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1、17-1 能量量子化学案“介绍能量量子化发现的背景：”19世纪末页，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。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作了展望新世纪的发言：“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。”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
2、验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，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”这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。然而， 事隔不到一年（1900年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（1905年）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，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路， 柳暗花明又一村”。我们这节课就来体验物理学新纪元的到来能量量子化的发现一黑体与黑体辐射学科网1.热辐射现象：这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射
3、的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与 有关。学如：铁块的温度升高。从看不出发光到 到 色到 色，从能量转化的角度来认识，是 能转化为 能的过程。学科网2.黑体：能全部吸收 而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。二黑体辐射的实验规律学科网1.黑体热辐射的强度与波长的关系：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有 ，另一方面，辐射强度的 向波长较短的方向移动。2.热力学和电磁学规律学无法解释这一规律，被称为“ ”灾难。 三。能量子：超越牛顿的发现学科网 1.1900年底， 国物理学家 提出了能量量子化理论。 2.能量子：振动着的带电微粒只能是某一最后小能量值的E的整数倍，其中E=h.
4、h= ,v表示电磁波的 。3.机械能的变化是连续的，如弹簧的弹性势能E= ，由于形变量连续，所以E是能量的。4.借助 的假说，成功地解释了黑体辐射与波长的实验规律。说明：1黑体和黑体辐射：（1）为什么要研究黑体？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；再加上黑体材料加到同样温度时，发出的热辐射比其他物体强，因此黑体是用来建立热辐射定律的理想辐射体。（2）绝对黑体是理想化的物理模型，生活中的烟煤是很接近黑体的材料。（3）黑体的定义和黑体辐射实验规律的解释如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，这种物体
5、就叫做黑体.黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)，黑体辐射规律的详细内容不是现阶段的学习内容，不必深究，只要了解到黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释即可.（4）黑体辐射强度与波长的关系随着温度的升高，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。与铁钉加热发光颜色变化的规律是一致的。（5）黑体辐射的实验规律的理想解释维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大瑞利-金斯公式在短波区与实验严重不符，且当波长趋近0时，辐射强度变为无穷大。普朗克的量子论与实验结论完全吻合能量量子化和能量子：微观领域中，能量只能取分立的、不连续的
6、值.即能量不能连续变化，只能按能量子的整数倍变化.所谓能量子就是能量的最小单元.微观领域里能量的变化总表现为电磁波的辐射与吸收，不同频率的电磁波其能量子的值不同，表达式为：E=h其中是电磁波的频率，h是一个普遍适用的常量，称作普朗克常量.由实验测得h=6.631034 Js.h的准确值不必记忆，但要知道，它的值很小，数量级只有1034.2能量子：超越牛顿的发现1900年，德国物理学家 提出能量量子化假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小
7、能量（称为 ）的整数倍，即：， 1，2，3，. n，n为正整数，称为量子数。对于频率为的谐振子最小能量为 这个最小能量值，就叫做能量子。是 ，h是一个常量，后人称之为 其值为 。这个观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同，经典物理认为能量值是 ，而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是 ，或者说微观粒子的能量是 。借助能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合之好令人击掌叫绝。后来普朗克又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质。1918年普朗克荣获了诺贝
8、尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？没有。物理难题：1888年，霍瓦(Hallwachs)发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近10年以后，1897年，汤姆孙发现了电子 ，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？明天，我们就继续学习“科学的转折：光的粒子性”练习题：1红、橙、黄、绿四种单
9、色光中，它们的能量子的能量最小的是 ( )A红光 B橙光 C黄光 D绿光2一台功率为P的激光器，发光效率为，发出的激光在折射率为n的介质中的波长为，若真空中的光速为c,普朗克常量为h,则该激光器在时间t内辐射的光子数为 。3对一束太阳光进行分析，下列说法正确的是（ ） A太阳光是由各种单色光组成的复合光B在组成太阳光的各单色光中，其能量最强的光为红光C在组成太阳光的各单色光中，其能量最强的光为紫光D组成太阳光的各单色光的能量都相同4一束红光从空气射入折射率为1.5的玻璃，则这束红光的能量将（ ） A增大 B减小 C不变 D无法确定5对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的是（ ） A温度 B材料 C
10、表面状况 D质量6已知某单色光的波长为，在真空中的传播速度为c，普朗克常量为h，则该电磁波辐射的能量子的值为（ ） A B C Dhc7单色光从真空射入某介质时，( ) A波长变长，速度变小，光量子能量变小B波长变长，速度变大，光量子能量不变C波长变短，速度变小，光量子能量不变D波长变短，速度变小，光量子能量变大8能正确解释黑体辐射实验规律的是( ) A能量的连续经典理论 B普朗克提出的能量量子化理论C牛顿提出的能量微粒说 D以上说法均不正确9某激光器能发射波长为的激光，发射功率为P，真空中光速为c，普朗克常量为h，则该激光器每秒发射的光量子数为( ) A B C D10关于黑体辐射的实验规律
11、叙述正确的有 ( ) A随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加 B随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 C黑体热辐射的强度与波长无关 D黑体辐射无任何实验11黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知 ( ) A随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加 B随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加 C随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 12能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为1018J，已知可见光的平均波长约为60 m，普朗克常量丸：663 x1034Js，则进人人眼的光子数至少为 ( )A1个 B3个 C .30个 D300个13某广播电台发射功率为10kW，在空气中波长为1875 m的电磁波，试求： (1)该电台每秒钟从天线发射多少个光子? (2)若发射的光子四面八方视为均匀的，求在离天线25km处，直径为2m的环状天线每秒接收的光子个数以及接收功率?