高中物理 第4章 波粒二象性 1 量子概念的誕生 2 光電效應與光的量子說教師用書 教科版選修3-5

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1．量子概念的誕生 2．光電效應與光的量子說 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.了解熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射，了解黑體輻射的實驗規(guī)律及黑體輻射電磁波強度隨波長的分布曲線．(重點) 2．了解普朗克提出的能量子的概念，了解量子論誕生的歷史意義． 3．知道光電效應中截止頻率的概念及其與光的電磁理論的矛盾．(重點) 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) 量 子 概 念 的 誕 生 1．熱輻射 我們周圍的一切物體都在以電磁波的形式向外輻射能量，而且輻射強度隨波長如何分布都與物體的溫度相關，所以物理上把這種輻射稱為熱輻射，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．黑體與黑體輻射 (1)黑體：如果某物體能夠全部吸收外來電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就稱為絕對黑體，簡稱黑體． (2)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． (3)維恩和瑞利的理論解釋 ①建立理論的基礎：依據(jù)經(jīng)典理論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．普朗克提出的能量子的概念 (1)普朗克的假設 振動的帶電諧振子具有的能量是不連續(xù)的，只能取一些分立的值，即En＝nhν(n＝1,2,3，…)，即能量E只能取hν的整數(shù)倍，最小的一份能量ε＝hν稱為能量子，式中ν是諧振動的頻率，h是一個常數(shù)，稱為普朗克常量．h＝6.626 068 76(52)10－34 Js. (2)普朗克理論的意義 ①利用能量子的假設，普朗克推導出了實驗相符的公式(即普朗克公式)成功的解決了黑體輻射問題． ②普朗克在1900年把能量子列入物理學，正確地破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，成為新物理學思想的基石之一． 1．能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體．(√) 2．溫度越高，黑體輻射電磁波的強度越大．(√) 3．微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍．(√) 4．能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比．(√) 5．光滑水平桌面上勻速運動的小球的動能也是量子化的．() 1．黑體是指黑顏色的物體嗎？ 【提示】　黑體不是指黑顏色的物體，是指能完全吸收電磁波的物體． 2．為了得出同實驗相符的黑體輻射公式，普朗克提出了什么樣的觀點？ 【提示】　普朗克提出了量子化的觀點．量子化是微觀世界的基本特點，其所有的變化都是不連續(xù)的． 1．對黑體的理解 絕對的黑體實際上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替．如圖411所示，如果在一個空腔壁上開一個小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個絕對黑體． 圖411 2．一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 3.黑體輻射的實驗規(guī)律 (1)溫度一定時，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．如圖412所示． 圖412 4．普朗克的量子化假設的意義 (1)普朗克的能量子假設，使人類對微觀世界的本質有了全新的認識，對現(xiàn)代物理學的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響，成為物理學發(fā)展史上一個重大轉折點． (2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征． 1．黑體輻射的實驗規(guī)律如圖413所示，由圖可知(　　) 圖413 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 E．溫度降低，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動 【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、E錯誤． 【答案】　ACD 2．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 E．黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波 【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；根據(jù)黑體定義知E對． 【答案】　ADE 3．氦氖激光器發(fā)射波長為6 328 的單色光，試計算這種光的一個光子的能量為多少？若該激光器的發(fā)光功率為18 mW，則每秒發(fā)射多少個光子？ 【解析】　根據(jù)愛因斯坦光子學說，光子能量E＝hν， 而λν＝c，所以： E＝＝ J＝3.1410－19 J. 因為發(fā)光功率已知，所以1 s內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)為： n＝＝個＝5.731016個． 【答案】　3.1410－19 J　5.731016個 電磁波的輻射和吸收 (1)比較輻射、吸收首先要分清是黑體還是一般物體． (2)隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動． (3)能量子假說的意義：可以非常合理地解釋某些電磁波的輻射和吸收的實驗現(xiàn)象． 光 電 效 應 與 光 的 量 子 說 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)對于給定的光電陰極材料，都存在一個發(fā)生光電效應所需的入射光的最小頻率ν0，叫做光電效應的截止頻率，亦稱為極限頻率．只有超過截止頻率的光，才能引起光電效應．不同金屬材料的截止頻率不同． (2)當入射光的頻率高于截止頻率、光電流出現(xiàn)時，光電流的大小由光強決定，光強越大，光電流越大． (3)從陰極發(fā)出的光電子的最大初動能與入射光的頻率成線性關系． (4)只要光的頻率大于截止頻率，即使用極弱的入射光，光電子總能立刻(約10－9 s)發(fā)射出來． 4．