波粒二象性教师版.docx

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波粒二象性教师版

波粒二象性

一、量子论

1.创立标志：

1900年普朗克在德国的《物理年刊》上发表《论正常光谱能量分布定律》的论文，标志着量子论的诞生。

2.量子论的主要内容：

①普朗克认为物质的辐射能量并不是无限可分的，其最小的、不可分的能量单元即“能量子”或称“量子”，也就是说组成能量的单元是量子。

②物质的辐射能量不是连续的，而是以量子的整数倍跳跃式变化的。

3.量子论的发展

①1905年，爱因斯坦将量子概念推广到光的传播中，提出了光量子论。

②1913年，英国物理学家玻尔把量子概念推广到原子内部的能量状态，提出了一种量子化的原子结构模型，丰富了量子论。

③到1925年左右，量子力学最终建立。

二、黑体和黑体辐射

1．热辐射现象

任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。

这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。

①.物体在任何温度下都会辐射能量。

②.物体既会辐射能量，也会吸收能量。

物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。

辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。

此时温度恒定不变。

实验表明：

物体辐射能多少决定于物体的温度（T）、辐射的波长、时间的长短和发射的面积。

2.黑体

物体具有向四周辐射能量的本领，又有吸收外界辐射来的能量的本领。

黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体。

3．实验规律：

1）随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加；

2）随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动。

四、光电效应

1、光电效应

⑴光电效应在光（包括不可见光）的照射下，从物体发射出电子的现象称为光电效应。

⑵光电效应的实验规律：

装置：

如右图。

①任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应，低于极限频率的光不能发生光电效应。

②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，光随入射光频率的增大而增大。

③大于极限频率的光照射金属时，光电流强度（反映单位时间发射出的光电子数的多少），与入射光强度成正比。

④金属受到光照，光电子的发射一般不超过10－9秒。

2、波动说在光电效应上遇到的困难

波动说认为：

光的能量即光的强度是由光波的振幅决定的与光的频率无关。

所以波动说对解释上述实验规律中的①②④条都遇到困难

3、光子说

⑴量子论：

1900年德国物理学家普朗克提出：

电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份的，每一份电磁波的能量

.

⑵光子论：

1905年爱因斯坦提出：

空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子具有的能量与光的频率成正比。

即：

.

其中

是电磁波的频率，h为普朗克恒量：

h=6.63×10－34

4、光子论对光电效应的解释

金属中的自由电子，获得光子后其动能增大，当功能大于脱出功时，电子即可脱离金属表面，入射光的频率越大，光子能量越大，电子获得的能量才能越大，飞出时最大初功能也越大。

5．光电效应方程：

Ek是光电子的最大初动能，当Ek=0时，c为极限频率，c=

.

五、光的波粒二象性物质波

光既表现出波动性，又表现出粒子性

大量光子表现出的波动性强，少量光子表现出的粒子性强；频率高的光子表现出的粒子性强，频率低的光子表现出的波动性强．实物粒子也具有波动性，这种波称为德布罗意波，也叫物质波。

满足下列关系：

从光子的概念上看，光波是一种概率波.

1、黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知（　　）

A．随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加

B．随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加

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

【答案】A、C、D

【解析】由图可知，随温度升高，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，当温度降低时，上述变化都将反过来。

故A、C、D正确，B错误。

2、关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是（　　）

A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε

B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍

C．能量子与电磁波的频率成正比

D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的

解析：

根据普朗克能量子假说知，A错误，B、C正确；普朗克能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，D错误。

答案：

B、C

3．红光和紫光相比（　　）

A．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大

B．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大

C．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小

D．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小

解析：

此题只需比较红光和紫光的区别就行了，红光与紫光相比，红光波长较长、频率较低、光子能量较低、在同种介质中传播速度较快，正确答案为B。

答案：

B

4、光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400—700nm，400nm、700nm电磁辐射的能量子的值各是多少？

【答案】4.97×10－19J　2.84×10－19J

【解析】根据公式ν＝

和ε＝hν可知

400nm对应的能量子

ε1＝h

＝6.63×10－34×

J

＝4.97×10－19J

700nm对应的能量子

ε2＝h

＝6.63×10－34×

J

＝2.84×10－19J

【课后练习】

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：

黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，故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，故D错误。

答案：

C

2．关于对热辐射的认识，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：

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。

答案：

B

3．红、橙、黄、绿四种单色光中，光子能量最小的是（　　）

A．红光　B．橙光C．黄光D．绿光

解析：

在四种颜色的光中，红光的波长最长而频率最小，由光子的能量ε＝hν可知红光光子能量最小。

答案：

A

4．某种光的光子能量为E，这种光在某一种介质中传播时的波长为λ，则这种介质的折射率为（　　）

A.

