高二物理選修3-5第十五章波粒二象性 能量量子化課件

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1、19世紀(jì)末頁，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得世紀(jì)末頁，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說，在了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。另外還方程。另外還找到了力、電、光、聲找到了力、電、光、聲-等都遵循的規(guī)律等都遵循的規(guī)律-能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認(rèn)為物理沉醉于這些成績和勝利之中。他們認(rèn)為

2、物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。材料鑒賞材料鑒賞:于是于是1900年英國物理學(xué)家開爾文在瞻望年英國物理學(xué)家開爾文在瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說到：世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說到： “在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。就行了。” -開爾文開爾文-也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)只要把做過的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！后面在加幾位罷了！ 但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)

3、實(shí)和有眼力的科學(xué)家，但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：就在上面提到的文章中他還講到： “但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，安的烏云，-”這兩朵烏云是指什么呢？這兩朵烏云是指什么呢？熱輻射實(shí)驗(yàn)熱輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花?；?。普朗克量子力學(xué)的誕生普朗克量子力學(xué)的誕生相對論問世相對論問世這兩朵烏云到底是什

4、么回事呢？這兩朵烏云到底是什么回事呢？經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)量子力學(xué)相對論相對論微觀領(lǐng)域微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域高速領(lǐng)域 第第1 1節(jié)節(jié) 能量量子化能量量子化: :物理學(xué)的新紀(jì)元物理學(xué)的新紀(jì)元思考與討論思考與討論1:在火爐旁邊有什么感覺在火爐旁邊有什么感覺?投在爐中的鐵塊開始是什么顏色投在爐中的鐵塊開始是什么顏色?過一會(huì)有是什么顏過一會(huì)有是什么顏色色?任何溫度下，宏觀物體都要向外輻射電磁波。電磁波任何溫度下，宏觀物體都要向外輻射電磁波。電磁波能量的多少，以及電磁波按波長的分布都與溫度有關(guān)，能量的多少，以及電磁波按波長的分布都與溫度有關(guān)，故稱為故稱為熱輻射熱輻射。室溫時(shí)室溫時(shí) 波長較長的電磁波波長較長

5、的電磁波高溫高溫 波長較短的電磁波波長較短的電磁波熱輻射的主要成分熱輻射的主要成分:無論是高溫物體還是低溫物體，都有熱輻射，所無論是高溫物體還是低溫物體，都有熱輻射，所輻射的能量及其按波長的分布都隨溫度而變化。輻射的能量及其按波長的分布都隨溫度而變化。一、熱輻射一、熱輻射熱輻射解釋：熱輻射解釋：大量帶電粒子的無規(guī)則熱大量帶電粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的。物體中每個(gè)分子、原子或運(yùn)動(dòng)引起的。物體中每個(gè)分子、原子或離子都在各自平衡位置附近以各種不同離子都在各自平衡位置附近以各種不同頻率作無規(guī)則的微振動(dòng)，每個(gè)帶電微粒頻率作無規(guī)則的微振動(dòng)，每個(gè)帶電微粒的振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生變化的電磁場，從而向的振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生變化的電

6、磁場，從而向外輻射各種波長的電磁波，形成連續(xù)的外輻射各種波長的電磁波，形成連續(xù)的電磁波譜。電磁波譜。熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：向外發(fā)射的電磁波能量向外發(fā)射的電磁波能量=從外界吸收的能量從外界吸收的能量 思考與討論思考與討論2：一座建設(shè)中的樓房還沒安裝窗子，盡一座建設(shè)中的樓房還沒安裝窗子，盡管室內(nèi)已經(jīng)粉刷，如果從遠(yuǎn)處看，把窗內(nèi)的亮度與管室內(nèi)已經(jīng)粉刷，如果從遠(yuǎn)處看，把窗內(nèi)的亮度與樓房外墻的亮度相比，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？為什么？樓房外墻的亮度相比，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？為什么？二、黑體與黑體輻射二、黑體與黑體輻射定義：如果一個(gè)物體在任何溫度下，對任何波長定義：如果一個(gè)物體在任何溫度下，對任何波長的電磁波都完全吸收，