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，這些能量子稱為光子． 5．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，其中一部分用來克服金屬的逸出功W，另一部分為光電子的初動能Ek. (2)光電效應方程 Ek＝hν－W. 1．任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應．() 2．金屬表面是否發(fā)生光電效應與入射光的強弱有關．() 3．不同的金屬逸出功不同，因此金屬對應的截止頻率也不同．(√) 4．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．(√) 1．不同頻率的光照射到同一金屬表面發(fā)生光電效應時，光電子的初動能是否相同？ 【提示】　由于同一金屬的逸出功相同，而不同頻率的光的光子能量不同，由光電效應方程可知，發(fā)生光電效應時，逸出的光電子的初動能是不同的． 2．光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比嗎？ 【提示】　不成正比．光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，但不是正比關系． 1．愛因斯坦光子理論對光電效應的解釋 (1)解釋極限頻率的存在：光照射到金屬板時，光子將能量傳遞給電子，每個光子的能量為hν，所以一個光子傳遞給一個電子的能量為hν，電子要脫離原子核的引力，有一個最小能量，最小能量對應發(fā)生光電效應時入射光的最小頻率，即極限頻率．如果小于這一頻率，即使增大光強，也不會使電子逸出．這是因為增大光強，只是增加了吸收光子能量的電子數(shù)，單個電子吸收的光子能量仍為hν，電子仍不能逸出． (2)解釋光電效應的瞬時性：電子吸收光子的能量時間很短，幾乎是瞬時的．如果入射光頻率低于極限頻率，即使增加照射時間，也不能使電子逸出．因為一個電子吸收一個光子后，在極短的時間內(nèi)就可以把能量傳遞給其他粒子，所以電子不可能通過能量積累逸出金屬表面． (3)解釋最大初動能與頻率的關系：由愛因斯坦光電效應方程hν＝W＋mv2可知，電子從金屬中逸出所需克服束縛而消耗的能量的最小值為逸出功，從金屬表面逸出的電子消耗的能量最少，逸出時的動能值最大，稱為最大初動能．就其他逸出的電子而言，離開金屬時的動能小于最大初動能．最大初動能的大小與光的強度無關，與光的頻率有關． 2．光電效應規(guī)律中的兩個關系 (1)由hν＝W＋mv2得mv2＝hν－W，逸出電子的最大初動能Ekm(即mv2)與入射光的頻率成一次函數(shù)關系． (2)產(chǎn)生光電效應時，光的強度越大，單位時間內(nèi)逸出的電子數(shù)越多．即如果形成光電流，光電流的強度與入射光的強度成正比． 4．如圖414所示，用弧光燈照射鋅板，驗電器指針張開一個角度，則下列說法中正確的是 (　　) 圖414 A．用紫外線照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉 B．用紅光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉 C．鋅板帶的是負電荷 D．鋅板帶的是正電荷 E．使驗電器指針發(fā)生偏轉的是正電荷 【解析】　將擦得很亮的鋅板與驗電器連接，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，鋅板帶正電，選項A、D、E正確．紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應． 【答案】　ADE 5．對光電效應的理解正確的是(　　) 【導學號：11010059】 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就越大 E．由于不同金屬的逸出功是不相同的，因此使不同金屬產(chǎn)生光電效應，入射光的最低頻率也不同 【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、E正確． 【答案】　BCE 6．已知能使某金屬產(chǎn)生光電效應的截止頻率為ν0，則(　　) A．當用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時，一定能產(chǎn)生光電子 B．當用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能為hν0 C．當照射光的頻率ν大于ν0時，若ν增大，則逸出功增大 D．金屬的逸出功與照射光的頻率無關 E．當照射光的頻率ν大于ν0時，若ν增大一倍，則光電子的最大初動能也增大一倍 【解析】　根據(jù)截止頻率跟逸出功的關系：W0＝hν0，光電效應方程mv＝hν－W0，判斷A、B、D正確． 【答案】　ABD 7．小明用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應現(xiàn)象，實驗裝置示意如圖415甲所示．已知普朗克常量h＝6.6310－34 Js. 圖415 (1)圖甲中電極A為光電管的________(選填“陰極”或“陽極”)； (2)實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關系如圖乙所示，則銣的截止頻率νc＝________Hz，逸出功W0＝________J； (3)如果實驗中入射光的頻率ν＝7.001014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek＝________J. 【解析】　(1)在光電效應中，電子向A極運動，故電極A為光電管的陽極． (2)由題圖可知，銣的截止頻率νc為5.151014 Hz，逸出功W0＝hνc＝6.6310－345.151014 J≈3.4110－19 J. (3)當入射光的頻率為ν＝7.001014Hz時，由Ek＝hν－h(huán)νc得，光電子的最大初動能為Ek＝6.6310－34(7.00－5.15)1014 J≈1.2310－19 J. 【答案】　(1)陽極　(2)5.151014[(5.12～5.18)1014均視為正確]　3.4110－19[(3.39～3.43)10－19均視為正確]　(3)1.2310－19[(1.21～1.25)10－19均視為正確] 利用光電效應規(guī)律解題應明確的兩點 (1)光電流 光電效應現(xiàn)象中光電流存在飽和值(對應從陰極發(fā)射出的電子全部被拉向陽極的狀態(tài))，光電流未達到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強度有關，還與光電管兩極間的電壓有關，只有在光電流達到飽和值以后才和入射光的強度成正比． (2)兩個決定關系 ①逸出功W一定時，入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應以及光電子的最大初動能． ②入射光的頻率一定時，入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù)．