第17章 1　能量量子化 2光的粒子性

1、.1能量量子化2光的粒子性學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識 脈 絡(luò)1.理解什么是熱輻射及熱輻射的特性，理解黑體與黑體輻射重點2理解黑體輻射的實驗規(guī)律，理解黑體輻射的強(qiáng)度與波長的關(guān)系重點3知道光電效應(yīng)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(yīng)的解釋重點5掌握愛因斯坦光電效應(yīng)方程并會用它來解決簡單問題難點能 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(guān)，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(qiáng)2黑體某種物體可以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3黑體輻射的實驗規(guī)

2、律一般材料的物體，輻射電磁波的情況，除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及外表狀況有關(guān)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的有關(guān)隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向挪動4維恩和瑞利的理論解釋建立理論的根底：根據(jù)熱學(xué)和電磁學(xué)的知識尋求黑體輻射的理論解釋維恩公式：在短波區(qū)與實驗非常接近，在長波區(qū)那么與實驗偏離很大瑞利公式：在長波區(qū)與實驗根本一致，但在短波區(qū)與實驗嚴(yán)重不符，由理論得出的荒唐結(jié)果被稱為“紫外災(zāi)難2能量子1普朗克的假設(shè)振動著的帶電微粒能量只能是某一最小能量值的.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叫做能量子2能

3、量子公式h，其中是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量h6.626×1034 J·s.一般取h6.63×1034J·s3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普朗克理論借助于能量子的假說，普朗克得出了黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，與實驗符合之好令人擊掌叫絕普朗克在1900年把能量子列入物理學(xué)，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(xué)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(qiáng)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

4、磁波的頻率成正比5光滑程度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根本特點，其所有的變化都是不連續(xù)的討論1：熱輻射一定在高溫下才能發(fā)生嗎？【提示】熱輻射不一定需要高溫，任何溫度的物體都能發(fā)出一定的熱輻射，如任何物體都在不停地向外輻射紅外線，這就是一種熱輻射，即使是冰塊，也在向外輻射紅外線，只是溫度低時輻射弱，溫度高時輻射強(qiáng)討論2：黑體不存在，為什么還研究黑體？【提示】黑體是一個理想化的物理模

5、型通過建立這樣一個模型，會給研究帶來方便圖17­1­11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17­1­1所示，假如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)外表會發(fā)生屢次反射和吸收，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(guān)，與材料的種類及外表狀況有關(guān)既吸收又反射，其才能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(qiáng)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3黑體輻射的實驗規(guī)律1溫度一定時，黑體輻射強(qiáng)度隨

6、波長的分布有一個極大值2隨著溫度的升高各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向挪動如圖17­1­2所示圖17­1­24普朗克的量子化假設(shè)的意義1普朗克的能量子假設(shè)，使人類對微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識，對現(xiàn)代物理學(xué)的開展產(chǎn)生了革命性的影響成為物理學(xué)開展史上一個重大轉(zhuǎn)折點2普朗克常量h是自然界最根本的常量之一，它表達(dá)了微觀世界的根本特征1多項選擇黑體輻射的實驗規(guī)律如圖17­1­3所示，由圖可知圖17­1­3A隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加B隨溫度降低，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加C隨溫度升高，輻

7、射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向挪動D隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長的方向挪動【解析】由圖可知，隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向挪動，當(dāng)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】ACD2多項選擇以下表達(dá)正確的選項是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(guān)C一般物體輻射電磁波的情況只與材料有關(guān)D黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)【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(guān)外，還與材料種類和外表狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體

8、溫度有關(guān)，B、C錯、D對【答案】AD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(qiáng)度的極大值向波長較短的方向挪動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(yīng) 現(xiàn) 象 和 規(guī) 律1光電效應(yīng)定義照射到金屬外表的光，能使金屬中的電子從外表逸出的現(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存在著飽和電流入射光強(qiáng)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(qiáng)，飽和電流越大說明入射光越強(qiáng)，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

