能量量子化
能量的量子化
能量的量子化
能量的量子化是指能量在某些情况下只能取离散的值，而不能取任意值。
这种现象是由于能量与波长之间存在一个固定的关系，即普朗克
常数h。
根据这个关系，能量E等于普朗克常数h乘以频率f，即
E=h*f。
这个公式表明，当频率f取某些特定值时，能量E只能取相应的离散值。
这些特定的频率被称为共振频率，对应的能量被称为共振能级。
在这些共振能级之间，能量是连续变化的。
例如，在氢原子中，电子围绕原子核运动时会发射或吸收光子。
当电
子从一个较高的能级跃迁到一个较低的能级时，会发射出一定波长的
光子；当电子从一个较低的能级跃迁到一个较高的能级时，则会吸收
一定波长的光子。
这些波长与氢原子中电子所处的不同共振能级有关。
除了氢原子外，其他原子、分子和凝聚态物质也存在着类似于氢原子
中电子跃迁现象。
因此，在研究这些物质的能级结构、光谱等方面，
能量的量子化是一个非常重要的概念。
总之，能量的量子化是指在某些情况下，能量只能取离散的值，而不
能取任意值。
这种现象是由于能量与波长之间存在一个固定的关系，
即普朗克常数h。
在氢原子和其他物质中，能量的量子化对于研究其能级结构、光谱等方面具有重要意义。
能量量子化
黑体和黑体辐射
绝对黑体在生活中
并不存在，它是一
黑体：如果某种物体能够种完理全想吸模型收。入射的
各种波长的电磁波而不发生反射，这种物
体就是绝对黑体，简称黑体。
黑体和黑体辐射
为什么要研究黑体辐射而不研 究其他物体的辐射呢？
对于一般材料的物体，辐射电磁波 的情况除与温度有关外，还与 材料的种类及表面状况有关，而黑体 辐射电磁波的强度按波长的分布只与 黑体的 温度 有关，因而反映了某种 具有普遍意义的客观规律。
这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。
ε=hν
ν是 电磁波的频率 ，h称之为 普朗克常量。 h= 6.626×10-34J·s 。
能量量子化和能量子
一辆小汽车，我们假设它以某一速度运动时 的动能为Ek，当它的速度再大一点，它的能 量可以是1.2Ek或者1.22Ek,，我们说汽车的 能量值是连续的。而普朗克认为微观粒子的 能量是一份一份的，是量子化的。
课标要求
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。
学习目标
•了解黑体辐射，感悟以实验为基础的科学探究方法。 •通过观察热辐射的强度和波长的分布关系，培养学生
观察能力。 •了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学
突破过程中科学的思想，并感受科学探究过程的艰辛 以及科学家们不屈的探索精神。 •了解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。
温度越高，辐射强度的极大值越 大；辐射强度的极大值随温度的 升高向波长较短的方向移动。
黑体和黑体辐射
什么原因造成的这一现象呢？ 经典物理学还能成功解释这一 现象吗？
高二物理知识点能量量子化
高二物理知识点能量量子化能量量子化是高二物理学习中的一个重要知识点，它是基于量子力学原理而提出的。
量子力学是20世纪初发展起来的一门新的物理学分支，它在解释微观粒子行为方面具有重要作用。
而能量量子化则是基于量子力学的基本原理，揭示了微观世界的能量存在离散化的现象。
一、能量量子化的概念在我们日常生活中，我们总是认为能量是连续变化的，但是在微观尺度下，事实却是不同的。
据量子力学的理论，能量是以离散的方式存在的，即能量量子化的现象。
这就意味着，微观粒子的能量只能取离散的特定数值。
二、能量量子化的原理能量量子化的原理可以归结为以下几个方面：1.普朗克公式普朗克公式是描述能量量子化的重要公式之一。
根据普朗克公式，能量（E）和频率（ν）之间存在着一个常数h的关系，即E=hν。
其中，h被称为普朗克常数，它的数值为6.62607015×10^-34 J·s。
2.能级量子力学认为，原子中的电子存在于不同的能级上。
每个能级有其特定的能量，而且这些能级之间存在着能量差。
当电子跃迁时，能量的变化是以一个量子化的单位进行的。
3.量子态量子态是描述微观粒子的状态的概念。
在量子力学中，微观粒子的状态是用波函数（Ψ）来表示的。
波函数可以用来描述微观粒子的位置、动量等物理量。
三、能量量子化的意义与应用能量量子化的发现对物理学的发展产生了深远的影响，并且在科学研究和技术应用中起到了重要的作用。
以下是其意义和应用的几个方面：1.解释原子光谱能量量子化可以很好地解释原子光谱的现象。
原子在受激发状态下会发射或吸收特定的光子，这与能量量子化的离散性质密切相关。
通过研究和分析原子光谱，科学家们能够了解原子的能级结构，从而对物质的组成和性质有更深入的认识。
2.推动量子通信技术的研究能量量子化的原理为量子通信技术的研究和应用提供了基础。
量子通信技术是一种基于量子力学原理的通信方式，可以实现安全传输和加密。
利用能量量子化的特性，科学家们可以构建出高效、高安全性的量子通信系统。
能量量子化课件
(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而 有所不同．
