2019-2020學年高中物理 第17章 1 能量量子化 2 光的粒子性學案 新人教版選修3-5

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1、1　能量量子化 2　光的粒子性 [學習目標]　1.了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射．(重點)2.了解黑體輻射的實驗規(guī)律，了解黑體輻射的強度與波長的關系．(重點)3.知道光電效應中極限頻率的概念及其與光的電磁理論的矛盾.4.知道光子說及其對光電效應的解釋．(重點)5.掌握愛因斯坦光電效應方程并會用它來解決簡單問題．(難點) 一、能量量子化 1．黑體與黑體輻射 (1)熱輻射 我們周圍的一切物體都在輻射電磁波．這種輻射與物體的溫度有關，所以叫做熱輻射．物體熱輻射中隨溫度的升高，輻射的較短波長的電磁波的成分越來越強． (2)黑體 某種物體能夠完全吸收入射的各種

2、波長的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體． (3)黑體輻射的實驗規(guī)律 ①一般材料的物體，輻射電磁波的情況，除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關． ②黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的有關．隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動． (4)維恩和瑞利的理論解釋 ①建立理論的基礎：依據(jù)熱學和電磁學的知識尋求黑體輻射的理論解釋． ②維恩公式：在短波區(qū)與實驗非常接近，在長波區(qū)則與實驗偏離很大． ③瑞利公式：在長波區(qū)與實驗基本一致，但在短波區(qū)與實驗嚴重不符，由理論得出的荒謬結果被稱為“紫外災難”．

3、2．能量子 (1)普朗克的假設 振動著的帶電微粒能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍.即能的輻射或者吸收只能是一份一份的．這個不可再分的最小能量值ε叫做能量子． (2)能量子公式 ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量．h＝6.626×10－34 J·s.(一般取h＝6.63×10－34J·s) (3)能量的量子化 在微觀世界中能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是分立的．這種現(xiàn)象叫能量的量子化． (4)普朗克理論 ①借助于能量子的假說，普朗克得出了黑體輻射的強度按波長分布的公式，與實驗符合之好令人擊掌叫絕． ②普朗克在1900年把能量子列入物理學，正確地破除了“能量

4、連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，成為新物理學思想的基石之一． 二、光電效應現(xiàn)象和規(guī)律 1．光電效應定義 照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象． 2．光電子 光電效應中發(fā)射出來的電子． 3．光電效應的實驗規(guī)律 (1)存在著飽和電流．入射光強度一定，單位時間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子數(shù)一定．入射光越強，飽和電流越大．表明入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多． (2)存在著遏止電壓和截止頻率．遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度．對于一定顏色(頻率)的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的，即光電子的能量只與入射光的頻率有關．當入射光的頻率低于截止頻率時，不論光多么強，光

5、電效應都不會發(fā)生． (3)光電效應具有瞬時性．光電效應幾乎是瞬時的，無論入射光怎么微弱，時間都不超過10－9 s. 4．逸出功 使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功，用W0表示，不同金屬的逸出功不同． 三、愛因斯坦的光子說及光電效應方程 1．光子說 (1)內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，這些能量子稱為光子． (2)光子能量 公式為ε＝hν，其中ν指光的頻率． 2．光電效應方程 (1)對光電效應的說明 在光電效應中，金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，其中一部分用

6、來克服金屬的逸出功W0，另一部分為光電子的初動能Ek. (2)光電效應方程 Ek＝hν－W0. 3．對光電效應規(guī)律的解釋 (1)光電子的最大初動能與入射光頻率有關，與光的強弱無關．只有當hν>W0時，才有光電子逸出． (2)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間． (3)對于同種顏色的光，光較強時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)溫度越高，黑體輻射電磁波的強度越大． (√) (2)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比． (√) (3)金屬表面是否發(fā)生光電效應

7、與入射光的強弱有關． (×) (4)在發(fā)生光電效應的條件下，入射光強度越大，飽和光電流越大． (√) (5)不同的金屬逸出功不同，因此金屬對應的截止頻率也不同． (√) (6)入射光若能使某金屬發(fā)生光電效應，則入射光的強度越大，照射出的光電子越多． (√) 2.(多選)下列敘述正確的是(　　) A．一切物體都在輻射電磁波 B．一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關 C．一般物體輻射電磁波的情況只與材料有關 D．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關 [解析]　根據(jù)熱輻射定義知A對；根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點知一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料種類和表面狀

