《能量量子化》教学设计
教学目标
1、了解黑体辐射，感悟以实验为基础的科学探究方法.
2、通过观察热辐射的强度与波长的关系图像培养学生观察能力.
3、了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想.
4、了解宏观物体和微观粒子能量变化特点，体会量子论的建立深化了人们对物质世界的认识.
教学方法
讲授法、谈话法
教学重点、难点
能量子假说提出的科学过程，以及领会这一科学突破过程中科学家的思想。
教学过程
一、引入
（感受量子力学理论对科技社会发展的重要意义）展示图片：中国2016年发射量子卫星场景的照片。量子卫星有什么作用？为实现全球的量子通信。为什么要进行量子通信呢？可以实现保密通信，对国家安全、军事有非常重要的意义。师：关于“量子”大家还听说过什么？
生：量子力学！
师：量子力学是研究什么的学科？
生：微观世界！
师：和我们的生活的有什么关系吗？
生疑惑：好像没什么关系。
展示图片1：电脑与手机。量子力学是半导体科技的理论基础，没有量子力学，就没有计算机，就没有现在的信息时代！
展示图片2：激光。所谓光宽带，光纤入户，光纤里就是利用激光传输信息。没有量子力学，就没有激光技术的应用。
展示图片3：核磁共振成像。没有量子力学就没有核磁共振成像技术。
展示图片4：核武器与核电。没有量子力学就没有核武器与核能的利用。
师小结：量子力学是近代科学共同的理论基础！
过渡：什么是量子？历史上首先是谁先提出来的？让我们回到一百多年前，回顾量子诞生的那个年代！
二、黑体与黑体辐射
1、辐射
师叙述：十九世纪后半叶，欧洲正处于第二次工业革命。第二次工业革命极大的推动了冶金工业的发展。冶金工业需要测量钢水的温度。如何测量呢？温度太高，不可能直接用普通温度计测量。怎么解决这个问题呢？是通过对辐射问题的研究解决的。
展示图片：火炉。
师：在火炉旁有热的感觉，热量是如何到达身体上的？
生：通过辐射。
师：（点明）其实辐射的是电磁波。
展示图片：刚出炉的铁块。
师：刚出炉的铁块，温度很高。仔细看图片，会发现铁块的颜色是不一样的。能否根据颜色判断温度的高低？
生：温度最高的是白色，其次是黄色，再是橙色，最低的是红色。
师：温度不同，所辐射的电磁波颜色是不一样的。电磁波的颜色是由什么决定的？生：由波长决定！师：（小结）温度不同物体，所辐射的电磁波波长不同。
2、黑体模型的建立
（建立黑体模型的必要性）
师叙述：对这块铁块，除辐射电磁波外，还会反射与吸收外界的电磁波，而反射与吸收电磁波的能力与物质的材料及表面状况有关。所以一般物体所辐射的电磁波，除与温度有关外，还与材料与表面状况有关。这个问题就比较复杂了。
物理学家的在遇到这种情况下，首先会分析哪些是主要因素，哪些是次要因素，只有突出主要因素，忽略次要因素，更能抓住问题的本质。把突出主要因素，忽略次要因素的物理方法称为：理想化模型。
黑体(理想化模型)：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。
（举例帮助学生理解黑体）
展示图片：建设中的大楼。
师：这幢大楼内墙已经刷白但未装窗户。窗户处的亮度比外墙的亮度暗得多，为什么？生思考，师点名回答（做必要的引导）：因为光线进入窗户洞，经室内墙壁多次反射与吸收，出来的光线要少得多，所以比外墙的亮度要暗得多！
师：窗户洞能当做黑体吗？
生：不能，还有反射光线。师：如何使窗户洞更接近黑体？
生：洞更小些，则反射出来的光线就更少，更接近黑体！
展示图片：带小孔的空腔。
师：光线进入小孔，经空腔内壁多次反射与吸收，光线几乎无法从小孔射出，小孔就可以当做黑体！
3、黑体辐射
黑体所辐射的电磁波只与温度有关，与物质材料和表面状况无关，反应了更加普遍的客观规律，因此，物理学家更加关注对黑体辐射的研究.
过渡：不同温度下的物体辐射的电磁波波长是不同的，有怎样的定量规律，需要通过实验研究.
三、黑体辐射的实验规律
1、实验规律
介绍实验装置。
通过实验得到不同温度下辐射电磁波的辐射强度随波长变化的规律：
师：随着温度的升高，辐射强强度随波长的分布发生了变化。有什么规律吗？（小组讨论、总结规律，代表发言，其他小组补充）
得到黑体辐射实验规律：随温度升高①各种波长的辐射强度都在增加②辐射强度的最大值向短波方向移动。
师补充：温度越高，辐射的电磁波强度越大，而且辐射电磁波的波长也发生变化，这与日常生活经验是一致的！
2、寻求理论解释
师叙述：发现新的实验现象或实验规律，科学家总想试图从理论寻找解释。如何解释黑体辐射的实验规律呢？首先要解释物质是如何辐射电磁波的。物质内部有带电微粒，带电体周围有电场。而由于带电微粒是振动的，所以电场是变化的，变化的电场感应出变化的磁场，如此，变化的电磁场由近及远传播形成电磁波。因此，理论上要从电磁学和热学寻找解释。
（1）维恩公式
1896年，德国物理学家通过理论的分析与推导，得出维恩公式.用图像表示如下。
师：维恩公式与实验数据之间有什么关系呢？
生：短波段维恩公式与实验比较吻合，而长波段两者有明显的偏差!
