第4节 初识光量子与量子世界（表格式教学设计）物理鲁科版2019必修第三册

第4节 初识光量子与量子世界（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第4节 初识光量子与量子世界 教学 目标 物理观念 能理解光量子的概念及能量公式，初步认识量子世界的基本特征（分立性、概率性），建立对微观世界的物理观念。 科学思维 能通过分析光电效应等实验现象，对比经典电磁理论与量子理论的差异，提升对微观现象的分析及模型建构能力。 科学探究 能参与对“黑体辐射规律”等实验事实的讨论，体会量子假说提出的逻辑过程，培养科学探究中的推理能力。 科学态度 与责任 通过了解量子理论对现代科技（如半导体、激光）的推动作用，感受科学突破的艰辛与价值，树立勇于探索未知的科学精神。 教学 重难点 重点：理解光量子概念及量子世界的基本特征。 难点：建立微观量子现象与宏观经验的认知联系。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 有经验的工人师傅目测钢水温度和实测温度之差只有5摄氏度，看火焰的颜色深浅就能知道钢水温度，这样的绝活，背后凝聚着炼钢工人的辛苦劳动，那么，你知道炼钢工人熟练技术后面的科学依据吗。 思考并回答问题 新课讲授 一、热辐射 任何物体都会辐射电磁波，辐射的电磁波与物体的温度有关，称为热辐射。室温下物体的热辐射以红外线为主，不能引起人的视觉反应。 投影铁块在不同温度下的图片： 问题：铁块温度升高，辐射的电磁波波长如何变化？热辐射的能力如何变化？ 黑体：指将所有射向它的辐射都吸收掉的物体，是一种理想化物理模型。开有小孔的空腔可当作理想黑体.基尔霍夫证明：黑体的辐射强度只由温度和波长决定，与构成空腔的物质和形状无关. 黑体模型 黑体辐射规律PhET模拟实验： 问题1：黑体处在某个恒定温度下，只辐射某个特定波长的电磁波吗？ 问题2：黑体辐射的电磁波能量在各个波段均匀分布吗？ 问题3：黑体温度逐渐升高，热辐射规律如何变化？ 黑体热辐射 黑体辐射规律： ① 热辐射包含各个波段的电磁波； ②不同波段电磁波的能量密度不同，在某一温度下。随着波长增加，辐射强度先增大后减小。 ③维恩位移定律：温度升高，辐射强度最大的电磁波波长变小，λT=常数。 经典理论的失败： 根据电动力学和统计物理推理得到的瑞丽-金斯公式在低频段与实验数据符合，但在高频段公式预言辐射的能量密度趋于无穷大，即所谓的“紫外灾难”；由热力学理论推理得到的维恩公式在高频段与实验符合，但在低频段（或长波段）与实验数据有一定出入。经典理论无法解释黑体辐射的实验规律。 思考并回答问题 新课讲授 二、能量子 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，进行了激烈的思想斗争。最后他不得不承认∶ 微观世界的某些规律在我们宏观世界看来可能非常奇怪。就像你们大人的世界一样。 1.能量子 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。当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。ε叫作能量子。 那它的一份有多大呢？就像元电荷一样最小是1.6×10-19C。 ε=hν h=6.626×10-34J/s。——普朗克常量 类比1：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，每一颗子弹就好象是一份电磁波。 类比2：“想象金钱交易，经典理论认为你可以支付任意金额，比如0.001元。但普朗克说，不行！最小单位是1分钱（hν），你只能支付1分、2分……不能更小。能量也是‘离散’的，不是‘连续’的。” 2.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 借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好。结果虽然很不错，但是能量子的理论引起了很大的争议，连它自己本人也难以接受。能量居然是不连续的，这怎么可能。可事实不能动摇，实验数据摆在眼前，人们不得不接受微观世界的某些规律，与宏观世界有很大不同。 例如，一个宏观的秋千，人在摆动的过程中，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。 3.光子 年轻的爱因斯坦认识到了普朗克能量子假设的意义，他把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为hv，h为普朗克常量。这些能量子后来被叫作光子。 思考并回答问题 新课讲授 三、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。 通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。 1. 解释氢原子光谱 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。 2.量子力学的建立及其应用 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，让我们享受到丰富多彩的现代生活。 科学漫步："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。 【例题1】现在市场上常用来激光打标的是355nm紫外纳秒固体激光器，该激光器单光子能量高，能直接打断某种材料的分子键，使之从材料表面脱离。据此判断，打断该材料分子键需要的能量约为（取普朗克常量，真空光速）（　　）    A． B． C． D． 【答案】B 【详解】打断该材料分子键需要的能量为该激光器单光子能量，则该激光的光子能量为 解得 故选B。 