高中物理 17.1-17.2能量量子化 光的粒子性（精讲优练课型）课件 新人教版选修3-5.ppt

第十七章波粒二象性1能量量子化2光的粒子性 一 黑体与黑体辐射1 热辐射 我们周围的一切物体都在辐射 这种辐射与物体的 有关 2 黑体 指能够 吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体 3 一般材料物体的辐射规律 辐射电磁波的情况除与 有关外 还与材料的 及 有关 电磁波 温度 完全 温度 种类 表面状况 4 黑体辐射的实验规律 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 有关 如图所示 1 随着温度的升高 各种波长的辐射强度都 2 随着温度的升高 辐射强度的极大值向波长 的方向移动 温度 增加 较短 判一判 1 只有高温物体才能辐射电磁波 2 能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体 3 温度越高 黑体辐射电磁波的强度越大 提示 1 任何物体都可以辐射电磁波 2 根据黑体定义判断正确 3 温度越高 黑体辐射电磁波的强度越大 二 能量子1 定义 普朗克认为 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的 当带电微粒辐射或吸收能量时 也是以这个最小能量值为单位 地辐射或吸收的 这个不可再分的最小能量值 叫作 整数倍 一份一份 能量子 2 能量子大小 h 其中 是电磁波的频率 h称为 常量 h 6 626 10 34J s 一般取h 6 63 10 34J s 3 能量的量子化 在微观世界中能量是 的 或者说微观粒子的能量是 的 普朗克 量子化 分立 判一判 1 微观粒子的能量只能是能量子的整数倍 2 能量子的能量不是任意的 其大小与电磁波的频率成正比 提示 1 微观粒子的能量是分立的 2 根据 h 判断能量与频率成正比 三 光电效应的实验规律1 光电效应 照射到金属表面的光 能使金属中的 从表面逸出的现象 2 光电子 光电效应中发射出来的 电子 电子 3 光电效应的实验规律 1 存在着 光电流 在光的颜色不变的情况下 入射光越强 饱和电流越大 这表明对于一定颜色的光 入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 2 存在着遏止电压和 频率 光电子的最大初动能与入射光的频率有关 而与入射光的强弱无关 当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应 饱和 截止 3 光电效应具有 光电效应几乎是瞬时发生的 从光照射到产生光电流的时间不超过10 9s 4 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的 不同金属的逸出功 A 相同B 不同 瞬时性 最小值 B 判一判 1 任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应 2 金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关 3 入射光照射到金属表面上时 光电子几乎是瞬时发射的 提示 1 要发生光电效应 入射光的频率要大于金属的极限频率 2 金属表面是否发生光电效应与入射光的频率有关 与强度无关 3 光电效应具有瞬间性 四 爱因斯坦的光子说与光电效应方程1 光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的 而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的 频率为 的光的能量子为h 这些能量子被称为 2 爱因斯坦的光电效应方程 1 表达式 Ek W0或Ek W0 2 物理意义 金属中电子吸收一个光子获得的能量是h 这些能量一部分用于克服金属的 剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek 光子 h h 逸出功W0 判一判 1 光子 就是 光电子 的简称 2 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 3 入射光若能使某金属发生光电效应 则入射光的强度越大 照射出的光电子越多 提示 1 光子 与 光电子 是两回事 2 光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系 不是正比关系 3 入射光的强度越大 照射出的光电子越多 五 康普顿效应和光子的动量1 光的散射 光在介质中与 相互作用 因而传播方向 这种现象叫作光的散射 2 康普顿效应 美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时 发现在散射的X射线中 