射与物体的，这种辐射与物体的__________有关，所以叫有关，所以叫___________。

除了这种辐射以外，物体表面还除了这种辐射以外，物体表面还会会_________和和__________外界射来的电磁波，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磁波而不发生________，这种物体就叫，这种物体就叫_________电磁波电磁波温度温度热辐射热辐射吸收吸收反射反射反射反射黑体黑体物理学的新纪元能量量子化 2．实验测出了辐射的电磁波的强度按波．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，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各种波长的辐射强度都有_________，另一，另一方面，辐射强度的极大值向波长方面，辐射强度的极大值向波长____________的方向移动的方向移动较短较短增加增加物理学的新纪元能量量子化3．．对一束太阳光一束太阳光进行分析，下列行分析，下列说法正法正确的是确的是 ( )A．太阳光是由各种．太阳光是由各种单色光色光组成的复合光成的复合光B．在．在组成太阳光的各成太阳光的各单色光中，其能量色光中，其能量最最强强的光的光为红光光C．在．在组成太阳光的各成太阳光的各单色光中，其能量色光中，其能量最最强强的光的光为紫光紫光D．．组成太阳光的各成太阳光的各单色光的能量都相同色光的能量都相同AC物理学的新纪元能量量子化 4．对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的．对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是是 ( )A．温度．温度 B．材料．材料C．表面状况．表面状况 D．质量．质量 5．一束红光从空气射入折射率为．一束红光从空气射入折射率为1.5的玻的玻璃，则这束红光的能量将璃，则这束红光的能量将 ( )A．增大．增大 B．减小．减小C．不变．不变 D．无法确定．无法确定AC物理学的新纪元能量量子化教材习题解答教材习题解答 1、答：、答：D 2、解：由、解：由ε=hγ得：得：400nm电磁辐射的能量子电磁辐射的能量子ε=4.97×10-19J700nm电磁辐射的能量子电磁辐射的能量子ε=2.84×10-19J 3、答：开水向外辐射的每一份能量子很小，、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。

是一段一段的降低的物理学的新纪元能量量子化物理学的新纪元能量量子化。