用实验来观察热辐射现象，可以发现热辐射的光谱是连续 光谱，并且辐射光谱的性质与温度有关．在室温下，大多数物 体辐射不可见的红外线，但当物体被加热到500℃左右时，开 始发出暗红色的可见光．随着温度的不断上升，辉光逐渐亮起 来，而且波长较短的辐射越来越多．大约在1 500℃时就变成 明亮的白炽光．这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量， 在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高光谱中能量
(3)一般物体的热辐射和黑体辐射及其吸收、反射的特点
热辐射特点
吸收、反射特点
辐射电磁波的情况与温 既吸收、又反射．其
一般
度有关，与材料的种类 他能力与材料种类及
物体
及表面状态有关
入射波长等因素有关
辐射电磁波的强度按波 完全吸收各种入射电
黑体 长分布只与黑体的温度 磁波，不反射
有关
二、能量量子化 1．普朗克的量子化假设 (1)能量子 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数 倍．例如可能是ε、2ε或3ε……当带电微粒辐射和吸收能量 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， 这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子．
黑体辐射的实验规律ຫໍສະໝຸດ 19世纪末，物理学家从实验和理论两个方面研究了各种温 度下的黑体辐射，测量了它们的黑体辐射强度按波长分布的情 况，得出了如图所示的实验曲线．
每一条曲线都有一个极大值，随着温度的升高，黑体的辐 射强度迅速增大，并且辐射强度的极大值向波长较短的方向移 动．
(2)黑体辐射实验规律的解释． ①维恩公式解释：1896年德国物理学家维恩(W.Wien)从热 力学理论出发，得到一个公式，但它只是在短波部分与实验相 符，而长波部分与实验存在明显的差异． ②瑞利公式解释：1900年，英国物理学家瑞利(L.Ray Leigh)从经典电磁理论出发推导出一个公式，其预测结果在长 波部分与实验吻合，在短波部分偏差较大，尤其在紫外线一 端，当波长趋于0时，辐射本领将趋于无穷大，这种情况被人 们称为“紫外灾难”．
能量量子化
三、黑体辐射的实验规律
1）测量黑体辐射的实验原理图：
T
T
空腔
平行光管
三棱镜
实验结果
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。
特点：随温度的升高
①各种波长的辐射强度都 在增加；
②绝对黑体的温度升高时， 辐射强度的最大值向短 波方向移动。
经典物理学所遇到的困难 解释实验曲线 ── 一朵令人不安的乌云
A．一切物体都在辐射电磁波
B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有 关
C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布 只与黑体温度有关
D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的 电磁波
【例题2】 对应于3.4×l0 ─19 J 的能量子，其电磁辐射 的频率和波长各是多少？
c
解：根据公式 ε = hν 和 ν = 得
第十七章 波粒二象性 第一节 能量量子化
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，
物理学家开尔文勋爵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
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……”
-0.54 -0.85
h = 6.62610 ─34 J·s — 普朗克常量 能
-3.4
5. 宏观能量：连续的
量
-13.6
宏观 微观
微观能量：不连续、分立、量子化的
谁拨开了第二朵乌云，开创了物理新纪元
普
爱
朗
因
克
物理学的新纪元：能量量子化
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能量量子化
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能量量子化的概念
能量量子化的表现 形式
能量量子化的应用
能量量子化的未来 展望
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能量量子化的概念
能量量子化是指能量不是连续变化的而是以最小单位进行跳跃。 这个最小单位被称为“量子”是物理学中最基本的能量单位。
能量量子化的概念最早由普朗克提出后来被爱因斯坦、玻尔等科学家进一步发展。
能量量子化的未来 展望
量子计算将在人工智能、生物 医药、材料科学等领域发挥重 要作用
量子计算技术将极大地提高计 算速度解决传统计算机无法解 决的复杂问题
量子计算将推动量子通信、量 子加密等技术的发展提高信息
安全性
量子计算将促进量子物理、量 子信息等领域的科学研究推动
科技进步
量子密钥分发：实现绝对安全的通信
量子计算机的应用领域：密码学、 材料科学、人工智能等
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量子计算机的发展历程：从理论提 出到实验验证再到实际应用
量子计算机的发展前景：有望解决 传统计算机无法解决的复杂问题推 动科技进步
量子密钥分发：实现安全的密钥传输 量子隐形传态：实现信息的远距离传输 量子计算：解决传统计算机难以解决的问题 量子加密：保护信息安全防止信息泄露