7、而不反射與透射，則稱這種的電磁波都完全吸收，而不反射與透射，則稱這種物體為絕對黑體，簡稱黑體。物體為絕對黑體，簡稱黑體。用不透明材料制成一空心容器，用不透明材料制成一空心容器，壁上開一小孔壁上開一小孔，可看成可看成絕對黑絕對黑體體說明：說明：黑體是個(gè)理想化的模型。黑體是個(gè)理想化的模型。 例：開孔的空腔，遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。例：開孔的空腔，遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。 對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1）測量黑體輻射的實(shí)驗(yàn)原理圖：）測量黑體輻射的實(shí)驗(yàn)原理圖：2）輻射強(qiáng)度：）輻射強(qiáng)度： 單位時(shí)間

8、內(nèi)從物體單位面積上所發(fā)射的各種波長的單位時(shí)間內(nèi)從物體單位面積上所發(fā)射的各種波長的總輻射能，稱為輻射強(qiáng)度。總輻射能，稱為輻射強(qiáng)度。40)(TTM）開（米瓦428/1067. 5斯特藩斯特藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律),(0TM1700k1500k1300k實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨溫度的升高實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨溫度的升高各種波長的輻射強(qiáng)度都在增加；各種波長的輻射強(qiáng)度都在增加；當(dāng)絕對黑體的溫度升高時(shí)，輻射強(qiáng)度的最大值向短波當(dāng)絕對黑體的溫度升高時(shí)，輻射強(qiáng)度的最大值向短波方向移動(dòng)。方向移動(dòng)。3)維恩位移定律維恩位移定律bTm開米310897. 2b4) 經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難解釋實(shí)驗(yàn)曲線解釋實(shí)驗(yàn)曲線1）

9、維恩的半經(jīng)驗(yàn)公式：）維恩的半經(jīng)驗(yàn)公式：Tc5102ec)T(M公式適合于短波波段，公式適合于短波波段，長波波段與實(shí)驗(yàn)偏離。長波波段與實(shí)驗(yàn)偏離。 402ckTTM公式只適用于長波段公式只適用于長波段, , 而在紫外區(qū)與實(shí)驗(yàn)不符而在紫外區(qū)與實(shí)驗(yàn)不符, , -紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難2）瑞利）瑞利-金斯公式金斯公式玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù) k =1.380658 10-23J/K),(0TM實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)瑞利瑞利-瓊斯線瓊斯線維恩線維恩線T=1646k112),(520TkhcehcTM),(0TM實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)瑞利瑞利-瓊斯線瓊斯線維恩線維恩線T=1646k普朗克線普朗克線普朗克的擬合結(jié)果普朗克的擬合結(jié)果四、能量子：

10、超越牛頓的發(fā)現(xiàn)四、能量子：超越牛頓的發(fā)現(xiàn) 普朗克能量子假說普朗克能量子假說*輻射物體中包含大量振動(dòng)著的帶電微粒，它們的能輻射物體中包含大量振動(dòng)著的帶電微粒，它們的能量是某一最小能量的整數(shù)倍量是某一最小能量的整數(shù)倍 E=n n=1,2,叫能量子，簡稱量子，叫能量子，簡稱量子，n為量子數(shù)，它只取正整數(shù)為量子數(shù)，它只取正整數(shù)能量能量量子化量子化 * 振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量 h=6.626 10-34焦耳焦耳。-普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) 四、能量子：超越牛頓的發(fā)現(xiàn)四、能量子：超越牛頓的發(fā)現(xiàn)*對于頻率為對于頻率為 的諧振子，最小能量為：的諧振

11、子，最小能量為： =h 意義：意義： Planck拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化、拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點(diǎn)，物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點(diǎn)，提出了提出了能量子、物體輻射或吸收能量只能一份能量子、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進(jìn)行的新觀點(diǎn)。一份地按不連續(xù)的方式進(jìn)行的新觀點(diǎn)。這不僅這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對自然規(guī)律的認(rèn)識學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對自然規(guī)律的認(rèn)識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。的誕生奠定了基礎(chǔ)。