13.5 能量量子化 教学设计 -2026-2027学年高二上学期物理人教版必修第三册

《13.5 能量量子化》教学设计

——人教版（2019）普通高中教科书《物理》必修第三册 第十三章

课时：1 课时（40 分钟）　课型：新授课

一、教材分析

本节是第十三章“电磁感应与电磁波初步”的第五节，内容包括两部分：黑体和黑体辐射实验规律同经典理论的矛盾冲突、能量量子化概念的提出和理论的发展。教科书以19世纪末科学家研究热辐射的规律为切入点，指出科学家发现用经典的电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重的无法克服的困难，德国物理学家普朗克尝试着提出了克服这一困难的能量量子化假设——黑体辐射时的能量是量子化的，使得这个困难得到了解决。这是一个颠覆性的创新概念，当时几乎所有的人都难以接受，包括普朗克本人。接下来又阐述了量子化观念的能级：爱因斯坦提出光子的概念，很好地解释了光电效应的实验规律（未展开）；玻尔建立原子能级假设，很好地解释了氢原子光谱，进一步证明能量的量子化确实是微观世界的普遍规律。量子物理的新世界，极大地丰富和深化了人们对于物质世界的认识。

本节课的教学重点是能量量子化的基本概念和创立过程。教学难点是理解能量的量子化与能量的连续性存在着根本颠覆性的概念冲突；理解物理学家提出能量量子化理论是对客观世界本质的尊重和近代物理学发展的必然要求，也是当今现代化社会、现代化科技发展的动力源泉和根基。能量量子化假设与我们宏观世界的生活经验以及当时已经成熟的经典电磁理论都是格格不入的，其概念的冲突是颠覆性的。对于中学生来说，相关生活经验少，理解起来有一定困难。例如，什么是黑体？为什么要研究黑体理想模型？“能量的量子化”和“能量的连续性”的概念冲突为什么使得当时的物理学家难以接受？因此，建议在学生课前充分预习和课上适当讨论的基础上，教学难点的突破均以教师的生动讲解为主，多铺垫、多设疑，按照物理学史的发展进程展开，让学生从前辈物理大师的科学探索活动中，体会到物理学惊心动魄的发展历程，学习物理大师实事求是的科学方法和勇于创新的科学精神。

二、学情分析

学生在初中已经知道热传递的三种方式，即传导、对流和辐射，对“辐射”这个概念并不陌生。学生在本章前四节学习了电磁波的基本知识，知道电磁波的波长、频率和波速的关系，了解了电磁波谱中各波段的特性和应用，具备了学习热辐射和黑体辐射的知识基础。但学生对黑体模型、黑体辐射的实验规律以及经典理论遇到的困难了解不多，对能量量子化这一颠覆性的创新概念理解有较大困难。

学生的宏观生活经验中，能量的变化是连续的（如单摆摆动时能量因摩擦阻力而连续减小），这与微观世界能量的量子化（不连续、分立）存在根本的概念冲突。学生的抽象思维能力还在发展中，对微观世界的规律和量子化观念需要通过物理学史的生动讲述和具体实例的比喻来帮助理解。学生对物理学史（普朗克、爱因斯坦、玻尔的贡献）有浓厚兴趣，但对科学发现的历史背景和思想方法（科学假说的提出与检验、经典理论的危机与突破）理解不够。教学中应充分利用物理学史，激发学生学习兴趣，通过互动讨论和比喻帮助学生理解抽象概念，重在培养科学的物质观和勇于创新的科学精神。

三、教学目标（核心素养目标）

（1）物理观念：了解黑体辐射及其研究的历史脉络，知道热辐射的概念和特性（与物体温度有关，室温时主要成分是波长较长的电磁波，温度升高时波长较短的成分越来越强，辐射强度按波长的分布随物体温度而不同）；了解黑体的概念（能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关）；了解能量子

的概念及其提出的过程，知道能量子的大小ε＝hν，普朗克常量h＝6.62607015×10⁻³⁴ J·s；了解光子的概念（光本身由一个个不可分割的能量子组成，频率为ν的光的能量子为hν）；了解能级的概念（原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫作能级）；了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点（宏观物体能量变化连续，微观粒子能量量子化不连续分立）。

（2）科学思维：领会能量子这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想；理解能量的量子化与能量的连续性之间的根本概念冲突；通过对黑体辐射经典理论困难（紫外灾难）的分析，体会经典物理学的危机和新物理学诞生的必然性；通过普朗克能量子假设、爱因斯坦光子说、玻尔原子能级的学习，理解科学假说的提出、推广和检验的过程。

（3）科学探究：感悟以实验为基础的科学探究方法；了解黑体辐射实验规律与经典理论的矛盾如何推动了能量量子化假设的提出；体会普朗克为得出同实验相符的黑体辐射公式进行多种尝试和激烈思想斗争的过程；了解科学研究中科学家对实验事实进行分析从而提出模型或假说，这些模型或假说又在实验中接受检验，正确的被肯定，经不起检验的被否定，再提出新的学说，科学研究就是这样不断向前发展的。

