高中物理第十七章波立二象性第1节第2节光的粒子性能量量子化学案新人教版选修3503161100docWord下载.docx

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①存在着饱和电流：

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存在着遏止电压和截止频率：

使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压．光电子的能量只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发生光电效应．

③光电效应具有瞬时性：

光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到金属到产生电流的时间不超过10－9s.

（3）逸出功：

使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功．

2．爱因斯坦的光电效应方程

（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，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν．

（2）爱因斯坦光电效应方程

①表达式：

hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.

②物理意义：

金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek.

三、康普顿效应和光子的动量

1．光的散射：

光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变的现象．

2．康普顿效应：

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λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．

3．康普顿效应的意义：

深入地揭示了光的粒子性的一面，表明光子除了具有能量之外还具有动量．

4．光子的动量：

p＝

，其中h为普朗克常量，λ为光的波长．

判一判　

（1）黑体辐射电磁波的强度按波长分布，只与黑体的温度有关．（　　）

（2）普朗克有关能量子的假说认为微观粒子的能量是分立的．（　　）

（3）任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应．（　　）

（4）金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．（　　）

（5）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）√　

（2）√　（3）×

　（4）×

　（5）√

做一做　（多选）在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看做黑体，由小孔的热辐射特征，就可以确定炉内的温度．如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象，则下列说法正确的是（　　）

A．T1>

T2

B．T1<

C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低

D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动

选AD．一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度（T）、辐射波的波长、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不反射的物体，黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关．实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．从题图中可以看出，λ1<

λ2，T1>

T2，本题正确选项为A、D．

想一想　康普顿效应说明了什么？

为什么说康普顿效应反映了光子具有动量？

康普顿效应说明了光的粒子性．解释光子波长变化的问题时运用了能量守恒定律和动量守恒定律，理论与实验符合很好．

　对黑体与黑体辐射的理解

1．对黑体的理解

（1）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）黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；

有些可看做黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔．一些发光的物体（如太阳、白炽灯灯丝）也被当做黑体来处理．

2．一般物体与黑体的比较

热辐射特点

吸收、反射特点

一般物体

辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关

既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关

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

完全吸收各种入射电磁波，不反射

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

①各种波长的辐射强度都有增加；

②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．如图所示．

　下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图象中，符合黑体辐射实验规律的是（　　）

[解析]　根据黑体辐射的实验规律：

随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，可知选项A正确．

[答案]　A

　1.关于对黑体的认识，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，故选项A错误；

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，故选项B错误，选项C正确；

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，故选项D错误．

　对光电效应现象的理解

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：

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；

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ε＝hν（ν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与单位面积上入射光子数的乘积．

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．

　（多选）（2017·

衡水高二检测）对光电效应的理解正确的是（　　）

A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属

B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应

C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大

D．由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应，入射光的最低频率也不同

[解析]　按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大；

但要使电子离开金属，电子必须具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，且一个电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象；

电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小．综上所述，选项B、D正确．

[答案]　BD

对光电效应现象的理解

光电效应实验规律可理解记忆：

“放（出光电子）不放，比频率；

若能放，瞬时放；

放多少（光电子），看光强；

（光电子的）最大初动能，看（入射光的）频率．”　

　2.如图所示为一光电管电路，滑动变阻器滑动触头P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

选B．由光电管电路图可知阴极K电势低，阳极A电势高，如果K极有电子飞出，则它受到的电场力必向左，即将向左加速，然而现在G中电表指针无偏转，说明没有发生光电效应，这仅能说明照射光频率太低．这与光强外加电压的大小及方向均无关．可见要使指针发生偏转需增大照射光频率，即缩短照射光的波长．故选B．

　对光电效应方程的理解和应用

1．对光电效应方程Ek＝hν－W0的理解

（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．

①能量为ε＝hν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．

②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＝hν－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＝hν－W0>

0，亦即hν>

W0，ν>

＝νc，而νc＝

恰好是光电效应的截止频率．

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．

3．在理解光电效应方程的基础上，把其数学关系式与数学函数图象结合起来，经分析、推导得出图象的斜率及在图象横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的能力．

（1）最大初动能与入射光频率的关系

该图象对应的函数式Ek＝hν－W0，图象与横轴的交点坐标为极限频率，图象是平行的是因为图线的斜率就是普朗克常量．

（2）光电流与电压的关系图象

从图象①③可看出同种光照射同种金属板对应的反向遏止电压相同．而饱和光电流强度随入射光强度增大而增大；

从图象①②可知，对于同种金属，入射光的频率越高，反向遏止电压越大．

（3）反向遏止电压与入射光频率的关系

该图象的对应函数式为Uc＝

，故从图象可以直接读出金属的极限频率，由极限频率可算出普朗克常量，由纵轴截距可推算出金属的逸出功．

命题视角1　对光电效应方程的理解

　如图所示装置，阴极K用极限波长为λ0＝0.66μm的金属制成．若闭合开关S，用波长为λ＝0.50μm的绿光照射阴极，调整两个极板间的电压，使电流表的示数最大为0.64μA．

（1）求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．

（2）如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．

[思路点拨]饱和电流的值I与每秒内阴极发射的电子数的关系是I＝ne.电子从阴极K飞出的最大初动能Ek＝hν－W0，电子从阴极K飞向阳极A时，还会被电场加速，使其动能进一步增大．

[解析]　

（1）当阴极发射的光电子全部到达阳极时，光电流达到饱和．由电流可知每秒到达阳极的电子数，即阴极每秒发射的光电子个数

n＝

＝

个＝4.0×

1012个

根据光电效应方程，光电子的最大初动能为

Ek＝hν－W0＝h

－h

代入数据可得Ek＝9.6×

10－20J.