能量量子化的应用
量子计算机：利用 量子比特进行计算 具有强大的计算能 力
量子通信：利用量 子纠缠进行信息传 输具有极高的安全 性
量子加密：利用量 子密钥分发进行加 密具有极高的安全 性
量子传感：利用量 子效应进行高精度 测量具有极高的灵 敏度
量子计算机的概念：基于量子力学 原理利用量子比特进行计算的计算 机
人教版高中物理《能量量子化》优秀PPT课件
由于分子热运动导致物体辐射电磁波 加热一物体 物体的温度恒定时
这时得到的辐射称为平衡热辐射 人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？
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。 Thomson发现了电子 ，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应 叫做光电效应。 任何物体任何温度均存在热辐射 热辐射 --- 热能转化为电磁能的过程 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, . 炽热物体发出的是可见光 他的墓碑上只刻着他的姓名和 这时得到的辐射称为平衡热辐射 固体在温度升高时颜色的变化
0123456 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 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。
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。
M(T)2cπ2heh/k3T1
h6.5 5 1 0 3J 4s
M.Planck 德国人 1858－1947
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。
能量量子化
是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。
(2)黑体是一个理想化的物理模型，实际
不存在。(3)黑体看上去不是一定是黑的
，只有当自身辐射的可见光非常微弱时
看上去才是黑的；有些可看作黑体的物
我们看教室里看起来很暗，实际上里 体由于有较强的辐射，看起来还会很明
面是明亮的。因为它反射的光进不到我们 亮，例如：炼钢炉口上的小孔。一些发
的眼睛，相当于被教室“消化”了。
光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被看
作黑体来处理。
4、黑体辐射： 辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。
在空腔壁上开一个很小的孔，射入的电磁波在空腔内表面会发生多次 反射和吸收，最终不能从空腔射出。
实验表明，对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外 ，还与材料的种类及表面状况有关。
D．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面 经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体
解题指导：黑体完全吸收电磁波而不反射，同时其本身也辐射电磁波； 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与其他因素无关。 解析：黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，A错误；黑体辐射电磁波的 强度按波长的分布只与黑体的温度有关，B错误，C正确；小孔只吸收电 磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而不是空腔，D错误。
黑体辐射实验
迈克尔逊-莫雷实验
量子力学的诞生
相对论问世
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命性的风暴，乌 云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。
Байду номын сангаас
思考与讨论 (1)在火炉旁边有什么感觉？ （2）投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会又是什么颜色？
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17．1 能量量子化
高二物理组韦瑜教材分析、学情分析
本节由黑体和黑体辐射、黑体辐射的实验规律和能量子三部分内容组成。
对黑体辐射的研究及由此引发的“紫外灾难”是19世纪初物理学天空中的“第三朵乌云”，然而正是在拨开“第二朵乌云”的过程中，物理学终于迎来了量子物理的曙光。
本节的重点是对黑体辐射能量在不同温度下与波长关系的研究，难点是如何让学生理解能量量子化假说。
对这部分内容，教材是按物理学史的发展展开的，目的是使学生能从前辈大师的工作中体会科学探究的真实过程。
教学目标
（一）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
