13.5 能量量子化-【物理优课PPT】2024-2025学年高中物理必修第三册同步PPT课件（人教版2019）

人教版（2019） 高中物理 必修第三册 第十三章：电磁感应与电磁波初步 授课老师：物理优课PPT 1 学习目标 (3)了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子理论的建立极大地丰富和深化了人们对于物质世界的认识。 (1)了解黑体辐射及其研究的历史脉络，感悟以实验为基础的科学探究方法。 (2)了解能量子的概念及其提出的过程，领会这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想。 2 19世纪末，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。 课堂引入 3 课堂引入 我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射 热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强 4 课堂引入 寻找热辐射的应用 5 课堂引入 于是，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勋爵作了展望新世纪的发言: 但开尔文毕尽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.” “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 6 两朵乌云 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 黑体辐射实验 一、黑体辐射实验 二、光的速度 而关于黑体辐射的问题正是我们今天要学习的内容。 7 问题与思考 把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢？ 8 A 热辐射 Thermal radiation B 能量子 Quantum of energy C 能级 Energy level D 总结提升 Summary promotion 9 热辐射 我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。 温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。 随着温度的升高，铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。 10 热辐射 11 提出问题 常温下我们看到不发光的物体颜色就是物体表面反射光所致。 如果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反射，会怎样？ 大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。 12 提出问题 怎么办？ 我们在日常生活中都知道，白色物体几乎反射所有波长的可见光而呈白色，黑色的物体几乎不反射可见光而呈黑色，这就告诉我们反射的电磁波与物体的颜色有关。这种反射的电磁波和辐射的电磁波混在一起，对物体自身的热辐射造成了一定的干扰。 怎么办?如果有一个物体他只辐射电磁波，不反射电磁波，就像这个黑色的物体一样就好了。 据此，我们建立了一个物理模型。 13 黑 体 一座建设中楼房还没有安装窗子，尽管室内已粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？ 黑体：如果某物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这物体称为黑体。 近似黑体 研究黑体辐射是了解一般物体热辐射性质的基础。 黑体辐射 只与温度有关 思考与讨论 14 黑体辐射 0 1 2 3 4 1700K 1500K 1300K 1100K 辐射强度 黑体辐射：对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，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。 黑体辐射实验：随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加； 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 15 黑体辐射 想一想 生活中，哪些物体可以看作是黑体？ 远处的窗口 烟煤 遥远的恒星 开孔的黑盒子 想一想，现实生活中，哪些物体可以近似看成黑体。在黑盒子上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终几乎不能从小口射出，远处建筑物上小小的窗口看起看来很黑就是这个道理，他们都可以近似看成一个黑体。还有烟煤，遥远的恒星，反射的电磁波和辐射的电磁波相比很少，我们也可以近似看成黑体。 因为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。它可能反映了某种具有普遍意义的客观规律，历史上，科学家曾经特别重视对黑体辐射的研究。 让我们把时间回到19世纪末，了解一下黑体辐射研究的历史背景。 16 黑体辐射理论解释 实验 瑞利线 维恩线 维恩的半经验公式： 短波符合，长波不符合。 2. 瑞利—金斯公式波符合，短波荒唐。 ——紫外灾难 为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试。 17 黑体辐射理论解释 “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。” 黑体辐射与“紫外灾难” “只是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云……” 开尔文 1824～1907 19世纪，物理学飞速发展…… 19世纪，物理学飞速发展，在各个领域都取得了很大的成功：力学方面---牛顿三定律和万有引力定律建立起一个完整的力学理论体系。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。 许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已发展到顶峰。 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文充满自信的说:“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。只是，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，其中一朵就是黑体辐射与紫外灾难。 那么什么是紫外灾难？当时关于黑体辐射的研究究竟发生了什么，让人们称之为灾难？ 