2019-2020年高中物理 2.3 光譜 氫原子光譜教案 教科版選修3-5.doc
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2019-2020年高中物理 2.3 光譜 氫原子光譜教案 教科版選修3-5 三維教學目標 1、知識與技能 （1）了解光譜的定義和分類； （2）了解氫原子光譜的實驗規(guī)律，知道巴耳末系； （3）了解經典原子理論的困難。 2、過程與方法：通過本節(jié)的學習，感受科學發(fā)展與進步的坎坷。 3、情感、態(tài)度與價值觀：培養(yǎng)我們探究科學、認識科學的能力，提高自主學習的意識。 教學重點：氫原子光譜的實驗規(guī)律。 教學難點：經典理論的困難。 教學方法：教師啟發(fā)、引導，學生討論、交流。 教學用具：投影片，多媒體輔助教學設備。 （一）引入新課 粒子散射實驗使人們認識到原子具有核式結構，但電子在核外如何運動呢？它的能量怎樣變化呢？通過這節(jié)課的學習我們就來進一步了解有關的實驗事實。 （二）進行新課 1、光譜（結合課件展示） 早在17世紀，牛頓就發(fā)現(xiàn)了日光通過三棱鏡后的色散現(xiàn)象，并把實驗中得到的彩色光帶叫做光譜。（如圖所示） 光譜是電磁輻射（不論是在可見光區(qū)域還是在不可見光區(qū)域）的波長成分和強度分布的記錄。有時只是波長成分的記錄。 （1）發(fā)射光譜 物體發(fā)光直接產生的光譜叫做發(fā)射光譜。 發(fā)射光譜可分為兩類：連續(xù)光譜和明線光譜。 問題：什么是連續(xù)光譜和明線光譜？（連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫譜線，各條譜線對應不同波長的光） 熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如白熾燈絲發(fā)出的光、燭焰、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。如圖所示。 稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子的光譜。實踐證明，原子不同，發(fā)射的明線光譜也不同，每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長的光，因此明線光譜的譜線也叫原子的特征譜線。如圖所示。 （2）吸收光譜 高溫物體發(fā)出的白光（其中包含連續(xù)分布的一切波長的光）通過物質時，某些波長的光被物質吸收后產生的光譜，叫做吸收光譜。各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對應。這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時發(fā)出的光。因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特征譜線。太陽的光譜是吸收光譜。如圖所示。 課件展示：氫、鈉的光譜、太陽光譜： 投影各種光譜的特點及成因知識結構圖： （3）光譜分析 由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據光譜來鑒別物質和確定的化學組成。這種方法叫做光譜分析。原子光譜的不連續(xù)性反映出原子結構的不連續(xù)性，所以光譜分析也可以用于探索原子的結構。 2、氫原子光譜的實驗規(guī)律 氫原子是最簡單的原子，其光譜也最簡單。（課件展示） 4、玻爾理論對氫光譜的解釋 （1）基態(tài)和激發(fā)態(tài) 基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運動，這種定態(tài)，叫基態(tài)。 激發(fā)態(tài)：原子處于較高能級時，電子在離核較遠的軌道上運動，這種定態(tài)，叫激發(fā)態(tài)。 （2）原子發(fā)光：原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過程是吸收能量的過程。原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個能量以光子的形式輻射出去，吸收或輻射的能量恰等于發(fā)生躍遷的兩能級之差。 說明：氫原子中只有一個核外電子，這個電子在某個時刻只能在某個可能軌道上，或者說在某個時間內，由某軌道躍遷到另一軌道——可能情況只有一種?？墒牵ǔＨ萜魇⒂械臍錃?，總是千千萬萬個原子在一起，這些原子核外電子躍遷時，就會有各種情況出現(xiàn)了。但是這些躍遷不外乎是能級圖中表示出來的那些情況。 （1）夫蘭克—赫茲實驗的歷史背景及意義 1911年，盧瑟福根據α粒子散射實驗，提出了原子核式結構模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說運用到原子核式結構模型，建立了與經典理論相違背的兩個重要概念：原子定態(tài)能級和能級躍遷概念。電子在能級之間躍遷時伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差。隨著英國物理學家埃萬斯對光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨立的實驗方法的驗證。隨后，在1914年，德國科學家夫蘭克和他的助手赫茲采用電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法（與光譜研究相獨立），簡單而巧妙地直接證實了原子能級的存在，從而為玻爾原子理論提供了有力的證據。 1925年，由于他二人的卓越貢獻，他們獲得了當年的諾貝爾物理學獎（1926年于德國洛丁根補發(fā)）。夫蘭克-赫茲實驗至今仍是探索原子內部結構的主要手段之一。所以，在近代物理實驗中，仍把它作為傳統(tǒng)的經典實驗。 （2）夫蘭克—赫茲實驗的理論基礎 根據玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一種狀態(tài)相應于一定的能量值En（n=1，2，3‥），這些能量值稱為能級。最低能級所對應的狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級所對應的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。 當原子從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時就會吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差。 （h為普朗克恒量） 本實驗中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實現(xiàn)，并滿足能量選擇定則： （V為激發(fā)電位） 夫蘭克-赫茲實驗玻璃容器充以需測量的氣體，本實驗用的是汞。電子由陰級K發(fā)出，K與柵極G之間有加速電場，G與接收極A之間有減速電場。當電子在KG空間經過加速、碰撞后，進入KG空間時，能量足以沖過減速電場，就成為電流計的電流。 （3）實驗原理 改進的夫蘭克-赫茲管的基本結構如下圖所示。電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間可設置減速電壓VG2A。 設汞原子的基態(tài)能量為E0，第一激發(fā)態(tài)的能量為E1，初速為零的電子在電位差為V的加速電場作用下，獲得能量為eV，具有這種能量的電子與汞原子發(fā)生碰撞，當電子能量eV
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