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《黑体辐射》请听听这样引入量子力学怎么样? 精选

已有 9858 次阅读 2022-5-20 19:08 |个人分类:来学往教|系统分类:教学心得



教师要相信,“在人的内心深处,都有一种根深蒂固的需求,那就是希望自己是一个发现者、研究者和探索者。”(苏霍姆林斯基)

关注学生的学习体验,精心设计以经典教学案例作为发现式教学的主要模式。引导学生将自己放入历史的长河中,设身处地去思考:是否自己也能根据一定的社会需求和实验现象,通过分析和推理得出前人已认识到的规律?课程从强调获取科学知识内容向理解科学过程转变,从强调单纯地积累知识向强调探求知识转变,环环相扣,将物理学史、物理学思想、实际应用、生活观察与课程知识传授相融合,让探究性的学习行为真正发生。

我的课程视频地址:

https://www.bilibili.com/video/BV1kN411f7mE/


1.背景介绍

1900年,在英国皇家学会迎接新世纪的年会上, 著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言。在回顾过去岁月之后, 他充满自信地说: 物理学的大厦已经建成, 未来的物理学家只需要做些修补工作就行了。只是明朗的天空中还有两朵乌云, 一朵与黑体辐射有关, 另一朵与迈克耳孙实验有关。

然而, 事隔不到一年就从第一朵乌云中降生了量子论, 紧接着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”。事情还要从19世纪下半叶说起, 1870年, 在“铁血宰相”俾斯麦的领导下, 德国(普鲁士) 赢得了普法战争, 从法国得到大量战争赔款, 同时迫使法国割让了亚尔萨斯和洛林两个省。当时的德国, 急于从一个以农业为主的“土豆王国”, 变成一个工业化的“钢铁王国”。

2. 问题引入

德国发展钢铁工业万事具备, 就只欠提高冶炼技术这个东风了。炼钢的关键是控制炉温, 数千度的炉温, 任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度, 这就大大促进了对黑体辐射(热辐射)的研究。

3.黑体辐射(热辐射)概念介绍

热力学告诉我们,绝对零度不可能达到,也就是一切物体都有热辐射,热辐射是指与物体温度有关的辐射。

黑体是指在任何条件下,对任何波长的外来辐射完全吸收而无任何反射的物体,即吸收比为1的物体。



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4.黑体辐射的特点及两大经验公式

热辐射以电磁辐射的形式发出能量,温度越高,辐射越强。

吸收最强的,辐射也最强。

问题举例:

1)   同一瓷片的不同温度下黑白颜色不同?

2)   天空星星的颜色和温度的关系?

3)   南极的动物为什么是黑白两色,北极的动物为什么是纯白色的?

猜想:在南极的夏季,艳阳高照的日子比北极多,我们看到那里的鲸是黑的,海豹和海狗的背是黑色系的,企鹅的背是油黑锃亮的。而北极,长年阴云密布,借用黑体辐射理论“黑色吸收热量最强,辐射热量也最强,有阳光的时候暖和,没阳光的时候可能就冷了……”是不是北极的动物长成黑色不划算?因此北极的雷鸟、狐狸、熊和白鲸长成白色算符合适者生存。

一定温度下,黑体的谱辐射亮度存在一个极值,这个极值的位置与温度有关, 这就是维恩位移定律(Wien)。

斯特番—波耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann),绝对温度为T的黑体单位面积在单位时间内向空间各方向辐射出的总能量与温度的4次方成正比。


5.维恩和金斯模型

物理学家以谐振子为基础来构造辐射模型。奇怪的是, 无论怎么努力, 理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。维恩的模型在长波波段偏离较大。瑞利和金斯的模型则在短波波段偏离很大。这就是开尔文勋爵谈的第一朵乌云:黑体辐射困难。

6.普朗克公式和量子假设

普朗克提出了能量量子的概念, 给出了著名的普朗克公式 ,普朗克的论文开创了量子论, 标志着近代物理学的开端。

年青的爱因斯坦发展了普朗克的量子论。他认为, 辐射本质上就是一份份不连续的。不论在原子发射、吸收它们的时候, 还是在传播过程中, 它们都是一份份的。

1918 年,在普朗克 60 岁生日的庆祝会上,爱因斯坦发表了题 为《探索的动机》的著名演讲。他认为,科学工作者大体可以分为三类 :第一类人从事科研是为 了挑战自己的智力;第二类是出于纯粹的功利目的;而第三类则是为了探寻自然界的客观规律。 第三类科学工作者“把世界体系及其构成作为感情生活的支点,以便由此找到他在个人经验的狭小范围内所不能找到的宁静和安定”。在爱因斯坦看来,虽然前两类人中包含很多成果卓著的科学家,但第三类才是科学家队伍中的中坚和灵魂,离开了他们,科学的殿堂就无法存在。爱因斯坦说,普朗克就属于这一类科学家,“这也就是我们之所以爱戴他的原因”。


7. 实际问题的解释

红外测温枪,太阳地球的黑体辐射,绝热过程的成像仪的解释。

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