18 黑体辐射理论解释 阅读思考 2、科学家试图用经典理论解释黑体辐射规律时， 遇到了什么困难？什么是“紫外灾难” ？ 1、当时，人们为什么要进行黑体辐射的研究？ 大家阅读学习任务中的阅读材料。并回答下面的问题： 19 黑体辐射理论解释 阅读思考 1、当时，人们为什么要进行黑体辐射的研究？ 为什么会是这样的呢？ 先看第一个问题：当时，人们为什么要进行黑体辐射的研究？ 19世纪后半叶，第二次工业革命极大地推动了冶金工业的发展，而冶金对高温测量技术的需求及天文学 等方面的需要则推动了对黑体辐射的研究。 通过精确的实验测量，得到了如图所示的黑体辐射的实验规律。可以看到，物体温度升高时，热辐射强度增大，而且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 为什么会出现这样的规律呢，如何解释这种实验现象呢？物理学家总是力图用已有的知识来解释新发现的现象和规律。当时，很多科学家依据经典的热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。 20 黑体辐射理论解释 阅读思考 2、科学家试图用经典理论解释黑体辐射规律时，遇到了什么困难？什么是“紫外灾难” ？ 先看第一个问题：当时，人们为什么要进行黑体辐射的研究？ 19世纪后半叶，第二次工业革命极大地推动了冶金工业的发展，而冶金对高温测量技术的需求及天文学 等方面的需要则推动了对黑体辐射的研究。 通过精确的实验测量，得到了如图所示的黑体辐射的实验规律。可以看到，物体温度升高时，热辐射强度增大，而且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 为什么会出现这样的规律呢，如何解释这种实验现象呢？物理学家总是力图用已有的知识来解释新发现的现象和规律。当时，很多科学家依据经典的热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。 21 A 热辐射 Thermal radiation B 能量子 Quantum of energy C 能级 Energy level D 总结提升 Summary promotion 22 能量子 1900年底，普朗克作出了这样的大胆假设： 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 ε 的整数倍。例如，可能是ε 或 2ε、3ε……这个不可再分的最小能量值 ε 叫作能量子，它的大小为  是电磁波的频率，h 是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为 微观 宏观 连续 分立的量子化 23 能量子 想一想 你能不能找到一个实例，来区别“连续”和“量子化”。 这里面有两个对立的概念，连续和不连续----即量子化。我们生活中也有连续和不连续的事物变化，你能不能找到一个实例，来区别“连续”和“量子化”。 一个单摆，在摆动过程中，受到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续的。人是不连续的，我们可以说一个班由35名学生，或30名学生，但不会由25.2个学生。这是供行人行走的楼梯和坡道，对于坡道高度的变化是连续的，对于楼梯，高度的变化是不连续的的，一个人可以上一个台阶，两个台阶，但是不可以上1.5个台阶停在那里。 24 能量子 宏观世界的连续性 借助于能量子的假说，普朗克得出的黑体辐射的强度按波长的分布公式，与实验符合的非常好。 能量子的观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同，例如，一个宏观的单摆，小球在摆动的过程中，受到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续的。而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续（分立）的。 25 能量子 微观世界的量子化 爱因斯坦提出： 光本身就是一个个不可分割的能量子，后来被叫做光子，其能量为 26 能级：原子的能量是量子化的 原子处理能量最低的状态最稳定，称为基态 原子受高速运动的电子撞击，有可能跃迁到较高能量状态，称为激发态 激发态的原子不稳定，会自发向能量较低能级跃迁，放出光子 27 能量量子化假说的意义 普朗克的能量子假设,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。成为物理学发展史上一个重大转折点; 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; 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。 28 爱因斯坦与光子 光本身就是一个个不可分割的能量子，后来被叫做光子，其能量为： 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出： 29 爱因斯坦与光子 1905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；1906年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功。 1912年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展。 1922年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。 30 能量子的发展意义 首先便是我们所熟知的一切电子产品，都有必备的晶体管，便是根据量子力学所研究出来的，无论是 AMD 又或者是英特尔，再者我们手机中的 CPU,他们能够运行都归功于量子力学。 31 能量子的发展意义 在天文学，或者是天气预报时，对于时间的要求是十分准确的，准确到不能有0.01秒的偏差，因为其导致的结果是灾难性的，所以，根据量子原理所组建的原子钟，完美的解决了这个问题，最厉害的艳原子钟，即使过了2000万年，其时间误差依然能保持在1秒之内。 32 能量子的发展意义 在军事领域上，量子力学可谓是大显神威，无论是核武器的研究，又或者是导弹系统的创建它都参与其中，甚至连激光武器，都离不开量子力学。激光武器之所以能被开发运用，其根本理论来源于普朗克发现的量子力学原理。 33 A 热辐射 Thermal radiation B 能量子 Quantum of energy C 能级 Energy level D 总结提升 Summary promotion 34 能 级 微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级（energy level）。 分立轨道 1 2 3 4 定态 E4 E3 E2 E1 跃迁 E4 E3 E2 E1 35 能级差 原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。 