除了与入射波长 0相同的成分外 还有波长 0的成分 这个现象称为康普顿效应 物质微粒 发生改变 大于 3 康普顿效应的意义 康普顿效应表明光子除了具有能量之外 还具有动量 深入揭示了光的 的一面 4 光子的动量 1 表达式 p 2 说明 在康普顿效应中 入射光子与晶体中电子碰撞时 把一部分动量转移给电子 光子的动量变小 因此 有些光子散射后波长 粒子性 变大 判一判 1 光子的动量与波长成反比 2 光子发生散射时 其动量大小发生变化 但光子的频率不发生变化 3 光子发生散射后 其波长变大 提示 1 根据p 判断正确 2 光子发生散射时 其动量大小发生变化 波长变化 频率一定变化 3 光子发生散射后 频率变小 根据c f判断波长变大 一 黑体与黑体辐射思考探究 很多地方用红外热像仪监测人的体温 只要被测者从仪器前走过 便可知道他的体温是多少 你知道其中的道理吗 提示 根据热辐射规律可知 人的体温的高低 直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度 通过监测被测者辐射的红外线的情况就知道这个人的体温 归纳总结 1 对黑体的理解 绝对的黑体实际上是不存在的 但可以用某装置近似地代替 如图所示 如果在一个空腔壁上开一个小孔 那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收 最终不能从空腔射出 这个小孔就成了一个绝对黑体 2 一般物体与黑体的比较 3 黑体辐射的实验规律 1 温度一定时 黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值 2 随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 如图所示 特别提醒 1 热辐射不一定要高温 任何温度的物体都发出一定的热辐射 只是温度低时辐射弱 温度高时辐射强 2 黑体是一个理想化的物理模型 实际不存在 3 黑体看上去不一定是黑的 只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的 有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射 看起来还会很明亮 例如 炼钢炉口上的小孔 一些发光的物体 如太阳 白炽灯灯丝 也被看作黑体来处理 典例示范 多选 下列叙述正确的是 A 一切物体都在辐射电磁波B 一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D 黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 解题探究 1 热辐射的定义是什么 提示 我们周围的一切物体都在辐射电磁波 这种辐射与物体的温度有关 2 黑体具有什么特点 提示 能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射 正确解答 选A C D 根据热辐射定义知A对 根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外 还与材料种类和表面状况有关 而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 B错 C对 根据黑体定义知D对 过关训练 1 关于黑体的认识 下列说法正确的是 A 黑体只吸收电磁波 不反射电磁波 看上去是黑的B 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外 还与材料的种类及表面状况有关 C 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关 与材料的种类及表面状况无关D 如果在一个空腔壁上开一个很小的孔 射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收 最终不能从小孔射出 这个空腔就成了一个黑体 解析 选C 黑体自身辐射电磁波 不一定是黑的 故A错 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关 故B错 C对 小孔只吸收电磁波 不反射电磁波 因此是小孔成了一个黑体 而不是空腔成了黑体 故D错 2 下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中 符合黑体辐射规律的是 解析 选A 随着温度的升高 辐射强度增加 辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动 A正确 B C D错误 补偿训练 1 关于热辐射的认识 下列说法中正确的是 A 热的物体向外辐射电磁波 冷的物体只吸收电磁波B 温度越高 物体辐射的电磁波越强C 辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关 与材料种类及表面状况无关D 常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色 解析 选B 一切物体都不停地向外辐射电磁波 且温度越高 辐射的电磁波越强 A错误 B正确 选项C是黑体辐射的特性 C错误 常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色 D错误 2 如图所示为t1 t2温度时的黑体辐射强度与波长的关系 则两温度的关系为 A t1 t2B t1 t2C t1 t2D 无法确定 解析 选B 根据黑体辐射的实验规律可知 随着温度的升高 一方面 各种波长的辐射强度都增加 另一方面 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 故选项B正确 二 正确理解光电效应中的五组概念思考探究 某单色光照射到金属表面上结果没有光电子逸出 请思考 我们应如何操作才能使该金属发生光电效应呢 增大入射光频率还是增大入射光强度 提示 增大入射光频率 使其高于该金属的极限频率 归纳总结 1 光子与光电子 光子指光在空间传播时的每一份能量 光子不带电 光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子 其本质是电子 光子是光电效应的因 光电子是果 2 光电子的初动能与光电子的最大初动能 1 光照射到金属表面时 光子的能量全部被电子吸收 电子吸收了光子的能量 可能向各个方向运动 需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量 剩余部分为光电子的初动能 2 只有金属表面的电子直接向外飞出时 只需克服原子核的引力做功 才具有最大初动能 光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能 3 光子的能量与入射光的强度 光子的能量即每个光子的能量 其值为 h 为光子的频率 其大小由光的频率决定 入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量 入射光的强度等于单位时间内光子能量h 与入射光子数n的乘积 即光强等于nh 4 光电流和饱和光电流 金属板飞出的光电子到达阳极 回路中便产生光电流 随着所加正向电压的增大 光电流趋于一个饱和值 这个饱和值是饱和光电流 在一定的光照条件下 饱和光电流与所加电压大小无关 5 光的强度与饱和光电流 饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的 对于不同频率的光 由于每个光子的能量不同 饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系 特别提醒 1 光电效应的实质是光现象转化为电现象 2 发生光电效应时 饱和光电流与入射光的强度有关 要明确不同频率的光 不同金属与光电流的对应关系 典例示范 多选 2014 广东高考 在光电效应实验中 用频率为 的光照射光电管阴极 发生了光电效应 下列说法正确的是 A 增大入射光的强度 光电流增大B 减小入射光的强度 光电效应现象消失C 改用频率小于 的光照射 一定不发生光电效应D 改用频率大于 的光照射 光电子的最大初动能变大 解题探究 1 发生光电效应的入门条件是什么 提示 入射光的频率要大于极限频率 2 光电子的最大初动能由什么决定 提示 由公式h W逸 mv2得 光电子的最大初动能由入射光的频率决定 正确解答 选A D 增大入射光的强度 单位时间内照射到单位面积上的光子数增加 光电流增大 A项正确 减小入射光的强度 只是光电流减小 光电效应现象是否消失与光的频率有关 而与光的强度无关 B项错误 改用频率小于 的光照射 但只要光的频率大于极限频率 0仍然可以发生光电效应 C项错误 由爱因斯坦光电效应方程h W逸 mv2得 光频率 增大 而W逸不变 故光电子的最大初动能变大 D项正确 过关训练 1 多选 2015 杭州高二检测 光电效应实验的装置如图所示 用弧光灯照射锌板 验电器指针张开一个角度 则下面说法中正确的是 A 用紫外线照射锌板 验电器指针会发生偏转B 用绿色光照射锌板 验电器指针会发生偏转C 锌板带的是负电荷D 使验电器指针发生偏转的是正电荷 解析 选A D 将擦得很亮的锌板连接验电器 用弧光灯照射锌板 弧光灯发出紫外线 验电器指针张开一个角度 说明锌板带了电 进一步研究表明锌板带正电 这说明在紫外线的照射下 锌板中有一部分自由电子从表面飞出来 锌板中缺少电子 于是带正电 A D选项正确 绿光不一定能使锌板发生光电效应 2 硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能 若有N个频率为 的光子打在光电池极板上 这些光子的总能量为 h为普朗克常量 A h