高中物理选修35精品学案171172 能量量子化 光的粒子性.docx

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高中物理选修35精品学案171172能量量子化光的粒子性

第1节　能量量子化

第2节　光的粒子性

学习目标

核心提炼

1.了解黑体辐射及能量子概念，知道黑体辐射的实验规律。

2个概念——黑体辐射　能量子

2个实验规律——黑体辐射　光电效应

2.了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法。

3.知道光电效应方程及其意义，感受科学家在面对科学疑难时的创新精神。

4.了解康普顿效应及其意义。

一、黑体与黑体辐射

阅读教材第27～28页，了解黑体的辐射概念，了解黑体辐射的实验规律，初步知道黑体辐射强度与温度间的关系。

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：

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1所示。

图1

（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。

思考判断

（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。

（　　）

[答案]　

（1）×　

（2）√　（3）√

二、能量子

阅读教材第28～30页内容，了解能量子概念，知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点。

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叫作能量子。

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。

思考判断

（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。

（　　）

[答案]　

（1）√　

（2）√

三、光电效应的实验规律

阅读教材第30～32页内容，了解光电效应及其实验规律。

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最小值。

不同金属的逸出功B（A.相同　B.不同）。

思考判断

（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。

（　　）

[答案]　

（1）×　

（2）×　（3）√

四、爱因斯坦的光子说与光电效应方程

阅读教材第32～35页内容，了解爱因斯坦光子说，初步掌握爱因斯坦光电效应方程及应用。

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。

思考判断

（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。

（　　）

[答案]　

（1）×　

（2）×　（3）√

五、康普顿效应和光子的动量

阅读教材第35～36页内容，了解康普顿效应及其意义，知道光子的动量。

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。

思考判断

（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。

（　　）

[答案]　

（1）√　

（2）×　（3）√

　黑体辐射的规律

[要点归纳]

1.一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、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

2.随着温度的升高，黑体辐射的各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

[精典示例]

[例1]（多选）黑体辐射的实验规律如图2所示，由图可知（　　）

图2

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]　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。

[答案]　ACD

[针对训练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

[答案]　C

　能量子的理解和计算

[要点归纳]

1.物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。

2.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：

物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。

3.能量子的能量ε＝hν，，其中h是普朗克常量，ν是电磁波的频率。

[精典示例]

[例2]人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。

普朗克常量为6.63×10－34J·s，光速为3.0×108m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是（　　）

A.2.3×10－18WB.3.8×10－19W

C.7.0×10－10WD.1.2×10－18W

[解析]　因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。

所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝

，式中E＝6ε，又ε＝hν＝h

，可解得P＝

W≈2.3×10－18W。

[答案]　A

[针对训练2]（多选）对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是（　　）

A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收

B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍

C.吸收的能量可以是连续的

D.辐射和吸收的能量是量子化的

[解析]　带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的。

故选项A、B、D正确，C错误。

[答案]　ABD

　光电效应现象及其实验规律

[要点归纳]

1.光电效应的实质：

光现象

电现象。

2.光电效应中的光包括不可见光和可见光。

3.光电子：

光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子。

4.能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关。

5.发生光电效应时，产生的光电子数与入射光的频率无关，与入射光的强度有关。

6.光电效应与光的电磁理论的矛盾

按光的电磁理论，应有：

（1）光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关。

（2）不存在截止频率，任何频率的光都能产生光电效应。

（3）在光很弱时，放出电子的时间应远大于10－9s。

[精典示例]

[例3]一验电器与锌板相连（如图3所示），用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角。

图3

（1）现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将________（填“增大”、“减小”或“不变”）。

（2）使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转。

那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针________（填“有”或“无”）偏转。

[解析]　

（1）当用紫外线灯照射锌板时，锌板发生光电效应，锌板放出光电子而带上正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，故指针发生了偏转。