B.

C.

D.

解析：

这种光的频率为ν＝

，则这种光在介质中的传播速度为v＝νλ＝

。

所以这种光在这种介质中的折射率为n＝

＝

，

即C选项正确。

答案：

C

5．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表示普朗克常量，则激光器每秒发射的能量子数为（　　）

A.

B.

C.

D.

解析：

每个激光光子的能量为ε＝h

，则激光器的发射功率为P＝nε。

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。

答案：

C

6．2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。

他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。

下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法中正确的是（　　）

A．微波是指波长在10－3m到10m之间的电磁波

B．微波和声波一样都只能在介质中传播

C．黑体的热辐射实际上是电磁辐射

D．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说

解析：

微波是一种电磁波，传播不需要介质，B错误；由于分子和原子的热运动引起一切物体不断向外辐射电磁波，又叫热辐射，C正确。

答案：

A、C、D

7．在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥着重要作用。

蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的。

假设老鼠的体温约为37℃，它发出的最强的热辐射的波长为λm。

根据热辐射理论，λm与辐射源的绝对温度T的关系近似为Tλm＝2.90×10－3m·K。

（1）老鼠发出最强的热辐射的波长为（　　）

A．7.8×10－5m

B．9.4×10－6m

C．1.16×10－4m

D．9.7×10－8m

（2）老鼠发出的最强的热辐射属于（　　）

A．可见光波段B．紫外波段

C．红外波段D．X射线波段

解析：

（1）老鼠的体温T＝（273＋37）K＝310K

由题设条件λm与T的近似关系式：

λmT＝2.90×10－3m·K

得λm＝

＝

m≈9.4×10－6m，B正确。

（2）可见光的波长范围4.0×10－7～7.0×10－7m，λm大于此范围，所以属于红外线，C正确。

也可根据老鼠的体温不高不能辐射可见光进行判断。

答案：

（1）B　

（2）C

8．二氧化碳能强烈吸收红外长波辐射，这种长波辐射的波长范围约是1.4×10－3—1.6×10－3m，相应的频率范围是________，相应的光子能量的范围是________，“温室效应”使大气全年的平均温度升高，空气温度升高，从微观上看就是空气中分子的________。

（已知普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，真空中的光速c＝3.0×108m/s。

结果取两位数字）

解析：

由c＝λν得ν＝

。

则求得频率范围为2.1×1011—1.9×1011Hz。

又由E＝hν得能量范围为1.4×10－22—1.3×10－22J。

温度越高分子无规则运动更剧烈，无规则热运动的平均动能也越大。

答案：

2.1×1011Hz—1.9×1011Hz　1.4×10－22J—1.3×10－22J　平均动能增大

9．神光“Ⅱ”装置是我国规模最大，国际上为数不多的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400J、波长λ为0.35μm的紫外激光，已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，则该紫外激光所含光子数为多少个？

（取两位有效数字）。

解析：

每个激光光子的能量为ε＝h

，该紫外激光中所含光子数为

n＝

＝

个

≈4.2×1021个。

答案：

4.2×1021

10．氦—氖激光器发出波长为633nm的激光，当激光器的输出功率为1mW时，每秒发出的光子数为多少个？

解析：

据P＝nhν，ν＝

，得

n＝

＝

≈3.2×1015（个）。

答案：

3.2×1015个

第二节、光电效应

【例1】入射光照射到某金属表面上发生了光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，则下列说法中正确的是（　　）

