能量量子化：物理学的新纪元.ppt
无锡市第一中学 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成，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后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-开尔文开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只也就是说：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，在实验数据的小数点后面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！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，但开尔文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：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，还有两朵但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，令人不安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。另一朵与迈克尔逊实验有关。然而然而,事隔不到一年事隔不到一年(1900年底年底)，就从，就从第第一朵乌云中降生了量子论一朵乌云中降生了量子论，紧接着，紧接着(1905年年)从第二朵乌云中降生了相对论。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。正可谓展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山山重水复疑无路重水复疑无路,柳暗花明又一村柳暗花明又一村现象现象 ：通通恒定电流恒定电流，功率为，功率为3W的灯在的灯在正常发光正常发光问题问题：该光的波长约为多少纳米该光的波长约为多少纳米?把它视为把它视为点光源点光源,你能估算你能估算出一秒内进入你眼睛的光能吗出一秒内进入你眼睛的光能吗?说说你的方法。根据你的经验灯说说你的方法。根据你的经验灯的亮度会变化吗的亮度会变化吗?实验现象回顾实验现象回顾但是，有人却认为灯的发光应该是：但是，有人却认为灯的发光应该是：一闪一闪的一闪一闪的 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发的电磁波，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热辐射。所辐射电磁波的而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。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1400K800K1000K1200K1.1.1.1.热辐射现象热辐射现象热辐射现象热辐射现象黑体黑体 与与 黑体辐射黑体辐射直觉直觉:低温物体发出的是低温物体发出的是红外光红外光 炽热物体发出的是炽热物体发出的是可见光可见光 高温物体发出的是高温物体发出的是紫外光紫外光注意：注意：热辐射与温度有关热辐射与温度有关 激光激光 、日光灯发光不是热辐射、日光灯发光不是热辐射黑体辐射黑体辐射(一一)1.热辐射热辐射:一般物体辐射能量与一般物体辐射能量与T，有关有关;还还与材料、表面与材料、表面积积有关有关,能够完全吸收入射的各种波长能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体的电磁波而不发生反射的物体 3.黑体辐射黑体辐射:实验结论实验结论:1.温度越高，辐射能越大温度越高，辐射能越大;2.黑体黑体:1700K1500K1300K1100K实验实验:加热铁加热铁2.与最大辐射能对应的波长向短波与最大辐射能对应的波长向短波方向移动方向移动能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、折射和透射的物体称为绝对黑体。简称折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体黑体2.2.2.2.黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看可近似看作作黑体黑体。黑体模型黑体模型 研究黑体辐射的研究黑体辐射的规律是了解一般物体规律是了解一般物体热辐射性质的基础。热辐射性质的基础。黑体模型黑体模型空腔上的小孔空腔上的小孔炼钢炉上的小洞炼钢炉上的小洞向向远处观察打开远处观察打开的窗子的窗子近似黑体近似黑体平平衡衡态态时时 黑黑体体辐辐射射只只依依赖赖于于物物体体的的温温度度,与与构构成成黑黑体体的的材材料料 形形状状无无关关两种两种理论理论:维恩公式维恩公式:短波适合短波适合;长波不符合长波不符合瑞利公式瑞利公式:长波适合长波适合;短波荒唐短波荒唐 紫外灾难紫外灾难普朗克理论普朗克理论:在发射和吸收能量的时在发射和吸收能量的时候，不是连续不断，而是分候，不是连续不断，而是分成一份一份的。能量是成一份一份的。能量是h 的整数倍。的整数倍。最小能量为最小能量为:E=h 是波的频率是波的频率 实验实验瑞利公式瑞利公式维恩公式维恩公式黑体辐射黑体辐射(二二)普朗克理论值普朗克理论值黑体辐射实验是物理学晴朗天空中黑体辐射实验是物理学晴朗天空中 一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。o实验值/m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678问题问题:既然灯向外辐射的光能是分立的，既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份的。一份份的。为何我们看不到灯的亮度发为何我们看不到灯的亮度发生变化？生变化？结论：结论：1、在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：、在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的物体的运动是连续的,能量变化是连续的，不必考虑能量变化是连续的，不必考虑量子化量子化2、在研究微观粒子时必需考虑能量量子化、在研究微观粒子时必需考虑能量量子化问题与结论问题与结论 普朗克理论普朗克理论:能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。能量是而是分成一份一份的。能量是h 的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为:E=h看下列一组照片能否给你一点启发看下列一组照片能否给你一点启发 1900年年12月月14日，普朗克在柏林宣读了他关日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他年他42岁。普朗克把能量子引入物理学岁。普朗克把能量子引入物理学,正确地正确地破除了破除了”能量连续变化能量连续变化”的传统观念的传统观念,成为现代成为现代物理学思想的基石之一物理学思想的基石之一,为我们打开了量子之门为我们打开了量子之门,就在就在1900年，一个名叫爱因斯坦年，一个名叫爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业，正在为将来的生活发愁。毕业，正在为将来的生活发愁。5年后他受量年后他受量子化启发提出了光量子子化启发提出了光量子,成功的解释了光电效成功的解释了光电效应应.能量量子化能量量子化:物理学的新纪元物理学的新纪元 就在那一年就在那一年,在丹麦，在丹麦，15岁的玻尔岁的玻尔(Niels Bohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。学习方面，他在数学和科学方面显示出了的性格。学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作非凡的天才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名。文却是全校有名。13年后他提出了原子轨道量子化年后他提出了原子轨道量子化.德布罗意德布罗意(Louis de Broglie)当时当时8岁，还正在岁，还正在家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波.再过再过12个月，维尔兹堡个月，维尔兹堡(Wurzberg)的一位著名的一位著名希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。呱呱坠地。以上人物都将在我们的课文中出现以上人物都将在我们的课文中出现.请同学们请同学们记住他们的名字记住他们的名字.能量量子化能量量子化:物理学的新纪元物理学的新纪元课堂练习课堂练习3、在白天，对面楼房的窗户看上去是黑色的，而外、在白天，对面楼房的窗户看上去是黑色的，而外墙面是亮的。为什么？墙面是亮的。为什么？1、请你填空、请你填空:在做全国人口普查时我们关心的是：在做全国人口普查时我们关心的是：现在全国有几现在全国有几_人；人；班级小组长在数人数时常用班级小组长在数人数时常用:一一_，两，两_；等。；等。4、光源发出的光能是一份一份的，那么每份光能是、光源发出的光能是一份一份的，那么每份光能是怎样传到你的眼睛里呢？是均匀分布在两只眼睛里？怎样传到你的眼睛里呢？是均匀分布在两只眼睛里？还是每份只传给一只眼睛上的某一处呢？还是每份只传给一只眼睛上的某一处呢？请你与同桌讨论一下，说说你的猜想。请你与同桌讨论一下，说说你的猜想。2、灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍。那么、灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍。那么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小？红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小？本节课的主要知识本节课的主要知识:微观粒子的运动微观粒子的运动是不连续的是不连续的,在发射和吸收能量的时候，在发射和吸收能量的时候，不是连续的，而是一份一份的。不是连续的，而是一份一份的。能量是能量是h 的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为:E=h