（二）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。
（三）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。
教学重点
能量子的概念
教学难点
黑体辐射的实验规律
教学方法
教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：
投影片，多媒体辅助教学设备
课时安排
1 课时
教学过程
（一）引入新课
教师：介绍能量量子化发现的背景：（多媒体投影，见课件。
）
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
教师：在了解什么是黑体与黑体辐射之前，请同学们先阅读教材，了解一下什么是热辐射。
学生：阅读教材关于热辐射的描述。
教师：通过课件展示，加深学生对热辐射的理解。
并通过课件展示，使学生进一步了解热辐射的特点，为黑体概念的提出准备知识。
（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。
所辐射电磁波的特征与温度有关。
例如：铁块 温度↑
从看不出发光到暗红到橙色到黄白色
从能量转化的角度来认识，是热能转化为电磁能的过程。
（2）黑体
教师：除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电
磁波。
不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。
概念：能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为
绝对黑体，简称黑体。
教师：课件展示黑体模型。
不透明的材料制成带小孔的的空腔，可近似看作黑体。
如图所示。
研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。
2．黑体辐射的实验规律
教师：引导学生阅读教材“黑体辐射的实验规律”，接合课件展示，讲解黑体辐射的实验规律。
如图所示。
黑体热辐射的强度与波长的关系：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
教师：提出问题，设置疑问。
怎样解释黑体辐射的实验规律呢？
在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。
德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。
结果导致理论与实验规律不符，甚至得出了非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难”。
课件展示：瑞利--金斯线。
见课件。
黑体模型 0 1 2 3 4 5 (μm) 1700K 1500K λ 1300K
1100K ),(0T e 实验结果
3．能量子：超越牛顿的发现
教师：利用已有的理论解释黑体辐射的规律，导致了荒谬的结果。
必然会促使人们去发现新的理论。
这就是能量子概念。
1900年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：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，... n ε，n 为正整数，称为量子数。
对于频率为ν的谐振子最小能量为
这个最小能量值，就叫做能量子
课件展示：普朗克的能量子假说和黑体辐射公式
（1）黑体辐射公式1900.10.19 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年普朗克荣获了诺贝尔物理学奖。
他的墓碑上只刻着他的姓名和 黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。
使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？
没有。
物理难题：1888年，霍瓦(Hallwachs)发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。
近10年以后，1897年，汤姆孙发现了电子 ，此时，人们认识到那ν
εh =1
π2)(/3
2-=kT h e c h T M νννs
J 1055.634⋅⨯=-h 秒
焦⋅⨯=-3410626.6h
就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。
人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？明天，我们就继续学习“科学的转折：光的粒子性”
（三）课堂小结
教师活动：让学生概括总结本节的内容。
请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。
学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。
点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。
教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。
（四）作业：“问题与练习”1、2、3题。