高中物理第十七章波粒二象性第12节能量量子化光的粒子性教学案新人教版选修35.docx

高中物理第十七章波粒二象性第12节能量量子化光的粒子性教学案新人教版选修35.docx

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高中物理第十七章波粒二象性第12节能量量子化光的粒子性教学案新人教版选修35

第1、2节能量量子化__光的粒子性

1．能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。

黑体辐射电磁波的强度只与黑体的温度有关。

2．能量子：

不可再分的最小能量值ε，ε＝hν。

3．照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象，叫光电效应。

爱因斯坦光电效应方程：

Ek＝hν－W0。

4．光电效应现象和康普顿效应均说明了光具有粒子性。

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电磁波，这种辐射与物体的温度有关。

2．黑体

指能够完全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温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。

4．黑体辐射的实验规律

图1711

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，如图1711所示。

（1）随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加；

（2）随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

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ε的整数倍，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一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。

2．能量子大小：

ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。

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量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。

三、光电效应的实验规律

1．光电效应：

照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。

2．光电子：

光电效应中发射出来的电子。

3．光电效应的实验规律：

（1）存在着饱和光电流：

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）存在着遏止电压和截止频率：

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。

（3）光电效应具有瞬时性：

光电效应几乎是瞬间发生的，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最小值。

不同金属的逸出功不同。

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ν的光的能量子为hν，这些能量子被称为光子。

2．爱因斯坦的光电效应方程：

（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。

五、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，这种现象叫做光的散射。

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：

康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面。

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变大。

1．自主思考——判一判

（1）黑体一定是黑色的。

（×）

（2）热辐射只能产生于高温物体。

（×）

（3）能产生光电效应的光必定是可见光。

（×）

（4）经典物理学理论不能合理解释康普顿效应。

（√）

（5）微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。

（√）

（6）能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。

（√）

2．合作探究——议一议

（1）不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的最大初动能是否相同？

提示：

由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同，由光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光电子的最大初动能是不同的。

（2）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再散射只向前传播。

对黑体和黑体辐射的理解

1．黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况，但如果做一个闭合的空腔，在空腔表面开一个小孔，小孔就可以模拟一个黑体，如图1712所示。

这是因为从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从空腔射出。

图1712

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；有些可看作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。

3．黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关。

4．一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点

热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。

在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。

热辐射特点

吸收、反射的特点

一般

物体

辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、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的波长等因素有关

黑体

辐射电磁波的强弱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

1．（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

解析：

选ACD　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。

2．（多选）黑体辐射的实验规律如图1713所示，由图可知（　　）

图1713

A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加

B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加

C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动

D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动

解析：

选ACD　由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误。

光电效应中的五组概念

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

光子的能量即一个光子的能量，其值为ε＝hν（ν为光子的频率），可见光子的能量由光的频率决定。

入射光的强度指单位时间内照射到单位面积上的总能量，等于光子能量hν与入射光子数n的乘积，即光强等于nhν。

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。

[典例]　（多选）在光电效应实验中，用频率为ν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ν的光照射，一定不发生光电效应

D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大

[思路点拨]　

（1）入射光的频率必须大于金属的极限频率才能发生光电效应。

（2）当发生光电效应时，入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大。

[解析]　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ν的光照射，但只要光的频率大于极限频率ν0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hν－W逸＝mv2得：

光频率ν增大，而W逸不变，故光电子的最大初动能变大，D项正确。

[答案]　AD

对光电效应问题的三点提醒

（1）能否发生光电效应与入射光的频率有关。

（2）饱和光电流的大小与入射光的强度有关。

（3）光电子的最大初动能与入射光的频率及金属逸出功有关。

1．（多选）光电效应实验的装置如图1714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（　　）

图1714

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AD　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．某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，c表示光速，h为普朗克常量，则激光器每秒发射的光量子数为（　　）

A.　　　　　　　　　B.

C.D．λPhc

解析：

选A　每个光量子的能量ε＝hν＝，每秒钟发射的总能量为P，则n＝＝。

3．用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应。

在这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是________，可能相同的是________，一定不相同的是________。

A．光子的能量B．金属的逸出功

C．光电子动能D．光电子最大初动能

解析：

光子的能量由光频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同；逸出功只由材料决定，锌片和银片的光电效应中，光电子的逸出功一定不相同；由Ek＝hν－W0，照射光子能量hν相同，逸出功W0不同，则电子最大初动能不同；由于光电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的初动能分布在零到最大初动能之间。

所以，在两个不同光电效应的光电子中，有时初动能是可能相等的。

答案：

A　C　BD

光电效应方程及其应用

1．光电效应方程Ek＝hν－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。

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