教科版高中物理选修3-5：《量子概念的诞生》课件2-新版.ppt

1、1量子概念的诞生量子概念的诞生1了解黑体辐射实验规律；了解黑体辐射实验规律；2了解在用经典物理理论解释黑体辐射实验规律时所遇了解在用经典物理理论解释黑体辐射实验规律时所遇到的困难；到的困难；3了解普朗克能量子假设了解普朗克能量子假设一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射热辐射：热辐射：周围的周围的一切物体都在辐射一切物体都在辐射，这种辐，这种辐射与射与有关，所以叫热辐射有关，所以叫热辐射黑体：黑体：某种某种物体能够物体能够入射的各种波长的电磁波而不入射的各种波长的电磁波而不发生发生，这种物体就是绝对黑体，简称黑体，这种物体就是绝对黑体，简称黑体黑体辐射的特性：黑体辐射的特性：黑体黑体辐射电磁波的

2、强度按波长的分布只与黑辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的体的有关有关电磁波电磁波物体温度物体温度完全吸收完全吸收反射反射温度温度二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律一般材料一般材料的物体，辐射的电磁波除与的物体，辐射的电磁波除与有关外，还与材有关外，还与材料的种类及表面状况有关料的种类及表面状况有关黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 有关，有关，如图如图4-1-1所示所示图图4-1-1(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都随着温度的升高，各种波长的辐射强度都；(2)随着随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较温度的升高，辐射强度

3、的极大值向波长较的方向移动的方向移动温度温度温度温度有增加有增加短短三、能量子：超越牛顿的发现三、能量子：超越牛顿的发现量子化假说量子化假说黑体的黑体的空腔壁是由大量振子空腔壁是由大量振子(振动着的带电微粒振动着的带电微粒)组成的，其能组成的，其能量只能是某一最小能量值量只能是某一最小能量值的的倍，当振子辐射或吸收倍，当振子辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位能量时，也是以这个最小能量值为单位地进行地进行能量子能量子(1)定义定义：不可再分的最小能量值：不可再分的最小能量值.(2)关系式：关系式：h，式中，式中是是，h称称，且，且h .整数整数一份一份一份一份电磁波的频率电磁波的频率普

4、朗克常量普朗克常量6.6261034 Js(3)量子化假设的意义量子化假设的意义传统的电磁理论认为光是一种传统的电磁理论认为光是一种 ，能量是，能量是 的，能的，能量大小决定于波的量大小决定于波的 和光照时间普朗克为了克服经典物理学和光照时间普朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释的困难，而提出了能量量子化假说使人类对黑体辐射现象解释的困难，而提出了能量量子化假说使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响普朗克常量革命性的影响普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现是自然界最基本的常量之一，它体现了微

5、观世界的基本特征了微观世界的基本特征电磁波电磁波连续变化连续变化频率频率一、黑体辐射及其实验规律一、黑体辐射及其实验规律对黑体的理解对黑体的理解(1)如果某种如果某种物体在任何温度下都能够完全吸收入射的各种电磁物体在任何温度下都能够完全吸收入射的各种电磁波而不发生反射，这种物体就是黑体所谓波而不发生反射，这种物体就是黑体所谓“黑体黑体”是指能够是指能够全部吸收所有频率的电磁辐射的理想物体，绝对的黑体实际上全部吸收所有频率的电磁辐射的理想物体，绝对的黑体实际上是不存在的是不存在的(2)黑体看上去不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱黑体看上去不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看

6、上去才是黑的有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，时看上去才是黑的有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔(3)黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关单，黑体辐射强度只与温度有关黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律(1)黑黑体辐射的实验规律如图体辐射的实验规律如图4-1-2所示，揭示了黑体辐射强度按所示，揭示了黑体辐射强度按波长分布的情况：波长分布的情况：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加随着温度的升高，各种波长的辐射强

7、度都有增加随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动动图图4-1-2(2)黑体辐射实验规律的理论解释：黑体辐射实验规律的理论解释：经典物理学认为，物体中存在着不停运动的带电微粒，每个带电经典物理学认为，物体中存在着不停运动的带电微粒，每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射于是，人微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射于是，人们很自然地要依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解们很自然地要依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释释.1900年，英国物理学家瑞利，以及年，英国物理学家瑞利，以及1896年，

8、德国物理学家维恩年，德国物理学家维恩分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式如图分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式如图4-1-3所示但所示但是，维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区与实验偏离很是，维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区与实验偏离很大；瑞利公式在长波区与实验基本一致，但短波区与实验严重不大；瑞利公式在长波区与实验基本一致，但短波区与实验严重不符符德国物理学家普朗克对黑体辐射问题进行了系统的理论研究，他德国物理学家普朗克对黑体辐射问题进行了系统的理论研究，他结合有关实验证据，于结合有关实验证据，于1900年年10月推导出了普朗克公式，德国实月推导出了普朗克公式，德国实验物理

9、学家鲁本斯验物理学家鲁本斯(H.Rubens)把它与实验数据进行了比较，发现把它与实验数据进行了比较，发现与实验结果与实验结果“令人满意地相符令人满意地相符”图图4-1-3二、能量子的理解二、能量子的理解普朗克的量子化假说普朗克的量子化假说能量子能量子振动着振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数的整数倍例如，可能是倍例如，可能是或或2、3当带电微粒辐射或吸收能量时，也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这个不可是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的这个不可再分的最小能量值再分的最小能量值叫做能量子，叫