B Nh C Nh D 2Nh 解析 选C 光子能量与频率有关 一个光子的能量为 h N个光子能量为Nh 故C正确 补偿训练 1 某激光器能发射波长为 的激光 发射功率为P c表示光速 h表示普朗克常量 则激光器每秒发射的能量子数为 解析 选C 每个激光光子的能量为 h 则激光器的发射功率为P n 其中n为激光器每秒钟发射的能量子数 所以n 即C选项正确 2 2015 北大附中高二检测 已知人眼瞳孔的直径为d 一秒钟进入瞳孔N个波长为 的光子时就能引起视觉 若辐射功率为P的点光源能发出波长为 的光 则此光源能被人眼看到的最大距离是 解析 每个能量子 光子 的能量为 h h 点光源一秒钟辐射的光子数为n 欲能引起视觉 有答案 三 光电效应方程及其规律思考探究 1 光电流的强度与入射光的强度一定成正比吗 提示 不一定 光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关 还与光电管两极间的电压有关 只有饱和光电流才与入射光的强度成正比 2 入射光越强 产生的光电子数一定越多吗 提示 不一定 入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量 是由入射的光子数和入射光子的频率决定的 可用E nh 表示 其中n为单位时间内的光子数 在入射光频率不变的情况下 光强度与光子数成正比 换用不同频率的光 即使光强度相同 光子数目也不同 因而逸出的光电子数目也不同 归纳总结 1 光电效应方程Ek h W0的四点理解 1 式中的Ek是光电子的最大初动能 就某个光电子而言 其离开金属时剩余动能大小可以是0 Ek范围内的任何数值 2 光电效应方程实质上是能量守恒方程 能量为 h 的光子被电子吸收 电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引 另一部分就是电子离开金属表面时的动能 如果克服吸引力做功最少为W0 则电子离开金属表面时动能最大为Ek 根据能量守恒定律可知 Ek h W0 3 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 若发生光电效应 则光电子的最大初动能必须大于零 即Ek h W0 0 亦即h W0 c 而 c 恰好是光电效应的截止频率 4 Ek 曲线 如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率 的变化曲线 这里 横轴上的截距是截止频率或极限频率 纵轴上的截距是逸出功的负值 斜率为普朗克常量 2 光电效应规律中的两条线索 两个关系 1 两条线索 2 两个关系 光强 光子数目多 发射光电子多 光电流大 光子频率高 光子能量大 产生光电子的最大初动能大 特别提醒 1 逸出功和截止频率均由金属本身决定 与其他因素无关 2 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大 但不是正比关系 典例示范 在光电效应实验中 某金属的截止频率相应的波长为 0 该金属的逸出功为 若用波长为 0 的单色光做该实验 则其遏止电压为 已知电子的电荷量 真空中的光速和普朗克常量分别为e c和h 解题探究 1 如何求金属的逸出功W0 提示 根据普朗克常量和金属的极限频率求 即W0 h 0 2 光电子的最大初动能与遏止电压的关系 3 光电子的最大初动能与入射光的频率的关系 正确解答 由W0 h 0 又eUc Ek 且Ek h W0 所以Uc 答案 Ek h W0 过关训练 1 多选 光电效应实验中 下列表述正确的是 A 光照时间越长光电流越大B 入射光足够强就可以有光电流C 遏止电压与入射光的频率有关D 入射光频率大于极限频率才能产生光电子 解析 选C D 光电流的大小与光照时间无关 A项错误 如果入射光的频率小于金属的极限频率 入射光再强也不会发生光电效应 B项错误 遏止电压Uc满足eUc h h 0 从表达式可知 遏止电压与入射光的频率有关 C项正确 只有当入射光的频率大于极限频率 才会有光电子逸出 D项正确 2 2015 全国卷 在某次光电效应实验中 得到的遏止电压Uc与入射光的频率 的关系如图所示 若该直线的斜率和截距分别为k和b 电子电荷量的绝对值为e 则普朗克常量可表示为 所用材料的逸出功可表示为 解析 由题意可得eUc h W 变形为Uc 结合图像可知 k b 所以h ek W eb 答案 ek eb 补偿训练 如图所示为一光电管电路 滑动变阻器触头位于ab上某点 用光照射光电管阴极 电表无偏转 要使电表指针偏转 可采取的措施有 A 加大照射光的强度B 换用波长短的光照射C 将P向b滑动D 将电源正 负极对调 解析 选B 电表无偏转 说明没有发生光电效应现象 即入射光的频率小于极限频率 要能发生光电效应现象 只有增大入射光的频率 即减小入射光的波长 四 光子说对康普顿效应的解释思考探究 太阳光从小孔射入室内时 我们从侧面可以看到这束光 