当带负电的金属小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小。

（2）使验电器指针回到零，用钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外线比黄光的频率还要低，更不可能使锌板发生光电效应。

能否发生光电效应与入射光的强弱无关。

[答案]　

（1）减小　

（2）无

[针对训练3]（多选）如图4所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过。

其原因可能是（　　）

图4

A.入射光太弱

B.入射光波长太长

C.光照时间太短

D.电源正、负极接反

[解析]　金属存在截止频率，超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出。

射出的光电子的动能随频率的增大而增大，动能小时不能克服反向电压，也不会有光电流。

入射光的频率低于截止频率，不能产生光电效应，与光照强弱无关，选项B正确，A错误；电路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，选项D正确；光电效应的产生与光照时间无关，选项C错误。

[答案]　BD

　光电效应方程的理解与应用

[要点归纳]

1.光电效应方程实质上是能量守恒方程

（1）能量为ε＝hν的光子被电子所吸收，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。

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

光的强度大―→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―→遏止电压大。

[精典示例]

[例4]如图5所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。

合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6V时，电流表读数仍不为零。

当电压表读数大于或等于0.6V时，电流表读数为零。

由此可知阴极材料的逸出功为（　　）

图5

A.1.9eVB.0.6eV

C.2.5eVD.3.1eV

[解析]　由题意知光电子的最大初动能为

Ek＝eUc＝0.6eV

所以根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得

W0＝hν－Ek＝（2.5－0.6）eV＝1.9eV

[答案]　A

1.逸出功W0对应着某一极限频率νc，即W0＝hνc，只有入射光的频率ν≥νc时才有光电子逸出，即才能发生光电效应。

2.对于某一金属（νc一定），入射光的频率决定着能否产生光电效应及光电子的最大初动能，而与入射光的强度无关。

[针对训练4]（多选）如图6所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象，由图象可知（　　）

图6

A.该金属的逸出功等于E

B.该金属的逸出功等于hνc

C.入射光的频率为νc时，产生的光电子的最大初动能为E

D.入射光的频率为2νc时，产生的光电子的最大初动能为2E

[解析]　题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率νc时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hνc＝W0，即该金属的逸出功等于hνc，选项B正确；根据图线的物理意义，有W0＝E，故选项A正确，C、D错误。

[答案]　AB

1.（对黑体辐射规律的理解）能正确解释黑体辐射实验规律的是（　　）

A.能量的连续经典理论

B.普朗克提出的能量量子化理论

C.以上两种理论体系任何一种都能解释

D.牛顿提出的能量微粒说

[解析]　根据黑体辐射的实验规律，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，只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释，故选项B正确。

[答案]　B

2.（能量子的理解及ε＝hν的应用）（多选）关于普朗克“能量量子化”的假设，下列说法正确的是（　　）

A.认为带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份的

B.认为能量值是连续的

C.认为微观粒子的能量是量子化的、连续的

D.认为微观粒子的能量是分立的

[解析]　普朗克的理论认为带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份的，微观粒子的能量是量子化的，是分立的，故选项A、D正确。

[答案]　AD

3.（光电效应规律）关于光电效应，下列说法正确的是（　　）

A.当入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应

B.只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应

C.光电效应现象中存在极限频率，导致含有光电管的电路存在饱和电流

D.入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多

[解析]　光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率，与入射光的强度无关，饱和电流的大小与极限频率无关，与入射光的强度有关；入射光的光强一定时，频率越高，光子的能量值越大；入射光中的光子的数目越少，单位时间内逸出的光电子数就越少。

[答案]　A

4.（光电效应方程的理解与应用）分别用波长为λ和

λ的单色光照射同一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为1∶2，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则此金属板的逸出功为（　　）

A.

B.

C.

D.

[解析]　根据光电效应方程得

Ek1＝h

－W0①

Ek2＝h

－W0②

又Ek2＝2Ek1③

联立①②③得W0＝

，选项A正确。

[答案]　A