（4）科学态度与责任：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；了解量子力学在现代科学技术中的重要应用（核能的利用、计算机和智能手机的制造、激光技术等），体会量子力学引领我们迈入了现代社会；学习物理大师实事求是的科学方法和勇于创新的科学精神；了解物理学的每一重大发现都改变着人类的自然观、科学观和思维方式。

四、教学重难点

教学重点：能量量子化的基本概念和创立过程；普朗克能量子假设（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，ε＝hν）；能量的量子化与能量的连续性的根本区别；爱因斯坦光子说（光本身由一个个不可分割的能量子组成）；能级的概念（原子能量量子化，原子从高能态向低能态跃迁时放出光子的能量等于前后两个能级之差，原子发射光谱只有分立的亮线）。

教学难点：理解能量的量子化与能量的连续性存在着根本颠覆性的概念冲突；理解黑体和黑体理想模型（为什么要研究黑体）；理解经典电磁理论解释黑体辐射实验规律时遇到的严重困难（紫外灾难）；理解物理学家提出能量量子化理论是对客观世界本质的尊重和近代物理学发展的必然要求。

五、教学方法与教学准备

教学方法：讲授法、问题引导法、讨论法、阅读指导法、比喻教学法。

教学准备：多媒体课件（含铁块从发热到发光的颜色变化图片或视频、黑体模型示意图、黑体辐射实验规律图片、普朗克和爱因斯坦画像、能量子概念示意图、氦原子光谱图、量子力学应用图片、例题和练习）；相关实验视频（铁块加热颜色变化）。

六、教学过程（40 分钟）

（一）问题引入（约 3 分钟）

教师展示图片或播放视频并讲述：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。

教师提出问题：为什么会有这样的变化呢？

教师引导学生思考：物体的温度和它辐射的电磁波的波长有什么关系？铁块颜色的变化说明什么问题？

由此引入新课——能量量子化。本节以“火烧的铁块颜色如何变化”激发学生的兴趣，引导学生思考物体温度和它辐射的电磁波波长的关系，为研究黑体辐射过程中不同温度下辐射强度与波长的关系做好铺垫。

（二）热辐射和黑体（约 12 分钟）

1.热辐射（约 5 分钟）。

教师引导学生思考：在火炉旁边有什么感觉？投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又会是什么颜色？学生回答：感到“热”，知道热辐射就在自己身边。

教师提问：火炉和人保持一定距离，并没有直接接触，那么这种“热”怎么会传到人身上呢？从而引出“热辐射”的概念。

教师讲解：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。

教师引导学生回顾上一节有关电磁波的知识，使学生认识到“热辐射”的本质就是电磁波（主要是红外线）的辐射。

教师进一步讲解：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。例如，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（图13.5-1）。学生通过教科书图片或者相关视频，体会铁块颜色的变化表明辐射电磁波的强度按波长的分布情况与物体的温度有关，知道温度升高时，波长较短的成分越来越强。

教师强调：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。教师补充：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。

2.黑体（约 4 分钟）。

教师讲解：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，这种物体就叫作黑体。

教师强调：黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波。因为黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关，所以，在研究热辐射的规律时，人们特别注意对黑体辐射的研究。

教师提问：你能说出生活中类似黑体模型的物体吗？

学生发散思维、积极思考，在教师引导下说出：在一个空心的不透光的盒子上面开一个小孔，或者烟煤可近似为黑体模型。

教师进一步提问：生活中有黑体吗？科学家为什么要研究黑体模型？这些问题是极好的教学生长点，对于推进有效教学、突破教学难点十分有益。

教师回答：19世纪末，人们探求新光源以及工业上的高温测量的需要，导致黑体辐射的实验研究。因为一般物体的热辐射，除了与物体的温度有关外，还与材料的种类、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，而且黑体材料在加热到同样温度时发出的热辐射比其他的物体强，因此黑体是用来建立热辐射定律的理想辐射体。

3.经典理论的困难（约 3 分钟）。

教师讲解：物体中存在着不停运动的带电微粒，带电微粒的振动会产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。于是，人们很自然地要依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。但是，用经典的电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重的困难。

教师生动讲述：当时人们做了大量的黑体辐射实验，但是其结果却是非常令人吃惊的。物理学家依据当时的经典热学和电磁学的理论去寻求对黑体辐射实验规律的解释时，遇到了严重的困难。尤其在高频的短波波段，实验结果和理论预期差别太大，其矛盾是无法调和的。物理学史上称之为“紫外灾难”或“19世纪末物理学天空的一朵乌云”。很多物理学家表示出悲观失望，但是也有一些物理学家表现出异常乐观的态度，他们似乎看到了新物理学诞生的一缕曙光。他们在反复思考，开启着创新性的思维，他们即将成为20世纪科学革命的领袖。历史将会永远铭记这两位德国物理学家，他们的名字是——普朗克和爱因斯坦。学生阅读或者