白天的天空各处都是亮的 宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目 其他方向的天空却是黑的 为什么 提示 在地球上存在着大气 太阳光经微粒散射后传向各个方向 而在太空中的真空环境下光不散射只向前传播 归纳总结 1 假定X射线光子与电子发生弹性碰撞 光子和电子相碰撞时 光子有一部分能量传给电子 散射光子的能量减少 于是散射光的波长大于入射光的波长 2 康普顿效应进一步揭示了光的粒子性 也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性 典例示范 康普顿效应证实了光子不仅具有能量 也有动量 如图给出了光子与静止电子碰撞后 电子的运动方向 则碰后光子可能沿方向运动 并且波长 选填 不变 变短 或 变长 解题探究 1 光子与电子碰撞过程满足什么规律 提示 碰撞过程中满足动量守恒和能量守恒 2 碰撞后电子和光子的能量将发生怎样的改变 提示 电子由静止变为运动 能量增加 根据能量守恒 光子的能量减小 正确解答 因光子与电子在碰撞过程中动量守恒 所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致 可见碰后光子运动的方向可能沿1方向 不可能沿2或3方向 通过碰撞 光子将一部分能量转移给电子 能量减少 由 h 知 频率变小 再根据c 知 波长变长 答案 1变长 过关训练 1 拓展延伸 典例示范 中 当光子和电子碰撞后有没有可能出现光子的频率不变的情况 解析 有可能 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞 光子将与整个原子交换能量 由于光子质量远小于原子质量 根据碰撞理论 碰撞前后光子能量几乎不变 频率不变 2 科学研究证明 光子有能量也有动量 当光子与电子碰撞时 光子的一些能量转移给了电子 假设光子与电子碰撞前的波长为 碰撞后的波长为 则碰撞过程中 A 能量守恒 动量守恒 且 B 能量不守恒 动量不守恒 且 C 能量守恒 动量守恒 且 解析 选C 能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律 适用于宏观世界也适用于微观世界 光子与电子碰撞时遵循这两个守恒规律 光子与电子碰撞前光子的能量E h h 当光子与电子碰撞时 光子的一些能量转移给了电子 光子的能量E h h 由E E 可知 选项C正确 补偿训练 1 多选 频率为 的光子 具有的能量为h 动量为 将这个光子打在处于静止状态的电子上 光子将偏离原运动方向 这种现象称为光子的散射 下列关于光子散射的说法正确的是 A 光子改变原来的运动方向 且传播速度变小B 光子由于在与电子碰撞中获得能量 因而频率增大C 由于受到电子碰撞 散射后的光子波长大于入射光子的波长D 由于受到电子碰撞 散射后的光子频率小于入射光子的频率 解析 选C D 碰撞后光子改变原来的运动方向 但传播速度不变 A错误 光子由于在与电子碰撞中损失能量 因而频率减小 即 再由c 1 2 得到 1 2 B错误 C D正确 2 白天的天空各处都是亮的 是大气分子对太阳光散射的结果 假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后 电子向某一个方向运动 光子沿另一方向散射出去 则这个散射光子跟原来的光子相比 A 频率变大B 频率不变C 光子能量变大D 波长变长 解析 选D 运动的光子和一个静止的自由电子碰撞时 既遵守能量守恒 又遵守动量守恒 碰撞中光子将能量h 的一部分传递给了电子 光子的能量减少 波长变长 频率减小 D选项正确 拓展例题 考查内容 光电效应与图像综合性问题 典例示范 在图甲所示的装置中 K为一个金属板 A为一个金属电极 都密封在真空玻璃管中 单色光可通过玻璃壳照在K上 E为可调直流电源 实验发现 当用某种频率的单色光照射K时 K会发出电子 光电效应 这时 即使A K间的电压等于零 回路中也有电流 当A的电势低于K时 电流仍不为零 A的电势比K低得越多 电流越小 当A比K的电势低到某一值Uc 遏止电压 时 电流消失 当改变照射光的频率 时 遏止电压Uc也将随之改变 如果某次实验我们测出的一系列数据如图乙所示 若知道电子的电荷量e 则根据图像可求出该金属的极限频率为多少 该金属的逸出功W0为多少 普朗克常量h为多少 正确解答 由题图可知 数据对应的点几乎落在一条直线上 直线与 轴的交点 0即为该金属的极限频率 因此当照射光的频率为 0时 遏止电压Uc 0 说明在此频率下 金属板刚好发生光电效应 设光电子的最大初动能为Ek 根据光电效应方程有h W0 Ek当A比K的电势低到某一值Uc时 电流消失 光电子的最大初动能全部用来克服电场力做功 由动能定理有eUc Ek 联立以上两式可得Uc 由上式可知 Uc 图像斜率k 在Uc轴上的截距为 而由图可得 截距为 Uc 故有解得h W0 eUc 答案 0eUc