9、，無論光的強(qiáng)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(guān)當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時，不管光多么強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會發(fā)生3光電效應(yīng)具有瞬時性光電效應(yīng)幾乎是瞬時的，無論入射光怎么微弱，時間都不超過109 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1任何頻率的光照射到金屬外表都可以發(fā)生光電效應(yīng)×2金屬外表是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)×3在發(fā)生光電效應(yīng)的條件下，入射光強(qiáng)度越大，飽和光電流越大1發(fā)生光電效應(yīng)一定要用不可見光嗎？【提示】不一定發(fā)生光電效應(yīng)的照射光，可以是可見光，也可以是不可見光，只要入射光

10、的頻率大于極限頻率就可以了2在光電效應(yīng)中，只要光強(qiáng)足夠大，就能發(fā)生光電效應(yīng)嗎？【提示】不能能不能發(fā)生光電效應(yīng)由入射光的頻率決定，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)如圖圖17­1­4甲是研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的裝置圖，圖乙是研究光電效應(yīng)的電路圖，請結(jié)合裝置圖及產(chǎn)生的現(xiàn)象答復(fù)以下問題：甲乙圖17­1­4討論1：在甲圖中發(fā)現(xiàn)，利用紫光照射鋅板無論光的強(qiáng)度如何變化，驗電器都有張角，而用紅光照射鋅板，無論光的強(qiáng)度如何變化，驗電器總無張角，這說明了什么？【提示】金屬能否發(fā)生光電效應(yīng)，決定于入射光的頻率，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)討論2：在乙圖中在光電管兩端加正向電壓，用一定強(qiáng)度的光照射時，假設(shè)增

11、加電壓，電流表示數(shù)不變，而光強(qiáng)增加時，保持所加電壓不變，電流表示數(shù)會增大，這說明了什么？【提示】發(fā)生光電效應(yīng)時，飛出的光電子個數(shù)只與光的強(qiáng)度有關(guān)討論3：在乙圖中假設(shè)加反向電壓，當(dāng)光強(qiáng)增大時，遏止電壓不變，而入射光的頻率增加時，遏止電壓卻增加，這一現(xiàn)象說明了什么？【提示】光電子的能量與入射光頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無關(guān)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，光電子是金屬外表受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應(yīng)的因，光電子是果2光電子的動能與光電子的最大初動能光照射到金屬外表時，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，需抑制原子核和其

12、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；只有金屬外表的電子直接向外飛出時，只需抑制原子核的引力做功，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(qiáng)度光子的能量即每個光子的能量，其值為h為光子的頻率，其大小由光的頻率決定入射光的強(qiáng)度指單位時間內(nèi)照射到金屬外表單位面積上的總能量，入射光的強(qiáng)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(dá)陽極，回路中便產(chǎn)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(guān)5光的強(qiáng)度與飽和光電流飽和光電流與

13、入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是對頻率一樣的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)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(qiáng)度之間沒有簡單的正比關(guān)系3多項選擇如圖17­1­5所示，用弧光燈照射鋅板，驗電器指針張開一個角度，那么以下說法中正確的選項是 圖17­1­5A用紫外線照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)B用紅光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)C鋅板帶的是負(fù)電荷D鋅板帶的是正電荷【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(jìn)一步研究說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

14、電子從外表飛出，鋅板帶正電，選項A、D正確紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，B錯誤【答案】AD4多項選擇對光電效應(yīng)的理解正確的選項是A金屬鈉的每個電子可以吸收一個或一個以上的光子，當(dāng)它積累的動能足夠大時，就能逸出金屬B在光電效應(yīng)中，一個電子只能吸收一個光子C假如入射光子的能量小于金屬外表的電子抑制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(yīng)D發(fā)生光電效應(yīng)時，入射光越強(qiáng)，光子的能量就越大，光電子的最大初動能就越大【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(qiáng)無關(guān)，入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應(yīng)時產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大；但要使電子分開金屬，電子必須具有足夠的動能，而電子增