（2）如果照射光的频率不变，光强加倍，则每秒发射的光电子数加倍，饱和光电流增大为原来的2倍．根据光电效应实验规律可得阴极每秒发射的光电子个数

n′＝2n＝8.0×

光电子的最大初动能仍然为

Ek＝hν－W0＝9.6×

[答案]　

（1）4.0×

1012个　9.6×

10－20J　

（2）8.0×

10－20J

命题视角2　光电效应中图象问题的求解

　（多选）在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出（　　）

A．该金属的极限频率和极限波长

B．普朗克常量

C．该金属的逸出功

D．单位时间内逸出的光电子数

[解析]　依据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，当Ek＝0时，ν＝ν0，即图象中横坐标的截距在数值上等于金属的极限频率．

图线的斜率k＝

.可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量．

根据图象，假设图线的延长线与Ek轴的交点为C，其截距大小为W0，有k＝

.

而k＝h，所以，W0＝hν0.

即图象中纵坐标轴的截距在数值上等于金属的逸出功．

[答案]　ABC

（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．

（3）分析、推导得出图象的斜率及在图象横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的能力．　

　3.（2015·

高考全国卷Ⅰ）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ν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________．

根据光电效应方程Ekm＝hν－W0及Ekm＝eUc得Uc＝

－

，

故

＝k，b＝－

，得h＝ek，W0＝－eb.

答案：

ek　－eb

　对康普顿效应的理解

1．假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦的光子说，一个光子不仅具有能量E＝hν，而且还有动量．如图所示．这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由hν减小为hν′，因此频率减小，波长增大．同时，光子还使电子获得一定的动量．这样就圆满地解释了康普顿效应．

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．

　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λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中（　　）

A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′

B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′

C．能量守恒，动量守恒，且λ<

λ′

D．能量守恒，动量守恒，且λ>

[思路点拨]对康普顿现象的理解，可以类比实物粒子的弹性碰撞．

[解析]　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定律．光子与电子碰撞前光子的能量ε＝hν＝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ε′＝hν′＝h

，由ε>

ε′，可知λ<

λ′，选项C正确．

[答案]　C

光子不仅具有能量E＝hν，而且还具有动量，光子与物质中的微粒碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律．　

　4.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．美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．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．速度变小

C．光子能量变大D．波长变长

选D．光子与电子碰撞时，遵守动量守恒定律和能量守恒定律，自由电子被碰前静止，被碰后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小．故选项D正确．

精美句子

1、善思则能“从无字句处读书”。

读沙漠，读出了它坦荡豪放的胸怀；

读太阳，读出了它普照万物的无私；

读春雨，读出了它润物无声的柔情。

读大海，读出了它气势磅礴的豪情。

读石灰，读出了它粉身碎骨不变色的清白。

2、幸福幸福是“临行密密缝，意恐迟迟归”的牵挂；

幸福是“春种一粒粟，秋收千颗子”的收获. 

幸福是“采菊东篱下，悠然见南山”的闲适；

幸福是“奇闻共欣赏，疑义相与析”的愉悦。

幸福是“随风潜入夜，润物细无声”的奉献；

幸福是“夜来风雨声，花落知多少”的恬淡。

幸福是“零落成泥碾作尘，只有香如故”的圣洁。

幸福是“壮志饥餐胡虏肉，笑谈渴饮匈奴血”的豪壮。

幸福是“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的胸怀。

幸福是“人生自古谁无死，留取丹心照汗青”的气节。

3、大自然的语言丰富多彩：

从秋叶的飘零中，我们读出了季节的变换；

从归雁的行列中，我读出了集体的力量；

从冰雪的消融中，我们读出了春天的脚步；

从穿石的滴水中，我们读出了坚持的可贵；

从蜂蜜的浓香中，我们读出了勤劳的甜美。

4、成功与失败种子，如果害怕埋没，那它永远不能发芽。

鲜花，如果害怕凋谢，那它永远不能开放。

矿石，如果害怕焚烧（熔炉），那它永远不能成钢（炼成金子）。

蜡烛，如果害怕熄灭（燃烧），那它永远不能发光。

航船，如果害怕风浪，那它永远不能到达彼岸。

5、墙角的花，当你孤芳自赏时，天地便小了。

井底的蛙，当你自我欢唱时，视野便窄了。

笼中的鸟，当你安于供养时，自由便没了。

山中的石！

当你背靠群峰时，意志就坚了。

水中的萍！

当你随波逐流后，根基就没了。

空中的鸟！

当你展翅蓝天中，宇宙就大了。

空中的雁！

当你离开队伍时，危险就大了。

地下的煤！

你燃烧自己后，贡献就大了

6、朋友是什么？

朋友是快乐日子里的一把吉它，尽情地为你弹奏生活的愉悦；

朋友是忧伤日子里的一股春风，轻轻地为你拂去心中的愁云。

朋友是成功道路上的一位良师，热情的将你引向阳光的地带；

朋友是失败苦闷中的一盏明灯，默默地为你驱赶心灵的阴霾。

7、一粒种子，可以无声无息地在泥土里腐烂掉，也可以长成参天的大树。

一块铀块，可以平庸无奇地在石头里沉睡下去，也可以产生惊天动地的力量。

一个人，可以碌碌无为地在世上厮混日子，也可以让生命发出耀眼的光芒。

8、青春是一首歌，她拨动着我们年轻的心弦；

青春是一团火，她点燃了我们沸腾的热血；

青春是一面旗帜，她召唤着我们勇敢前行；

青春是一本教科书，她启迪着我们的智慧和心灵。