10、做能量子，h.是电磁波的频率，是电磁波的频率，h是一是一个常量，后被称为普朗克常量，其值为个常量，后被称为普朗克常量，其值为h6.6261034Js.量子化假说的实验证实量子化假说的实验证实能能量的量子化可以非常合理地解释某些电磁波的辐射与吸收现量的量子化可以非常合理地解释某些电磁波的辐射与吸收现象在黑体辐射规律的解释中，普朗克公式与实验结果相比，象在黑体辐射规律的解释中，普朗克公式与实验结果相比，发现它与实验结果发现它与实验结果“令人满意地相符令人满意地相符”如图如图4-1-4所示所示图图4-1-4小圆代表实验值，曲线是根据小圆代表实验值，曲线是根据普朗克的公式作出的普朗克的公式作出的量子化

11、现象量子化现象在宏观世界在宏观世界里，一个物理量的取值通常是连续的，但在微观世里，一个物理量的取值通常是连续的，但在微观世界里，物理量的取值多是不连续的，只能取一些分立的值，物界里，物理量的取值多是不连续的，只能取一些分立的值，物理量分立取值的现象称量子化现象，量子化理论成为新物理学理量分立取值的现象称量子化现象，量子化理论成为新物理学思想的基石之一思想的基石之一【典例典例1】黑黑体辐射的实验规律如图体辐射的实验规律如图4-1-5 所示，由图可知所示，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随温度降低，各

12、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随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律 解析解析由图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，由图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故述变化都将反过来，故A、C、D正确，正确，B错误错误答案答案ACD图图4-1-5借题发挥借题发挥物体发出的

13、光的频率覆盖的范围很广，温度越高，频物体发出的光的频率覆盖的范围很广，温度越高，频率高的光的份额越多，但是其他频率、其他颜色的光同样存在，率高的光的份额越多，但是其他频率、其他颜色的光同样存在，只是份额较少只是份额较少【变式变式1】下列关于下列关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有黑体辐射的实验规律叙述正确的有()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黑体热辐射的强度与波长无关D黑体辐射无任何实验黑体辐射无任何实验解析

14、解析黑体辐射的规律为随着温度的升高各种波长的辐射强度都黑体辐射的规律为随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加，同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动有增加，同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动答案答案AB对普朗克能量子的理解对普朗克能量子的理解 借题发挥借题发挥(1)本题求的是每秒钟的问题，实际上可以任意设定一本题求的是每秒钟的问题，实际上可以任意设定一个时间个时间t，通过功率与时间的乘积获取能量关系式，即可解决问，通过功率与时间的乘积获取能量关系式，即可解决问题题(2)解答此类题目要明确两点：第一，运用能量守恒定律，正确求解答此类题目要明确两点：第一，运用能量守恒定律，正确求得光子数

15、；第二，正确建立模型，即以太阳得光子数；第二，正确建立模型，即以太阳(或灯泡或灯泡)为球心，日地为球心，日地距离距离(或灯泡与某处距离或灯泡与某处距离)为半径的球面模型和以地球半径为圆平面为半径的球面模型和以地球半径为圆平面面积面积(某处单位面积某处单位面积)模型模型量子物理学引发奇谈怪论：薛定谔的猫量子物理学引发奇谈怪论：薛定谔的猫量子论量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论，但另一方面，它却和人类日常生活的经验如此格格不的理论，但另一方面，它却和人类日常生活的经验如此格格不入入量子物理学家告诉我们，物质在被测量之前是不确定量

16、子物理学家告诉我们，物质在被测量之前是不确定的的“不确定性不确定性”是量子世界的基本法则观测是在不确定的量是量子世界的基本法则观测是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键那么，神秘的量子世界和子世界和确定的现实之间转化的关键那么，神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢？在经典极限情况下，通过合理日常的现实世界到底能否兼容呢？在经典极限情况下，通过合理的近似，量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论但如何的近似，量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论但如何描述这两个世界的交界面，成了量子论过不去的一个坎直到现描述这两个世界的交界面，成了量子论过不去的一个坎直到现在，理论物理学家仍然

17、未能将两者恰当地联系起来在，理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来德国物理学家薛定谔曾设计出物理学史上最著名的动物：薛德国物理学家薛定谔曾设计出物理学史上最著名的动物：薛定谔的猫定谔的猫这是一个思想实验：不透明的箱子里装着一只猫，箱子中另这是一个思想实验：不透明的箱子里装着一只猫，箱子中另外还有一个原子衰变装置，原子会随机发生衰变，一旦衰变发生，外还有一个原子衰变装置，原子会随机发生衰变，一旦衰变发生，就会激发一系列连锁反应，最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫，就会激发一系列连锁反应，最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫，反之猫则活在打开箱子观测那一瞬间之前，原子的衰变和猫的反之猫则活在打开箱子观测那一瞬间之前，原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态，只有当打开箱子的一刹那，猫的死活才死活都处于一种叠加态，只有当打开箱子的一刹那，猫的死活才确定下来所以，在打开箱子之前，猫既是死的，又是活的问确定下来所以，在打开箱子之前，猫既是死的，又是活的问题是，现实中的猫怎么可能是题是，现实中的猫怎么可能是“既死又活既死又活”的呢？我们的常识中，的呢？我们的常识中，猫要么是死的，要么是活的量子论无法解释现实世界，这成了猫要么是死的，要么是活的量子论无法解释现实世界，这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点