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《能量量子化》教学案例 　　摘 要：文章通过记录和反思作者在《能量量子化》一课的教学过程，探讨了如何用故事学史来组织相关新课教学。 　　关键词：物理学史；量子化；近代物理 　　一、教学过程 　　（引入） 　　教师：十九世纪末，科学家们在研究黑体辐射时发现实验规律与理论不一致，经典物理学理论受到了挑战。为了解决这一问题，普朗克提出了能量量子化假设，揭开了量子物理的序幕。这节课就从黑体辐射说起。 　　（板书黑体与黑体辐射） 　　1.黑体与黑体辐射 　　（1）热辐射：一切物体都会不断向外辐射电磁波，与温度有关。 　　教师：为什么一切物体都在产生电磁波？ 　　学生：因为物体由大量带电微粒组成，并且在不断地热运动，运动的电荷产生变化的电场，产生电磁波。 　　（PPT展示） 　　热辐射的特点： 　　①任何物体，任何温度下都有热辐射。 　　②组成物体的原子处于不同状态，所辐射的电磁波不是单一频率。 　　③温度越高，热辐射中较短波长（频率高）的成分就越高。 　　教师：物体除了自身向外热辐射，还会吸收、反射外界的电磁波。常温下物体自身的热辐射是肉眼看不见的红外线，我们却能看到物体是为什么？ 　　学生：反射外界入射的可见光。 　　教师：对，白光照到物体上，被物体吸收一部分，反射一部分。如果某种物体能吸收入射的所有光不反射，我们看它是什么颜色？ 　　学生：黑色。 　　教师：如果有一种东西，能吸收所有外界射来的光而不反射，我们把它称作黑体。 　　（板书） 　　（2）黑体：能够完全吸收入射的各种电磁波而不发生反射的 　　物体。 　　教师：不透明的材料制成带小孔的空腔，就可近似看作黑体。 　　（ppt展示黑体辐射示意图） 　　教师：研究物体热辐射的规律，首先从黑体辐射的规律开始。 　　（板书） 　　（3）黑体辐射：辐射电磁波的强度按波长的分布仅与黑体温度有关。 　　（ppt展示黑体实验装置示意图） 　　教师：科学家们通过类似的装置，发现了黑体辐射的规律。 　　（ppt展示黑体辐射实验结果曲线图） 　　教师：从图中可以得出怎样的规律？ 　　学生：温度越高辐射的强度越大。 　　教师：一定温度下，黑体辐射各种电磁波，但强度不同，各种频率的电磁波强度呈正态分布；温度越高，各种电磁波强度都增加，且强度最大的电磁波向波长较短方向移动。 　　教师：德国科学家维恩从经典热力学出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来，提出了辐射能量分布定律公式。很快，物理学家对各种固体的热辐射进行了测量，结果很好地验证了维恩公式。 　　然而，维恩却面临着一个基本的难题：他的分子假设使得经典物理学家们十分不舒服。因为辐射是电磁波，而电磁波是一种波动，用经典粒子的方法去分析波动，让人隐隐地感到有些不 　　对劲。 　　果然，维恩的同事很快发现，当把黑体加热到超过1000K的高温时，测到的短波长范围内的曲线符合维恩公式，但在长波方面，实验结果和理论出现了偏差。 　　维恩定律在长波内的失效引起了英国物理学家瑞利和金斯的注意，他们试图修改公式以符合实验结论，最终得出了瑞利―金斯公式。 　　但是，令人难堪的是，瑞利―金斯公式在长波方面虽然符合实验数据，但当波长λ趋于0时，公式显示能量辐射也将趋向无 　　穷大。 　　这个戏剧性的事件无疑是荒谬的，这个推论后来被冠上了一个耸人听闻的称呼，叫做“紫外灾变”。 　　总之，在黑体问题上，如果我们从经典粒子的角度出发去推导，就得到适用于短波的维恩公式。如果从波的角度去推导，就得到适用于长波的瑞利-金斯公式。大家对此伤透了脑筋。 　　（课件展示维恩公式、瑞利-金斯公式，以及“紫外灾难”曲线图） 　　教师：1900年，德国物理学家普朗克决定，不再去做那些根本上的假定和推导，先尝试着凑出一个可以满足所有波段的公 　　式来。 　　于是，普朗克在维恩公式的分母中加上一个“-1”，凑出了一个公式。奇妙的事情发生了，这个改造后的普朗克公式，和实验数据完美地契合了。 　　但是，为什么要有这个“-1”呢？普朗克也不知道。普朗克就像一个提前偷看了考试答案的学生，在试卷上得了满分，却回答不出为什么要这样做。 　　普朗克在久久思考过后，不得不做出这样一个解释： 　　（板书普朗克能量量子化假设） 　　2.普朗克能量量子化假设 　　振动着的带电微粒具有的能量只能是某一最小能量值的整数倍，这一个不可分割的最小能量值叫做能量子。 　　ε=hv，h=6.626×10-34 J?S 　　教师：一直以来，经典物理中能量是连续的，可以无限细分，然而在普朗克能量量子化假设中，能量却成了不可分割的能量子，这确实是从根本上对经典物理的颠覆。能量量子化就像普朗克打开潘多拉的盒子