8、況有關，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關，B、C錯、D對． [答案]　AD 3．(多選)對光電效應的解釋正確的是(　　) A．金屬內(nèi)的每個電子可以吸收一個或一個以上的光子，它積累的動能足夠大時，就能逸出金屬 B．如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服引力要做的最小功，光電子便不能逸出來，即光電效應便不能發(fā)生了 C．發(fā)生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，發(fā)射的光電子的最大初動能就越大 D．由于不同的金屬逸出功是不相同的，因此使不同金屬產(chǎn)生光電效應的入射光的最低頻率也不相同 [解析]　實驗證明，不論入射光的強度多大，只要入射光的頻率小于金屬的極限頻率，就不

9、會發(fā)生光電效應，而光電子的最大初動能與入射光頻率和金屬材料有關，材料不同，逸出功不同，由愛因斯坦光電效應方程hν＝W＋mv可知，光電子的最大初動能也就不同．當vm＝0時，ν0＝，W不同則ν0不同．最大初動能與光強無關． [答案]　BD 黑體輻射、能量子的理解 1．一般物體與黑體的比較 熱輻射特點 吸收、反射特點 一般物體 輻射電磁波的情況與溫度有關，與材料的種類及表面狀況有關 既吸收又反射，其能力與材料的種類及入射波長等因素有關 黑體 輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關 完全吸收各種入射電磁波，不反射 2．黑體輻射的實驗規(guī)律 (1)溫度一定

10、時，黑體輻射強度隨波長的分布有一個極大值． (2)隨著溫度的升高 ①各種波長的輻射強度都有增加； ②輻射強度的極大值向波長較短的方向移動． [特別提醒]　 ①熱輻射不一定要高溫，任何溫度的物體都發(fā)出一定的熱輻射，只是溫度低時輻射弱，溫度高時輻射強； ②黑體是一個理想化的物理模型，實際不存在； ③黑體看上去不一定是黑的，有些可看作黑體的物體由于自身有較強的輻射，看起來還會很明亮． 3．能量子的有關問題 (1)對能量子的理解：物體熱輻射所發(fā)出的電磁波是通過內(nèi)部的帶電諧振子向外輻射的，諧振子的能量是不連續(xù)的，只能是hν的整數(shù)倍． (2)能量子假說的意義：解決了“紫外災難”的問題，

11、破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念． 【例1】　(多選)黑體輻射的實驗規(guī)律如圖所示，由圖可知(　　) A．隨溫度升高，各種波長的輻射強度都增加 B．隨溫度降低，各種波長的輻射強度都增加 C．隨溫度升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動 D．隨溫度降低，輻射強度的極大值向波長較長的方向移動 [解析]　由圖可知，隨溫度升高，各種波長的輻射強度都增加，且輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，當溫度降低時，上述變化都將反過來，故A、C、D正確，B錯誤． [答案]　ACD 1．(多選)關于對熱輻射的認識，下列說法正確的是(　　) A．溫度越高，物體輻射的電磁波越強 B．冷的

12、物體只吸收電磁波 C．輻射強度按波長的分布情況只與物體的溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關 D．常溫下看到的不透明、非發(fā)光物體的顏色是反射光的顏色 [解析]　 一切物體都在不停地向外輻射電磁波，且溫度越高，輻射的電磁波越強，A正確，B錯誤；選項C是黑體輻射的特性，C錯誤；常溫下看到的不透明、非發(fā)光物體的顏色是反射光的顏色，D正確． [答案]　AD 對光電效應現(xiàn)象的理解 1．認識幾個概念 (1)光子與光電子 光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電，光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應的因，光電子是果． (2)光電子的動能與光電子的

13、最大初動能 光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能．光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能． (3)光子的能量與入射光的強度 光子的能量即每個光子的能量，其值為ε＝hν(ν為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定．入射光的強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量，入射光的強度等于單位時間內(nèi)光子能量與入射光子數(shù)的乘積． (4)光電流與飽和光電流 金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產(chǎn)

14、生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關． (5)光的強度與飽和光電流 飽和光電流與入射光強度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應而言的，對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關系． 2．光電效應與經(jīng)典電磁理論的矛盾 (1)矛盾之一：遏止電壓由入射光頻率決定，與光的強弱無關 按照光的經(jīng)典電磁理論，光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓應與光的強弱有關，而實驗表明：遏止電壓由入射光的頻率決定，與光強無關． (2)矛盾之二：存在截止頻率

15、 按照光的經(jīng)典電磁理論，不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可獲得足夠的能量從而逸出表面，不應存在截止頻率．而實驗表明：不同金屬有不同的截止頻率，入射光頻率大于截止頻率時才會發(fā)生光電效應． (3)矛盾之三：具有瞬時性 按照光的經(jīng)典電磁理論，如果光很弱，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量．而實驗表明：無論入射光怎樣微弱，光電效應幾乎是瞬時的． 【例2】　利用光電管研究光電效應實驗如圖所示，用頻率為ν的可見光照射陰極K，電流表中有電流通過，則(　　) A．用紫外線照射，電流表一定有電流通過 B．用紅光照射，電流表一定無電流通過 C．用紅外線照射，電流表一定無電

16、流通過 D．用頻率為ν的可見光照射K，當滑動變阻器的滑動觸頭移到A端時，電流表中一定無電流通過 [解析]　因紫外線的頻率比可見光的頻率高，所以用紫外線照射時，電流表中一定有電流通過，選項A正確．因不知陰極K的截止頻率，所以用紅光或紅外線照射時，也可能發(fā)生光電效應，所以選項B、C錯誤．即使UAK＝0，電流表中也可能有電流通過，所以選項D錯誤． [答案]　A 　在例題2中，若將電路中的電源正負極對調(diào)，其他條件不變．則電路中是否還有電流？若將滑動觸頭左右移動？電流表示數(shù)如何變化？ 【提示】　電路中不一定有電流．若將觸頭向A端移動，則電流可能逐漸增大，向B端移動電流可能逐漸減?。? 關于

17、光電效應的兩點提醒 (1)發(fā)生光電效應時需滿足：照射光的頻率大于金屬的極限頻率，即ν＞νc，或光子的能量ε＞W(wǎng)0. (2)光電子的最大初動能只與照射光的頻率及金屬的逸出功有關，而與照射光的強弱無關，強度大小決定了逸出光電子的數(shù)目多少． 2．(多選)對光電效應的理解正確的是(　　) A．金屬鈉的每個電子可以吸收一個或一個以上的光子，當它積累的動能足夠大時，就能逸出金屬 B．在光電效應中，一個電子只能吸收一個光子 C．如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應 D．發(fā)生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，光電子的最大初動能

18、就越大 [解析]　按照愛因斯坦的光子說，光子的能量由光的頻率決定，與光強無關，入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應時產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大；但要使電子離開金屬，電子必須具有足夠的動能，而電子增加的動能只能來源于照射光的光子能量，且一個電子只能吸收一個光子，不能同時吸收多個光子，所以光子的能量小于某一數(shù)值時便不能產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象；電子從金屬逸出時只有從金屬表面向外逸出的電子克服原子核的引力所做的功最?。C上所述，選項B、C正確． [答案]　BC 對光電效應方程的理解與應用 1．光電效應方程Ek＝hν－W0的理解 (1)式中的Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時剩

19、余動能大小可以是0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值． (2)光電效應方程實質(zhì)上是能量守恒方程： 能量為E＝hν的光子被電子所吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時的動能．如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時動能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0. (3)光電效應方程包含了產(chǎn)生光電效應的條件： 若發(fā)生光電效應，則光電子的最大初動能必須大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν＞W(wǎng)0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是光電效應的截止頻率． (4)Ekm-ν圖線：如圖所示是光電子最大初動能Ekm隨入射光頻率ν的變化圖線．這里，橫軸上

20、的截距是截止頻率或極限頻率；縱軸上的截距是逸出功的負值；斜率為普朗克常量． 2．光電效應規(guī)律中的兩條線索、兩個關系 (1)兩條線索： (2)兩個關系： 光強→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大； 光子頻率高→光子能量大→產(chǎn)生光電子的最大初動能大． 【例3】　在研究光電效應現(xiàn)象時，先后用兩種不同色光照射同一光電管，所得的光電流I與光電管兩端所加電壓U間的關系曲線如圖所示，下列說法正確的是(　　) A．色光乙的頻率小、光強大 B．色光乙的頻率大、光強大 C．若色光乙的強度減為原來的一半，無論電壓多大，色光乙產(chǎn)生的光電流一定比色光甲產(chǎn)生的光電流小 D．若另一光電管所加

21、的正向電壓不變，色光甲能產(chǎn)生光電流，則色光乙一定能產(chǎn)生光電流 [解析]　由題中圖象可得用色光乙照射光電管時遏止電壓大，使其逸出的光電子最大初動能大，所以色光乙的頻率大，光子的能量大．由題中圖象可知，色光甲的飽和光電流大于色光乙的飽和光電流，故色光甲的光強大于色光乙的光強，AB錯誤；如果使色光乙的強度減半，則只是色光乙的飽和光電流減半，在特定的電壓下，色光乙產(chǎn)生的光電流不一定比色光甲產(chǎn)生的光電流小，C錯誤；因色光乙的頻率大于色光甲的，故另一個光電管加一定的正向電壓，如果色光甲能使該光電管產(chǎn)生光電流，則色光乙一定能使該光電管產(chǎn)生光電流，D正確． [答案]　D 3．(多選)現(xiàn)用某一光電管進

22、行光電效應實驗，當用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生．下列說法正確的是(　　) A．保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大 B．入射光的頻率變高，飽和光電流變大 C．入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大 D．保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生 [解析]　產(chǎn)生光電效應時，光的強度越大，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多，飽和光電流越大，說法A正確．飽和光電流大小與入射光的頻率無關，說法B錯誤．光電子的最大初動能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光的強度無關，說法C正確．減小入射光的頻率，如低于極限頻率，則不能發(fā)生光電效應，沒有光電流產(chǎn)生，說法D錯誤

23、． [答案]　AC 4．愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋了光電效應的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學獎．某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關系如圖所示，其中ν0為極限頻率．從圖中可以確定的是(　　) A．逸出功與ν有關 B．Ekm與入射光強度成正比 C．當ν<ν0時，會逸出光電子 D．圖中直線的斜率與普朗克常量有關 [解析]　金屬的逸出功只和金屬的極限頻率有關，與入射光的頻率無關，A錯誤；最大初動能取決于入射光的頻率，而與入射光的強度無關，B錯誤；只有ν>ν0時才會發(fā)生光電效應，C錯誤；由愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0和W0＝hν0(W0為金屬的

24、逸出功)可得，Ek＝hν－h(huán)ν0，可見圖象的斜率表示普朗克常量，D正確． [答案]　D 課 堂 小 結 1.能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體．黑體輻射電磁波的強度只與黑體的溫度有關. 2.能量子：不可再分的最小能量值ε＝hν. 3.照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象，叫光電效應．愛因斯坦光電效應方程：Ek＝hν－W0. 4.光電效應現(xiàn)象和康普頓效應均說明了光具有粒子性. 知 識 脈 絡 1．關于黑體及黑體輻射，下列說法正確的是(　　) A．黑體是真實存在的 B．普朗克引入能量子的概念，得出黑體輻射的強度

25、按波長分布的公式，與實驗符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學的新紀元 C．隨著溫度升高黑體輻射的各波長的強度有些會增強，有些會減弱 D．黑體輻射無任何實驗依據(jù) [解析]　黑體并不是真實存在的，A錯誤；普朗克引入能量子的概念，得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，與實驗符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學的新紀元，故B正確；隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有增加，故C錯誤；黑體輻射是有實驗依據(jù)的，故D錯誤． [答案]　B 2.(多選)光電效應實驗的裝置如圖所示，則下列說法正確的是(　　) A．用紫外線照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) B．用紅色光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) C．鋅

26、板帶的是負電荷 D．使驗電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷 [解析]　鋅板連接驗電器，在紫外光的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出來，鋅板中缺少電子，于是帶正電，則驗電器也帶正電并且指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故AD正確，C錯誤；紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應，B錯誤． [答案]　AD 3．入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應，若入射光的強度減小，而頻率保持不變，那么(　　) A．從光照到金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加 B．逸出的光電子的最大初動能將減小 C．單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)將減少 D．有可能不發(fā)生光電效應 [解析]　發(fā)生光電效應幾乎是瞬間的，所以A錯誤；入射

27、光的頻率不變，則逸出的光電子的最大初動能也就不變，B錯誤；入射光強度減弱，說明單位時間內(nèi)入射光子數(shù)減少，則單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)也減少，C正確；入射光照射到某金屬上發(fā)生光電效應，說明入射光頻率大于這種金屬的極限頻率，即使入射光的強度減小，也一定能發(fā)生光電效應，D錯誤． [答案]　C 4.如圖所示為一真空光電管的應用電路，關于電路中光電流的飽和值，下列說法正確的是(　　) A．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的頻率 B．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的強度 C．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于光電管所加的正向電壓的大小 D．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的光照時間 [解析]　在光電管中若發(fā)生了光電效應，單位時間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目只與入射光的強度有關，光電流的飽和值只與單位時間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目有關，故B正確，ACD錯誤． [答案]　B - 12 -