15、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(yīng)現(xiàn)象；電子從金屬逸出時只有從金屬外表向外逸出的電子抑制原子核的引力所做的功最小綜上所述，選項B、C正確【答案】BC5利用光電管研究光電效應(yīng)實驗如圖17­1­6所示，用頻率為的可見光照射陰極K，電流表中有電流通過，那么 圖17­1­6A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，電流表一定無電流通過D用頻率為的可見光照射K，當(dāng)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】

16、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(yīng)，所以選項B、C錯誤即使UAK0，電流表中也可能有電流通過，所以選項D錯誤【答案】A關(guān)于光電效應(yīng)的兩點提醒1發(fā)生光電效應(yīng)時需滿足：照射光的頻率大于金屬的極限頻率，即c，或光子的能量W0.2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(guān)，而與照射光的強(qiáng)弱無關(guān)，強(qiáng)度大小決定了逸出光電子的數(shù)目多少愛 因 斯 坦 的 光 子 說 及 光 電 效 應(yīng) 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

17、組成的，頻率為的光的能量子為h，這些能量子稱為光子2光子能量公式為h，其中指光的頻率2光電效應(yīng)方程1對光電效應(yīng)的說明在光電效應(yīng)中，金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是h，其中一部分用來抑制金屬的逸出功W0，另一部分為光電子的初動能Ek.2光電效應(yīng)方程EkhW0.3對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋1光電子的最大初動能與入射光頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)弱無關(guān)只有當(dāng)h>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(qiáng)時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因此飽和電流較大1“光子就是“光電子的簡稱×2不同的金屬逸出功不同，因此金屬對應(yīng)的截止頻

18、率也不同3入射光假設(shè)能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，那么入射光的強(qiáng)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外表發(fā)生光電效應(yīng)時，光電子的初動能是否一樣？【提示】由于同一金屬的逸出功一樣，而不同頻率的光的光子能量不同，由光電效應(yīng)方程可知，發(fā)生光電效應(yīng)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(guān)系如圖17­1­7所示，為研究光電效應(yīng)規(guī)律的電路圖17­1­7討論1：閉合開關(guān)S后，滑動變阻器滑動頭逐漸向右滑動的過程中，電壓表和電流表的示數(shù)如何變化？【提示】

19、電壓表示數(shù)增大，電流表的示數(shù)假設(shè)沒有到達(dá)飽和光電流那么增大，假設(shè)到達(dá)飽和光電流，那么不發(fā)生變化討論2：閉合開關(guān)S后，假設(shè)保持入射光的頻率不變，光強(qiáng)度增大，那么電流表示數(shù)如何變化？【提示】增大討論3：閉合開關(guān)S后，假設(shè)保持入射光的強(qiáng)度不變，光的頻率增大，那么電流表示數(shù)如何變化？【提示】減小1光電效應(yīng)方程EkhW0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，其分開金屬時剩余動能大小可以是0Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值2光電效應(yīng)方程本質(zhì)上是能量守恒方程：能量為Eh的光子被電子所吸收，電子把這些能量的一部分用來抑制金屬外表對它的吸引，另一部分就是電子分開金屬外表時的動能假如抑制吸引力做功最少為W

20、0，那么電子分開金屬外表時動能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：EkhW0.3光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：假設(shè)發(fā)生光電效應(yīng)，那么光電子的最大初動能必須大于零，即EkhW0>0，亦即hW0，c，而c恰好是光電效應(yīng)的截止頻率 4Ekm­曲線：如圖17­1­8所示是光電子最大初動能Ekm隨入射光頻率的變化曲線這里，橫軸上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(fù)值；斜率為普朗克常量圖17­1­82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(qiáng)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

