【最近更新】新人教17章波粒二象性-学案(全套)

上课日期：年月日星期第节§17．1能量量子化：物理学的新纪元【教学目标】1、知识与技能：1．了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系3．了解能量子的概念2、过程与方法：了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。3、情感态度与价值观：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。【重点难点】1、重点:能量子的概念2、难点:黑体辐射的实验规律【授课内容】引入新课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”。点出课题：我们这节课就来体验物理学新纪元的到来――能量量子化的发现二、进行新课1．黑体与黑体辐射1、热辐射现象固体或液体，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、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。①、所辐射电磁波的特征与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化例如：铁块在随温度升高时从看不出发光到暗红到橙色到黄白色这种与温度有关的辐射称为热辐射②、热辐射---热能转化为电磁能的过程任何物体任何温度均存在热辐射,温度发射的能量直觉:低温物体发出的是红外光炽热物体发出的是可见光高温物体发出的是紫外光注意：激光日光灯发光不是热辐射③无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的能量及其按波长的分布都随温度而变化。④热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。思考与讨论：一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？800k1200k1200k1400k2.、黑体辐射：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。简称黑体。3、黑体辐射实验规律：说明：(1)黑体是个理想化的模型。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。②辐射强度：单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符----紫外灾难黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。二、能量量子化假说：1、普朗克能量子假说辐射黑体分子、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能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n为正整数，称为量子数。2、对于频率为ν的能量子最小能量：ε=hγh=6.62610-34焦耳。----普朗克常数比喻：电磁波就好象是机关枪发射子弹，子弹是一颗一颗向前运动的，每一颗子弹就好象是一份电磁波。3、振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量4、意义：Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。能量量子经典5、黑体辐射公式：普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式普朗克后来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年他荣获诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和h=6.6626×10－34j·s【课后反思】思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。上课日期：年月日星期第节§17．2科学的转折：光的粒子性【教学目标】1、知识与技能：1．通过实验了解光电效应的实验规律。2．知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。3．了解康普顿效应，了解光子的动量2、过程与方法：经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。3、情感态度与价值观：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。【重点难点】1、重点：光电效应的实验规律2、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义【授课内容】一、引入新课光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。（二）进行新课1．光电效应教师：实验演示。（课件辅助讲述）用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。学生：认真观察实验。教师提问：上述实验说明了什么？学生：表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。概念：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子。2．光电效应的实验规律（1）光电效应实验如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。光电子在电场作用下形成光电流。概念：遏止电压将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称遏止电压。根据动能定理，有（2）光电效应实验规律①光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。②截止频率νc----极限频率对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率νc。当入射光频率ννc时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率ννc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。③光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间10-9s。221cevmceU3．光电效应解释中的疑难经典理论无法解释光电效应的实验结果。经典理论认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。4．爱因斯坦的光量子假设（1）内容光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为ν的光是由大量能量为E=hν的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。（2）爱因斯坦光电效应方程在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。由能量守恒可得出：W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功Wk为光电子的最大初动能。（3）爱因斯坦对光电效应的解释：①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。②电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：hWc0爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。5．光电效应理论的验证:美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦光电效应方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。展示演示文稿资料：爱因斯坦和密立根0WEhk由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。例题（教材36页）学生通过运算得出相应的正确结果。点评：理论联系实际，适量的练习题可以进一步巩固和掌握所学理论知识。6．康普顿效应（1）光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。（2）康普顿效应1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。（3）康普顿散射的实验装置与规律：按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！散射中出现0的现象，称为康普顿散射。康普顿散射曲线的特点：①除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长②新波长随散射角的增大而增大。波长的偏移为0波长的偏移只与散射角有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关，c=0.0241Å=2.41×10-3nm（实验值）称为电子的Compton波长只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。（3）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难①根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。②无法解释波长改变和散射角的关系。（4）光子理论对康普顿效应的解释①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。（5）康普顿散射实验的意义①有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；②首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；③