A．从光照射到金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加

B．逸出的光电子的最大初动能将减小

C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少

D．有可能不发生光电效应

【答案】C

【解析】入射光的强度取决于入射光子数和入射光的频率，入射光的频率保持不变，强度减弱，单位时间入射光子数将减少，但光子的能量不变，可见仍能发生光电效应，发生光电效应时，光电子的产生几乎都是瞬时的，与入射光强度无关，故A、D错误。

根据爱因斯坦光电效应方程，逸出光电子的最大初动能与入射光的频率有关，跟入射光的强度无关，所以B也是错误的。

由于逸出电子与入射光子的一对一的关系，当光的强度减弱时，单位时间入射光子数减少，因此单位时间内逸出的光电子数也将减少。

【例2】．光电效应实验的装置如图17－2－3所示，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：

用紫外线照射连接灵敏验电器的锌板，验电器的指针就张开一个角度，进一步验证知道锌板带的是正电。

这是由于在紫外线照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出去，锌板缺少电子，于是带正电。

验电器与锌板相连，验电器也带正电。

所以选项A、D正确，而C选项错误；因红外线频率小于锌的极限频率，所以用红外线照射锌板不发生光电效应，故B选项错。

答案：

A、D

【例3】铝的逸出功是4.2eV，现在将波长200nm的光照射铝的表面。

（1）求光电子的最大初动能；

（2）求遏止电压；

（3）求铝的截止频率。

【答案】

（1）3.225×10－19J　

（2）2.016V　（3）1.014×1015Hz

【解析】根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可求得最大初动能。

Ek＝eUc。

铝的截止频率由ν0＝

可求。

（1）根据光电效应方程有

Ek＝

－W0

＝

J－4.2×1.6×10－19J

＝3.225×10－19J

（2）由Ek＝eUc可得

Uc＝

＝

V＝2.016V。

（3）由hν0＝W0知

ν0＝

＝

Hz＝1.014×1015Hz。

【例4】．下列对光电效应的解释正确的是（　　）

A．金属内的每个电子能吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，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，因此使不同金属发生光电效应的入射光的最低频率也不同

解析：

每个电子只能吸收一个光子的能量，故A错误；只有当hν>W0时才发生光电效应，故B正确；光强越大，n越多，而ν不变，Ek＝hν－W0也不变，故C错误；截止频率νc＝

，W0不同，νc也不同，故D正确。

答案：

B、D

【例5】假如一个光子与一个静止的电子碰撞，光子并没有被吸收，只是被电子反弹回来，则散射光子的频率与原来光子的频率相比哪个大？

【答案】原来光子的频率大

【解析】由于光子与电子在碰撞过程中满足动量守恒定律，故在电子获得动量的同时，散射光子的动量将减小，由p＝

和ν＝

知ν＝

，故原来光子的频率大。

【课后练习】

1．如图所示，锌板与验电器相连，用紫外线灯照射锌板，发现验电器指针张开一个角度，则（　　）

A．锌板带正电，验电器带负电

B．锌板带正电，验电器带正电

C．若改用红外线照射，验电器指针仍张开

D．若改用红外线照射，验电器指针不会张开

解析：

用紫外线照射锌板，发生光电效应，锌板发射光电子，故锌板带正电，锌板上的正电荷将验电器上的负电荷吸引过来，验电器带正电，A错误，B正确；若改用红外线照射，红外线的频率低于锌的截止频率，不会发生光电效应，C错误，D正确。