21、初動能大6多項選擇現(xiàn)用某一光電管進(jìn)展光電效應(yīng)實驗，當(dāng)用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生以下說法正確的選項是A保持入射光的頻率不變，入射光的光強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)時，光的強(qiáng)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(guān)，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(qiáng)度無關(guān)，說法C正確減小入射光的頻率，如低于極限頻率，那么不能發(fā)生光電效應(yīng)，沒有光電流產(chǎn)生，說法D錯誤【答案

22、】AC7以往我們認(rèn)識的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個電子在極短時間內(nèi)只能吸收到一個光子而從金屬外表逸出強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對于光電效應(yīng)的認(rèn)識，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在極短時間內(nèi)吸收多個光子成為可能，從而形成多光子光電效應(yīng)，這已被實驗證實光電效應(yīng)實驗裝置示意如圖17­1­9所示用頻率為的普通光源照射陰極K，沒有發(fā)生光電效應(yīng)換用同樣頻率的強(qiáng)激光照射陰極K，那么發(fā)生了光電效應(yīng)；此時，假設(shè)加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽極A接電源負(fù)極，在K、A之間就形成了使光電子減速的電場逐漸增大U，光電流會逐漸減??；當(dāng)光電流恰好減小到零時，所加反向電壓U可能是

23、其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電荷量圖17­1­9AUBUCU2hW DU【解析】由題意知，一個電子吸收一個光子不能發(fā)生光電效應(yīng)，換用同樣頻率為的強(qiáng)激光照射，那么發(fā)生光電效應(yīng)，即吸收的光子能量為nh，n2,3,4，.那么由光電效應(yīng)方程可知：nhWmv2n2,3,4，在減速電場中由動能定理得eU0mv2聯(lián)立得：Un2,3,4，選項B正確【答案】B8小明用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應(yīng)現(xiàn)象，實驗裝置示意如圖17­1­10甲所示普朗克常量h6.63×1034 J·s.圖17­1­101圖甲中電極A為光電管的

24、_填“陰極或“陽極；2實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率之間的關(guān)系如圖乙所示，那么銣的截止頻率c_Hz，逸出功W0_J；3假如實驗中入射光的頻率7.00×1014Hz，那么產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek_J.【解析】1在光電效應(yīng)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c為5.15×1014 Hz，逸出功W0hc6.63×1034×5.15×1014 J3.41×1019 J.3當(dāng)入射光的頻率為7.00×1014Hz時，由Ekhhc得，光電子的最大初動能為Ek6.63×1034×

25、;7.005.15×1014 J1.23×1019 J.【答案】1陽極25.15×10145.125.18×1014均視為正確3.41×10193.393.43×1019均視為正確31.23×10191.211.25×1019均視為正確利用光電效應(yīng)規(guī)律解題應(yīng)明確的兩點1光電流光電效應(yīng)現(xiàn)象中光電流存在飽和值對應(yīng)從陰極發(fā)射出的電子全部被拉向陽極的狀態(tài)，光電流未到達(dá)飽和值之前，其大小不僅與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，還與光電管兩極間的電壓有關(guān)，只有在光電流到達(dá)飽和值以后才和入射光的強(qiáng)度成正比2兩個決定關(guān)系逸出功W0一定時，入射光的

26、頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應(yīng)以及光電子的最大初動能入射光的頻率一定時，入射光的強(qiáng)度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù)康 普 頓 效 應(yīng)1光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒互相作用，因此傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象2康普頓效應(yīng)：康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)如今散射的X射線中，除了與入射波長0一樣的成分外，還有波長大于0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：深化地提醒了光的粒子性的一面，說明光子除了具有能量之外還具有動量4光子的動量：p，其中h為普朗克常量，為光的波長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，其波長變大太陽光從小孔射入室內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；宇航員在太空中會發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的，為什么？【提示】在地球上存在著大氣，太陽光經(jīng)微粒散射后傳向各個方向，而在太空中的真空環(huán)境下光不能散射