由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 氦原子光谱 36 氢原子的能级 玻尔理论对氢光谱的解释：玻尔从上述假设出发，利用经典理论和量子理论结合，计算出了氢的电子的轨道半径和对应的能量值（能级）。 氢原子能级 -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 0 4 1 3 2 ∞ n E/eV 37 原子光谱 38 霓虹灯 39 量子力学与现代生活 20世纪20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。 核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用都离不开量子力学。是量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到非富多彩的现代生活。 40 聆听宇宙 宇宙浩瀚无垠，神秘莫测。古人通过肉眼观察星空，绘制星图。望远镜的发明拓展了人类的视野，使人们对天体的了解更加清楚。 41 聆听宇宙 42 A 热辐射 Thermal radiation B 能量子 Quantum of energy C 能级 Energy level D 总结提升 Summary promotion 43 课堂小结 热辐射 一切物体都在辐射电磁波，辐射与物体的温度有关。 辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。 黑 体 物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。 下面我对这节课做一个小结。这节课我们主要学习了两部分内 容。 第一部分电磁波的发现过程：从奥斯特发现“电生磁”之后，人们基于对称性，认为磁也能生电。法拉第经过长达十年的时间终于发现了磁生电的方法，麦克斯韦基于对电磁感应现象的本质的研究提出了变化的磁场产生电场，又基于对称性和类比的思想大胆的假设：变化的电场产生磁场，进一步提出了电磁场电磁波的概念，创立了完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在，预言光就是一种电磁波。最后赫兹在实验中检测到了电磁波，测出电磁波波速等于光速，证实了麦克斯韦电磁场理论的正确性。 在这个过程中猜想和假设发挥了非常大的作用，猜想和假设是创造性思维中最活跃的部分，它们往往是推动物理学发展的重要因素。 第二部分电磁波谱及其应用：通过学习了解电磁波的主要特征及其物质性和其在科技经济和社会信息化等方面的主要应用和重要作用。 44 课堂小结 能量子 h=6.626×10-34J/s。——普朗克常量 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的这些能量子后来被叫作光子。 ε 叫能量子，简称量子， 能量是量子化的，只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。 ε=hν 下面我对这节课做一个小结。这节课我们主要学习了两部分内 容。 第一部分电磁波的发现过程：从奥斯特发现“电生磁”之后，人们基于对称性，认为磁也能生电。法拉第经过长达十年的时间终于发现了磁生电的方法，麦克斯韦基于对电磁感应现象的本质的研究提出了变化的磁场产生电场，又基于对称性和类比的思想大胆的假设：变化的电场产生磁场，进一步提出了电磁场电磁波的概念，创立了完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在，预言光就是一种电磁波。最后赫兹在实验中检测到了电磁波，测出电磁波波速等于光速，证实了麦克斯韦电磁场理论的正确性。 在这个过程中猜想和假设发挥了非常大的作用，猜想和假设是创造性思维中最活跃的部分，它们往往是推动物理学发展的重要因素。 第二部分电磁波谱及其应用：通过学习了解电磁波的主要特征及其物质性和其在科技经济和社会信息化等方面的主要应用和重要作用。 45 课堂小结 能 级 原子能量的量子化 下面我对这节课做一个小结。这节课我们主要学习了两部分内 容。 第一部分电磁波的发现过程：从奥斯特发现“电生磁”之后，人们基于对称性，认为磁也能生电。法拉第经过长达十年的时间终于发现了磁生电的方法，麦克斯韦基于对电磁感应现象的本质的研究提出了变化的磁场产生电场，又基于对称性和类比的思想大胆的假设：变化的电场产生磁场，进一步提出了电磁场电磁波的概念，创立了完整的电磁场理论，预言了电磁波的存在，预言光就是一种电磁波。最后赫兹在实验中检测到了电磁波，测出电磁波波速等于光速，证实了麦克斯韦电磁场理论的正确性。 在这个过程中猜想和假设发挥了非常大的作用，猜想和假设是创造性思维中最活跃的部分，它们往往是推动物理学发展的重要因素。 第二部分电磁波谱及其应用：通过学习了解电磁波的主要特征及其物质性和其在科技经济和社会信息化等方面的主要应用和重要作用。 46 课堂练习 【练习1】（多选）以下关于辐射强度与波长的关系的说法中正确的是（ 　） A．物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波 B．当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高 C．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强 D．早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高 BC 47 课堂练习 【练习2】（多选）对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法中正确的是（　　 ） A．微波是指波长在10-3m到10m之间的电磁波 B．微波和声波一样都只能在介质中传播 C．黑体的热辐射实际上是电磁辐射 D．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说 BC ACD 48 课堂练习 【练习3】（2022春·辽宁朝阳·高二阶段练习）2022年5月5日，我国成功利用“墨子号”量子科学实验卫星，实现了地球上1200公里间的量子态远程传输，这次实验的成功，意味着我国在量子通信网络建设领域向前迈出了重要的一步。下列关于量子化的说法正确的是（     ） A．爱因斯坦首先提出了“能量子”的概念 B．物体的长度是量子化的 C．对于宏观带电物体，其电荷量是量子化的 D．能量子与电磁波的频率成反比说 BC C 49 人教版（2019） 高中物理 必修第三册 第十三章：电磁感应与电磁波初步 授课老师：物理优课PPT 50 EVCapture4.0.2软件录制 Lavf58.29.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.67 Lavf59.23.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$