17.1能量量子化.ppt

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1、无锡市第一中学19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。在热学方面，成功地解释了温度、压强、气在热学方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了力、电、光、声力、电、光、声-等都遵循的规律：能量转等都遵循的规律：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这些成绩和胜利

2、之中。他们认为物理学已经发展到头了。发展到头了。材料鉴赏材料鉴赏: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,著名物理学著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言家开尔文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，后一辈科也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈科学家只要把做过的实验再精确一下，在实验数据的小学家只要把做过的实验再精确一下，在实验数据的小数点后面再加几位罢了！数点后面

3、再加几位罢了！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，还有两朵令但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，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？黑体辐射实验黑体辐射实验光的速度光的速度后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革后来的事实证明，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，浇灌着两朵鲜命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。花。量子力学的诞生量子力学的诞生相对论诞生相对论诞生这两朵乌

4、云到底是什么回事呢？这两朵乌云到底是什么回事呢？经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域17.1思考与讨论1 1在炉火旁边有什么感觉？在炉火旁边有什么感觉？2 2投在炉中的铁块一开始是什么颜色投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？800K1000K1200K1400K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：1热辐射：热辐射：一切物体都在辐射电磁波，一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。热辐射。特征：热辐射强度按波长的分布情况随特征：热辐射强度按

5、波长的分布情况随物体温度而有所不同。物体温度而有所不同。一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射问题：如何研究物体的热辐射规律？问题：如何研究物体的热辐射规律？注意：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射注意：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，外界射来的电磁波，例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。了该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，反射的电磁波很弱。反射的电磁波很弱。那么：在研究物体热辐射中，应如何

6、那么：在研究物体热辐射中，应如何避免反射电磁波的影响？避免反射电磁波的影响？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.黑体黑体黑体黑体 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远处观察打开向远处观察打开的窗子的窗子近似黑体近似黑体

7、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0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律规律：规律：每一条每一条曲线都有一个极大值曲线都有一个极大值随着温度的升高，黑体辐射强度迅速随着温度的升高，黑体辐射强度迅速增大，并且增大，并且辐射强度的极大值辐射强度的极大值向波长较向波长较短的方向移动。短的方向移动。你能由图找到黑体你能由图找到黑体辐射的实验规律吗辐射的实验规律吗？瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻

8、合。但在紫外区紫外区(波长范围在紫外线附近波长范围在紫外线附近)竟算得辐射强度竟算得辐射强度为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理学理论为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理学理论的灾难，当时称为的灾难，当时称为“紫外灾难紫外灾难”。瑞利理论值瑞利理论值维恩理论值维恩理论值实验实验T=1646k维恩公式在维恩公式在短波部分与短波部分与实验结果吻实验结果吻合得很好，合得很好，但长波却不但长波却不行。行。辐射强度辐射强度2.经典理论的困难经典理论的困难三、能量子三、能量子 超越牛顿的发现超越牛顿的发现 微观世界的某微观世界的某些规律，在我们些规律，在我们宏观世界看来可宏观世界看来可能非常奇怪。能非常奇

9、怪。能量子：能量子：当带电微粒辐射或吸收能量时，以一个最小能量值为当带电微粒辐射或吸收能量时，以一个最小能量值为单位，一份一份的辐射或吸收的，单位，一份一份的辐射或吸收的，这个不可再分的最这个不可再分的最小能量值小能量值叫能量子。叫能量子。h=6.626 10-34 J*S-普朗克常数普朗克常数=h （是辐射吸收的电磁波的频率是辐射吸收的电磁波的频率）说明：微观世界中的能量是不连续的变化称说明：微观世界中的能量是不连续的变化称为能量量子化为能量量子化(m)1 2 3 4 5 6 7 87普朗克普朗克实验值实验值理论与实验符合的让人击掌叫绝理论与实验符合的让人击掌叫绝理论与实验符合的让人击掌叫绝