针对训练1 经测量，人体表面辐射本领的最大值落在波长为940μm处，根据电磁辐射的理论得出，物体最强辐射的波长与物体的绝对温度的关系近似为Tλm = 2.90×10 - 1mK，由此估算人体表面的温度和辐射的能量子的值各是多少？(h = 6.63×10 - 34J·s) 【答案】36℃，2.12×10- 22J 【详解】人体表面的温度为 T ==K ≈ 309K≈36℃ 人体辐射的能量子的值为 ε = h= 6.63×10 - 34×J = 2.12×10 - 22J 思考并回答问题 课 堂 练 习 1.普朗克在1900年将“能量子”引入物理学，开创了物理学的新纪元．在下列宏观概念中，具有“量子化”特征的是（　　） A．人的个数 B．物体所受的重力 C．物体的动能 D．物体的长度 【答案】　A 【解析】　依据普朗克量子化观点，能量是不连续的，是一份一份地变化的，属于“不连续的，一份一份”的概念的是A选项，故A正确，B、C、D错误。 2.能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18 J，已知可见光的平均波长为0.6 μm，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，恰能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为（　　） A．1个 B．3个 C．30个 D．300个 【答案】　B 【解析】　每个光子的能量为E0＝h，能引起人的眼睛视觉效应的最小能量E为10－18 J，由E＝nE0得能引起人眼的感觉，进入人眼的光子数至少为n＝＝＝个≈3个．故选B。 3.近年来，无线光通信技术（不需光纤，利用红外线在空间的定向传播来传递信息的通信手段）在局域网、移动通信等多方面显示出巨大的应用前景。以下说法正确的是（　　） A．光通信就是将文字、数据、图像等信息转换成光信号从一地传向另一地的过程 B．光纤通信中的光信号在光纤中传输，无线光通信的光信号在空气中传输 C．红外线的频率比可见光的频率高 D．红外光子的能量比可见光子的能量大 【答案】AB 【详解】无线光通信技术是光信号在空气中直接传输，光纤通信中的光信号是在光纤中传输，不论哪种方式，传输的都是文字、数据、图像等信息。由电磁波谱可知红外线的频率比可见光的频率低，又 则红外光子的能量比可见光子的能量小。 故选AB。 4.在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用．蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的．假设老鼠的体温约37 ℃，它发出的最强的热辐射的波长为λmin.根据热辐射理论，λmin与辐射源的绝对温度T的关系近似为Tλmin＝2.90×10－3 m·K，则老鼠发出的最强的热辐射的波长为（　　） A．7.8×10－5 m B．9.4×10－6 m C．1.16×10－4 m D．9.7×10－8 m 【答案】　B 【解析】　由Tλmin＝2.90×10－3 m·K可得，老鼠发出最强的热辐射的波长为λmin＝＝ m≈9.4×10－6 m，B正确。 5.（2017·北京·高考真题）2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100nm（1nm=10–9m）附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为（取普朗克常量h=6.6×10–34 J·s，真空光速c=3×108 m/s）（　　） A．10–21J B．10–18J C．10–15J D．10–12J 【答案】B 【详解】一个处于极紫外波段的光子的能量约为 由题意可知，光子的能量应比电离一个分子的能量稍大，因此数量级应相同。 故选B。 6.红外遥感卫星通过接收地面物体发出的红外辐射来探测地面物体的状况．地球大气中的水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)能强烈吸收某些波长范围的红外辐射，即地面物体发出的某些波长的电磁波，只有一部分能够通过大气层被遥感卫星接收．如图所示为水和二氧化碳对某一波段不同波长电磁波的吸收情况，由图可知，在该波段红外遥感大致能够接收到的波长范围是（　　） A．2.5～3.5 μm B．4～4.5 μm C．5～7 μm D．8～13 μm 【答案】　D 【详解】　由题图可知，水对红外辐射吸收率最低的波长范围是8～13 μm；二氧化碳对红外辐射吸收率最低的波长范围是5～13 μm.综上可知，应选D. 课 堂 小 结 板 书 设 计 第4节 .初识光量子与量子世界 一、热辐射 任何物体都辐射电磁波. 黑体辐射规律 二、能量子 Ε=hv v为频率 三、能级 氢原子光谱：线状谱 玻尔理论 E3-E1=hv. v为光的频率 作业 布置 1.完成教材PXX页“光电效应实验条件”习题，结合爱因斯坦光子说解释不同频率光照射金属时是否发生光电效应的判断依据。 2.设计简易模拟实验：用不同颜色LED灯照射光电传感器，记录触发电流所需的最小光强，分析光频率与光子能量的关系（需引用公式E=hν）。 3.案例分析：查阅量子通信原理，说明“量子纠缠”如何实现信息加密，对比其与经典通信的本质差异（可结合“幽灵契约”概念简述）。 教学反思 本节内容涉及微观世界量子理论，内容抽象，学生缺乏相关知识，例如什么是光谱，如何拍摄光谱。这些知识的缺乏给学生的学习带来较大困难，可适当补充介绍光谱含义，以教师讲授为主，介绍经典理论的困难，定性了解能量量子化概念含义和对黑体辐射规律和氢原子光谱的理论解释，对学生以科普程度要求即可。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $