(新課標)2018-2019學(xué)年高考物理 主題三 原子與原子核 3.1 波粒二象性 3.1.1-3.1.2 能量量子化 光的粒子性學(xué)案 新人教版選修3-5.doc
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3.1 波粒二象性 3.1.1 能量量子化 3.1.2 光的粒子性 學(xué)習(xí)目標 核心提煉 1.了解黑體輻射及能量子概念,知道黑體輻射的實驗規(guī)律。 2.了解光電效應(yīng)及其實驗規(guī)律,感受以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)研究方法。 3.知道光電效應(yīng)方程及其意義,感受科學(xué)家在面對科學(xué)疑難時的創(chuàng)新精神。 4.了解康普頓效應(yīng)及其意義。 2個概念——黑體輻射 能量子 2個實驗規(guī)律——黑體輻射 光電效應(yīng) 一、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(guān)。 2.黑體:指能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體。 3.一般材料物體的輻射規(guī)律:輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀況有關(guān)。 4.黑體輻射的實驗規(guī)律: 圖1 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(guān),如圖1所示。 (1)隨著溫度的升高,各種波長的輻射強度都增加。 (2)隨著溫度的升高,輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。 思考判斷 (1)只有高溫物體才能輻射電磁波。( ) (2)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體。( ) (3)溫度越高,黑體輻射電磁波的強度越大。( ) 答案 (1) (2)√ (3)√ 二、能量子 1.定義:普朗克認為,振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍,當帶電微粒輻射或吸收能量時,也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的,這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 2.能量子大小:ε=hν,其中ν是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。h=6.62610-34 Js(一般取h=6.6310-34 Js)。 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。 思考判斷 (1)微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍。( ) (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。( ) 答案 (1)√ (2)√ 三、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 1.光電效應(yīng):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(yīng)中發(fā)射出來的電子。 3.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 (1)存在著飽和光電流:在光的顏色不變的情況下,入射光越強,飽和電流越大。這表明對于一定顏色的光,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:光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān),而與入射光的強弱無關(guān)。當入射光的頻率低于截止頻率時不能發(fā)生光電效應(yīng)。 (3)光電效應(yīng)具有瞬時性:光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的,從光照射到產(chǎn)生光電流的時間不超過10-9 s。 4.逸出功:使電子脫離某種金屬所做功的最小值。 不同金屬的逸出功B(A.相同 B.不同)。 思考判斷 (1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。( ) (2)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強弱有關(guān)。( ) (3)入射光照射到金屬表面上時,光電子幾乎是瞬時發(fā)射的。( ) 答案 (1) (2) (3)√ 四、愛因斯坦的光子說與光電效應(yīng)方程 1.光子說: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,這些能量子被稱為光子。 2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 (1)表達式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。 (2)物理意義:金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是hν,這些能量一部分用于克服金屬的逸出功W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek。 思考判斷 (1)“光子”就是“光電子”的簡稱。( ) (2)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比。( ) (3)入射光若能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng),則入射光的強度越大,照射出的光電子越多。( ) 答案 (1) (2) (3)√ 五、康普頓效應(yīng)和光子的動量 1.光的散射:光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫作光的散射。 2.康普頓效應(yīng):美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時,發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中,除了與入射波長λ0相同的成分外,還有波長大于λ0的成分,這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。 3.康普頓效應(yīng)的意義:康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外,還具有動量,深入揭示了光的粒子性的一面。 4.光子的動量 (1)表達式:p=。 (2)說明:在康普頓效應(yīng)中,入射光子與晶體中電子碰撞時,把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子,光子的動量變小。因此,有些光子散射后波長變大。 思考判斷 (1)光子的動量與波長成反比。( ) (2)光子發(fā)生散射時,其動量大小發(fā)生變化,但光子的頻率不發(fā)生變化。( ) (3)光子發(fā)生散射后,其波長變大。( ) 答案 (1)√ (2) (3)√ 黑體輻射的規(guī)律 [要點歸納] 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、材料的種類及表面狀況有關(guān) 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(guān) 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(guān) 完全吸收各種入射電磁波,不反射 2.隨著溫度的升高,黑體輻射的各種波長的輻射強度都有增加,且輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。 [精典示例] [例1] (多選)黑體輻射的實驗規(guī)律如圖2所示,由圖可知( ) 圖2 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 由題圖可知,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。 答案 ACD [針對訓(xùn)練1] 關(guān)于對黑體的認識,下列說法正確的是( ) A.黑體只吸收電磁波,不反射電磁波,看上去是黑的 B.黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀況有關(guān) C.黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關(guān),與材料的種類及表面狀況無關(guān) D.如果在一個空腔壁上開一個很小的孔,射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收,最終不能從小孔射出,這個空腔就成了一個黑體 答案 C 能量子的理解和計算 [要點歸納] 1.物體在發(fā)射或接收能量的時候,只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過渡到另一狀態(tài),而不可能停留在不符合這些能量的任何一個中間狀態(tài)。 2.在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運動時我們可以認為:物體的運動是連續(xù)的,能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化;在研究微觀粒子時必須考慮能量量子化。 3.能量子的能量ε=hν,,其中h是普朗克常量,ν是電磁波的頻率。 [精典示例] [例2] 人眼對綠光較為敏感,正常人的眼睛接收到波長為530 nm的綠光時,只要每秒鐘有6個綠光的光子射入瞳孔,眼睛就能察覺。普朗克常量為6.6310-34 Js,光速為3.0108 m/s,則人眼能察覺到綠光時所接收到的最小功率是( ) A.2.310-18 W B.3.810-19 W C.7.010-10 W D.1.210-18 W 解析 因只要每秒有6個綠光的光子射入瞳孔,眼睛就能察覺。所以察覺到綠光所接收的最小功率P=,式中E=6ε,又ε=hν=h,可解得P= W≈2.310-18 W。 答案 A [針對訓(xùn)練2] (多選)對于帶電微粒的輻射和吸收能量時的特點,以下說法正確的是( ) A.以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸收 B.輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍 C.吸收的能量可以是連續(xù)的 D.輻射和吸收的能量是量子化的 解析 帶電微粒輻射或吸收能量時是以最小能量值——能量子ε的整數(shù)倍或一份一份地輻射或吸收的,是不連續(xù)的。故選項A、B、D正確,C錯誤。 答案 ABD 光電效應(yīng)現(xiàn)象及其實驗規(guī)律 [要點歸納] 1.光電效應(yīng)的實質(zhì):光現(xiàn)象電現(xiàn)象。 2.光電效應(yīng)中的光包括不可見光和可見光。 3.光電子:光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子,其本質(zhì)還是電子。 4.能不能發(fā)生光電效應(yīng)由入射光的頻率決定,與入射光的強度無關(guān)。 5.發(fā)生光電效應(yīng)時,產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光的頻率無關(guān),與入射光的強度有關(guān)。 6.光電效應(yīng)與光的電磁理論的矛盾 按光的電磁理論,應(yīng)有: (1)光越強,光電子的初動能越大,遏止電壓與光的強弱有關(guān)。 (2)不存在截止頻率,任何頻率的光都能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 (3)在光很弱時,放出電子的時間應(yīng)遠大于10-9 s。 [精典示例] [例3] 一驗電器與鋅板相連(如圖3所示),用一紫外線燈照射鋅板,關(guān)燈后,驗電器指針保持一定偏角。 圖3 (1)現(xiàn)用一帶負電的金屬小球與鋅板接觸,則驗電器指針偏角將________(填“增大”、“減小”或“不變”)。 (2)使驗電器指針回到零,再用相同強度的鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板,驗電器指針無偏轉(zhuǎn)。那么,若改用強度更大的紅外線燈照射鋅板,可觀察到驗電器指針________(填“有”或“無”)偏轉(zhuǎn)。 解析 (1)當用紫外線燈照射鋅板時,鋅板發(fā)生光電效應(yīng),鋅板放出光電子而帶上正電,此時與鋅板連在一起的驗電器也帶上了正電,故指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。當帶負電的金屬小球與鋅板接觸后,中和了一部分正電荷,從而使驗電器的指針偏角減小。 (2)使驗電器指針回到零,用鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板,驗電器指針無偏轉(zhuǎn),說明鈉燈發(fā)出的黃光的頻率小于鋅的極限頻率,而紅外線比黃光的頻率還要低,更不可能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強弱無關(guān)。 答案 (1)減小 (2)無 [針對訓(xùn)練3] (多選)如圖4所示,電路中所有元件完好,但光照射到光電管上,靈敏電流計中沒有電流通過。其原因可能是( ) 圖4 A.入射光太弱 B.入射光波長太長 C.光照時間太短 D.電源正、負極接反 解析 金屬存在截止頻率,超過截止頻率的光照射金屬時才會有光電子射出。射出的光電子的動能隨頻率的增大而增大,動能小時不能克服反向電壓,也不會有光電流。入射光的頻率低于截止頻率,不能產(chǎn)生光電效應(yīng),與光照強弱無關(guān),選項B正確,A錯誤;電路中電源正、負極接反,對光電管加了反向電壓,若該電壓超過了遏止電壓,也沒有光電流產(chǎn)生,選項D正確;光電效應(yīng)的產(chǎn)生與光照時間無關(guān),選項C錯誤。 答案 BD 光電效應(yīng)方程的理解與應(yīng)用 [要點歸納] 1.光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程 (1)能量為ε=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。 (2)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。 2.光電效應(yīng)規(guī)律中的兩條線索、兩個關(guān)系 (1)兩條線索 (2)兩個關(guān)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。 [精典示例] [例4] 如圖5所示,當開關(guān)K斷開時,用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上開關(guān),調(diào)節(jié)滑動變阻器,發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.6 V時,電流表讀數(shù)仍不為零。當電壓表讀數(shù)大于或等于0.6 V時,電流表讀數(shù)為零。由此可知陰極材料的逸出功為( ) 圖5 A.1.9 eV B.0.6 eV C.2.5 eV D.3.1 eV 解析 由題意知光電子的最大初動能為 Ek=eUc=0.6 eV 所以根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0可得 W0=hν-Ek=(2.5-0.6)eV=1.9 eV 答案 A 1.逸出功W0對應(yīng)著某一極限頻率νc,即W0=hνc,只有入射光的頻率ν≥νc時才有光電子逸出,即才能發(fā)生光電效應(yīng)。 2.對于某一金屬(νc一定),入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應(yīng)及光電子的最大初動能,而與入射光的強度無關(guān)?! ? [針對訓(xùn)練4] (多選)如圖6所示是某金屬在光的照射下,光電子最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象,由圖象可知( ) 圖6 A.該金屬的逸出功等于E B.該金屬的逸出功等于hνc C.入射光的頻率為νc時,產(chǎn)生的光電子的最大初動能為E D.入射光的頻率為2νc時,產(chǎn)生的光電子的最大初動能為2E 解析 題中圖象反映了光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系,根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0,知當入射光的頻率恰為該金屬的截止頻率νc時,光電子的最大初動能Ek=0,此時有hνc=W0,即該金屬的逸出功等于hνc,選項B正確;根據(jù)圖線的物理意義,有W0=E,故選項A正確,C、D錯誤。 答案 AB 1.能正確解釋黑體輻射實驗規(guī)律的是( ) A.能量的連續(xù)經(jīng)典理論 B.普朗克提出的能量量子化理論 C.以上兩種理論體系任何一種都能解釋 D.牛頓提出的能量微粒說 解析 根據(jù)黑體輻射的實驗規(guī)律,隨著溫度的升高,一方面各種波長的輻射強度都增加;另一方面,輻射強度的極大值向波長較短的方向移動,只能用普朗克提出的能量量子化理論才能得到較滿意的解釋,故選項B正確。 答案 B 2.(多選)關(guān)于普朗克“能量量子化”的假設(shè),下列說法正確的是( ) A.認為帶電微粒輻射或吸收能量時,是一份一份的 B.認為能量值是連續(xù)的 C.認為微觀粒子的能量是量子化的、連續(xù)的 D.認為微觀粒子的能量是分立的 解析 普朗克的理論認為帶電微粒輻射或吸收能量時,是一份一份的,微觀粒子的能量是量子化的,是分立的,故選項A、D正確。 答案 AD 3.關(guān)于光電效應(yīng),下列說法正確的是( ) A.當入射光的頻率低于截止頻率時,不能發(fā)生光電效應(yīng) B.只要光照射的時間足夠長,任何金屬都能產(chǎn)生光電效應(yīng) C.光電效應(yīng)現(xiàn)象中存在極限頻率,導(dǎo)致含有光電管的電路存在飽和電流 D.入射光的光強一定時,頻率越高,單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多 解析 光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的截止頻率,與入射光的強度無關(guān),飽和電流的大小與極限頻率無關(guān),與入射光的強度有關(guān);入射光的光強一定時,頻率越高,光子的能量值越大;入射光中的光子的數(shù)目越少,單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越少。 答案 A 4.分別用波長為λ和λ的單色光照射同一金屬板,發(fā)出的光電子的最大初動能之比為1∶2,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,則此金屬板的逸出功為( ) A. B. C. D. 解析 根據(jù)光電效應(yīng)方程得Ek1=h-W0① Ek2=h-W0② 又Ek2=2Ek1③ 聯(lián)立①②③得W0=,選項A正確。 答案 A 1.下列描繪兩種溫度下黑體輻射強度與波長關(guān)系的圖中,符合黑體輻射實驗規(guī)律的是( ) 解析 黑體輻射規(guī)律:隨著溫度的升高,一方面,各種波長的輻射強度都有所增加,另一方面,輻射強度的極大值向波長較短的方向移動,A圖正確。 答案 A 2.某激光器能發(fā)射波長為λ的激光,發(fā)射功率為P,c表示光速,h為普朗克常量,則激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為( ) A. B. C. D.λPhc 解析 每個光量子的能量ε=hν=,每秒鐘發(fā)射的總能量為P,則n==。 答案 A 3.(多選)光電效應(yīng)實驗的裝置如圖1所示,用弧光燈照射擦得很亮的鋅板,驗電器指針張開一個角度,則下列說法正確的是( ) 圖1 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 將擦得很亮的鋅板連接驗電器,用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線),驗電器指針張開一個角度,說明鋅板帶了電。進一步研究表明鋅板帶正電,這說明在紫外線的照射下,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,選項A、D正確。紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。 答案 AD 4.某光源發(fā)出的光由不同波長的光組成,不同波長的光的強度如圖2所示。表中給出了一些材料的極限波長,用該光源發(fā)出的光照射表中材料( ) 圖2 材料 鈉 銅 鉑 極限波長(nm) 541 268 196 A.僅鈉能產(chǎn)生光電子 B.僅鈉、銅能產(chǎn)生光電子 C.僅銅、鉑能產(chǎn)生光電子 D.都能產(chǎn)生光電子 解析 當光的波長小于金屬的極限波長時,被照射金屬發(fā)生光電效應(yīng)。又光源發(fā)出的光的波長約為50 nm到450 nm之間,故可使三種金屬均發(fā)生光電效應(yīng),D項正確。 答案 D 5.在光電效應(yīng)實驗中,飛飛同學(xué)用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光),如圖3所示。則可判斷出( ) 圖3 A.甲光的頻率大于乙光的頻率 B.乙光的波長大于丙光的波長 C.乙光對應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率 D.甲光對應(yīng)的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能 解析 該題考查了光電效應(yīng)問題,應(yīng)根據(jù)遏止電壓判斷頻率。由eUc=mv2=hν-W可知ν丙>ν甲=ν乙,λ甲=λ乙>λ丙,所以選項A、D錯誤,B正確;由于hν0=W,所以選項C錯誤。 答案 B 6.用不同頻率的紫外線分別照射鎢和鋅的表面而產(chǎn)生光電效應(yīng),可得到光電子最大初動能Ek隨入射光頻率ν變化的Ek-ν圖象。已知鎢的逸出功是3.28 eV,鋅的逸出功是3.24 eV,若將二者的圖線畫在同一個Ek-ν坐標圖中,用實線表示鎢,虛線表示鋅,則正確反映這一過程的圖是( ) 解析 依據(jù)光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0可知,Ek-ν圖線的斜率代表了普朗克常量h,因此鎢和鋅的Ek-ν圖線應(yīng)該平行。圖線的橫截距代表了極限頻率νc,而νc=,因此鎢的νc大些。故選項B正確。 答案 B 7.實驗得到金屬鈣的光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關(guān)系如圖4所示。下表中列出了幾種金屬的截止頻率和逸出功,參照下表可以確定的是( ) 圖4 金屬 鎢 鈣 鈉 截止頻率ν0/1014 Hz 10.95 7.73 5.53 逸出功W0/eV 4.54 3.20 2.29 A.如用金屬鎢做實驗得到的Ekm-ν圖線也是一條直線,其斜率比圖中直線的斜率大 B.如用金屬鈉做實驗得到的Ekm-ν圖線也是一條直線,其斜率比圖中直線的斜率大 C.如用金屬鈉做實驗得到的Ekm-ν圖線也是一條直線,設(shè)其延長線與縱軸交點的坐標為(0,-Ek2),則Ek2- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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