10、理论与实验符合的让人击掌叫绝1800K实验验证：实验验证：3普朗克的量子化假设的意义：普朗克的量子化假设的意义：宏观世界中：能量可以是任意值，可以连续变化。宏观世界中：能量可以是任意值，可以连续变化。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（特定值，不能连续变化。（能量量子化能量量子化），例如：），例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化量子化：只能取一系列

11、分立值，不能连续变化你能举出生活中你能举出生活中“量子化量子化”例子吗？例子吗？能量子的引入，正确地破除了能量连续变化的传能量子的引入，正确地破除了能量连续变化的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。统观念，成为新物理学思想的基石之一。18年后，年后，普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。问题与练习问题与练习P30，3 在一杯开水中放入一枝温度在一杯开水中放入一枝温度计，开水静置室内，可以看到开水的计，开水静置室内，可以看到开水的温度是逐渐降低的，既然从微观的角温度是逐渐降低的，既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的，度来看能量是一份一份向外辐射的，为什么它的温

12、度不是一段一段地降低为什么它的温度不是一段一段地降低？解释：解释：1.开水向外辐射的每一分能量子能量很小开水向外辐射的每一分能量子能量很小（微观量），而水降低（微观量），而水降低1释放的能量很大释放的能量很大（宏观量），由于温度计的精度不够，所（宏观量），由于温度计的精度不够，所以观察到的温度计温度不是一段一段地降以观察到的温度计温度不是一段一段地降低的。低的。2.在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们可以认为：物体的运动是连续的可以认为：物体的运动是连续的,能量变化能量变化是连续的是连续的,不必考虑量子化不必考虑量子化。（因为每个能量因为每个能量子的能量很小

13、，宏观物体的能量不连续变化非常子的能量很小，宏观物体的能量不连续变化非常不明显，可以忽略不计。）不明显，可以忽略不计。）3.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名称名称波波长长（纳纳米）米）频频率（兆兆赫）率（兆兆赫）紫光紫光400435790-680蓝蓝光光450480680-620青光青光480490600-620绿绿光光500560600-530黄光黄光580595530-510橙光橙光595605510-480红红光光605700480-405 扩展阅读扩展阅读:变革的困难变革的困难1900年年12月月14日普朗克在德国物理学会上报告了日普朗克在德国物理

14、学会上报告了自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但他的能自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但他的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。说。能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几百能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几百年来信奉的年来信奉的“自然界无跳跃自然界无跳跃”的原则直接矛盾，的原则直接矛盾，因此量子论出现之后，许多物理学家不予接受因此量子论出现之后，许多物理学家不予接受,物物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式，而不朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式

15、，而不承认他的理论性的量子假说。承认他的理论性的量子假说。遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达年时间，他总安。在发现能量子之后的长达年时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严普朗克在做出量子

16、假说时已年过四十。他受过严格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟悉和格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是迫于事热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。他的能实的压力，才不得不做出能量子的假说。他的能量子理论是不彻底的，他的理论还是以承认电磁量子理论是不彻底的，他的理论还是以承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己的量子假说波本身的连续性为基础的。他把自己的量子假说仅仅局限于粒子对电磁波的吸收和发射的特殊性仅仅局限于粒子对电磁波的吸收和发射的特殊性上。上。年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地年，爱因斯坦提出光量子假说，

17、成功地解释了光电效应；年，他又将量子理论解释了光电效应；年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；年，运用到固体比热问题，获得成功；年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了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；子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；年，康普顿通过实验最终使物理学家们年，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。科学界的普遍承认。科学的发展总是在困

18、难中前进，失败不可科学的发展总是在困难中前进，失败不可怕，它是人类进步的阶梯。怕，它是人类进步的阶梯。课堂练习课堂练习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:现现在全国有几在全国有几_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.2.灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍.那么红那么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小光的最小能量比紫光的最小能量大还是小?3.4.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。能量是不是连续的，而是一份一份的。能量是h 的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为:E=h