（2）瑞利公式
1900年，英国物理学家瑞利通过理论推导，得到瑞利公式。用图像表示如上图。师：瑞利公式与实验数据之间有什么关系呢？
生：长波段与实验比较吻合，但是短波段两者有很大的偏差。
师：瑞利公式就像是拆东墙补西墙，虽然解决了温恩公式长波段的问题，但是短波段又出了问题。而且当波长趋向于0时，辐射强度竟然是无穷大，这显然是荒谬的。把这个理论上遇到的难题称为紫外灾难。为什么叫紫外灾难呢？因为短波区落在紫外线波段。
就连英国科学界泰斗开尔文也在一篇演说中也提到“物理学晴朗的天空中，漂浮
着两朵乌云……”期中一朵乌云就是指紫外灾难，另一朵乌云是迈克尔逊——莫雷实验遇到的困境。
科学的发展遇到困难，不一定是坏事，反而可能意味着生机，拨开乌云，就是一片新的天地。随着黑体辐射难题的解决，导致了量子论的诞生；而迈克尔逊——莫雷实验难题的决绝，导致爱因斯坦提出相对论。量子论与相对论都揭开了物理学发展新的篇章！
过渡：现在轮到主角登场了！
四、能量子
1、普朗克公式
师：普朗克手头有两个公式，维恩公式和瑞利公式，但这两个公式要么只能解释长波段，要么只能解释段波段。如何能比较理想的解释各个波段呢？
普朗克在现有两个公式的基础上通过数学办法凑出了一个公式，称为普朗克公式，与实验数据之间有什么关系呢？通过图像表示
生：非常完美！
师：对于一个物理学家，普朗克并不满足这样一个凑出来的公式。公式背后隐藏着什么样的原理呢？普朗克是一个传统的物理学家，他希望在理论内部解决这个问题而不是颠覆这个理论。但是原有物理学理论是无法推导出普朗克公式的。普朗克做了很多次的尝试，经过了激烈的思想斗争，最终不得不承认，微观世界的规律在宏观世界看来是非常奇怪的。他提出了新的理论。
2、能量子假说
微观粒子的能量只能是最小能量值ε的整数倍，带电粒子吸收或辐射能量时，以ε为单位一份一份的。这个最小的能量值称为能量子。
ε=hυ
h为常数，称为普朗克常量。h是物理学中最重要的基本常量之一。为了纪念普朗克的贡献，他的墓志铭就是h=6.626×10-34J·S.
υ是电磁波的频率。
师：为了帮助大家对能量子假说的理解，我举个例子。就像往储蓄罐里存钱，每次最少是一角。一角是货币的最小单元。
到此为止，普朗克提出能量子假说，在这个假说的基础上就能推导出普朗克公式，就能很好的解释黑体辐射的实验规律，因此，普朗克非常成功。
3、观念的冲突
师：普朗克忧郁了！他曾经对儿子说，自己的发现“要么是荒诞无稽的，要么可能是牛顿以来物理学最伟大的发现之一！”因为在人们的思想深处，自然过程总是连续的。甚至连著名的数学家、哲学家莱布尼茨也说过这样的话“自然界不会突变……….间断性同科学格格不入……….”
举例说明连续性：
（1）位移的连续性
从A点运动到B点，必然经过C点！
（2）重力势能的连续性
被举高的物体具有重力势能，随着高度的下降，重力势能连续减小。
4、矛盾但又是统一的
师提问：在一杯开水中放一只温度计，可以看到温度是连续下降的。但是根据能量子假说，能量是一份一份的向外辐射，为什么温度不是一段一段降低呢？（学生思考、讨论，教师引导）
师：不妨定量估算红外线能量子数量级。红外线频率取最大值4×1014HZ，
由ε=hυ，得ε数量级为10-19J
生：（感叹）这个能量太微小了，宏观上无法反应出来！
师：因此，宏观上表现出是连续的，但是在微观上表现出是不连续的.因此，进入一个新的邻域，常常需要建立一种新的思想，新的观念。
五、结束语
（介绍量子论后续的发展及量子力学的建立）
1900年，普朗克提出能量子，破除了能量是连续的思想，揭开了量子论发展的序幕；1905年爱因斯坦受能量子概念的启发，提出光量子概念，成功的解释了光电效应现象；1913年，玻尔将量子化的观点引入到原子结构中，成功的解释了氢原子光谱；1925年，海森堡建立了矩阵力学；1926年薛定谔建立了波动力学（后人把矩阵力学和波动力学统称为量子力学）；1928年狄拉克建立了相对论量子力学。量子力学的建立，使人类对自然界的认识从宏观世界进入微观世界。普朗克也被后人尊称为量子论之父！
【板书设计】：
一、几个概念
1、辐射
2、黑体：只吸收，不反射
3、黑体辐射：只与温度有关
二、实验规律
三、能量子假说
1、辐射与吸收能量是一份一份的
2、ε=hυ
h=6.626×10-34J·S.
υ——频率。