答案：

B、D

2．光电效应中，从同一金属逸出的电子动能的最大值（　　）

A．只跟入射光的频率有关

B．只跟入射光的强度有关

C．跟入射光的频率和强度都有关

D．除跟入射光的频率和强度有关外，还与光照的时间有关

解析：

由爱因斯坦光电效应方程Ek＝

mv2＝hν－W0知，从同一金属逸出的光电子的最大初动能仅与入射光的频率有关，故仅A选项正确。

答案：

A

3．某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是（　　）

A．延长光照时间

B．增大光的强度

C．换用波长较短的光照射

D．换用频率较低的光照射

解析：

光照射金属时能否产生光电效应，取决于入射光的频率是否大于金属的极限频率，与入射光的强度和照射时间无关，故A、B、D选项均错误；又因ν＝

，所以C选项正确。

4．用绿光照射一光电管，能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增加，则应（　　）

A．改用红光照射

B．增大绿光的强度

C．增大光电管上的加速电压

D．改用紫光照射

解析：

由爱因斯坦光电效应方程Ek＝

mv2＝hν－W0知，光电子的最大初动能仅与入射光的频率有关，故仅D选项正确。

答案：

D

5．某种单色光的频率为ν，用它照射某种金属时，在逸出的光电子中动能最大值为Ek，则这种金属逸出功和极限频率分别是（　　）

A．hν－Ek，ν－

　　　　　B．Ek－hν，ν＋

C．hν＋Ek，ν－

D．Ek＋hν，ν＋

解析：

由光电效应方程Ek＝hν－W得W＝hν－Ek，而W＝hν0，则ν0＝

＝

＝ν－

，故A正确。

答案：

A

6.如图所示为一真空光电管的应用电路，其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014Hz，则以下判断正确的是（　　）

A．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率

B．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度

C．用λ＝0.5μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生

D．光照射时间越长，电路中的光电流越大

解析：

在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关。

据此可判断A、D错误；波长λ＝0.5μm的光子的频率ν＝

＝

Hz＝6×1014Hz＞4.5×1014Hz，可发生光电效应。

所以，选项B、C正确。

答案：

B、C

7．已知钙的逸出功是3.20eV，对此理解正确的是（　　）

A．钙中的电子脱离钙需做功3.20eV

B．钙表面的电子脱离钙需做功3.20eV

C．钙只需吸收3.20eV的能量就有电子逸出

D．入射光子的能量必须大于3.20eV才能发生光电效应

解析：

逸出功指使电子脱离某种金属所做功的最小值，它等于金属表面的电子脱离金属所做的功，故A错误，B正确；钙中的电子至少吸收3.20eV的能量才可能逸出，C错误；由光电效应发生的条件知，D正确。

答案：

B、D

8．在做光电效应的实验时，某种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7－3所示，由实验图可求出（　　）

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－W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＝tanθ＝

。

可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量。

据图象，假设图线的延长线与Ek轴的交点为C，其截距为W，有tanθ＝W/ν0，而tanθ＝h，所以W＝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：

A、B、C

9．现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa＞λb＞λc。

用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应。

若分别用a光束和c光束照射该金属，则可以断定（　　）

A．a光束照射时，不能发生光电效应

B．c光束照射时，不能发生光电效应

C．a光束照射时，释放出的光电子数目最多

D．c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小

解析：

由于光子能量公式E＝hν＝h

，根据题意，a、b、c三束单色光对应光子的能量大小分别为Ea＜Eb＜Ec，若Eb恰能使某金属发生光电效应，则a光束一定不能使该金属发生光电效应，而c光束一定能使该金属发生光电效应，故A对，B错，C错；根据光电效应方程Ek＝hν－W，可以看出，c光束照射该金属释放出的光电子的最大初动能比b光束产生的大，故D错。

答案：

A

10．下表给出了一些金属材料的逸出功。

材料

铯

钙

镁

铍

钛

逸出功

（10－19）J

3.0

4.3

5.9

6.2

6.6

现用波长为400nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有几种（普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108m/s）（　　）

A．2种B．3种

C．4种D．5种

解析：

据光子说可知，波长为λ＝400nm的单色光子的能量为：

E＝hν＝h

＝6.63×10－34×

J＝5.0×10－19J。

据光电效应方程Ek＝hν－W可知，当入射光子的能量E＝hν大于金属的逸出功W时，光电子最大初动能Ek＞0，即能发生光电效应。

由题中表格可知，入射光子的能量大于铯和钙的逸出功，而小于镁、铍、钛的逸出功。

故发生光电效应的金属只有铯和钙两种。

答案：

B

11．频率为ν的光照射某种金属，产生光电子的最大初动能为Ek，若用频率为2ν的光照射同一金属，则光电子的最大初动能是多少呢？

解析：

根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0知，当入射光的频率为ν时，可计算出该金属的逸出功W0＝hν－Ek，当入射光的频率为2ν时，光电子的最大初动能为E′k＝2hν－W0＝Ek＋hν。

答案：

Ek＋hν

12．某光电管的阴极是用金属钾制成的，它的逸出功为2.21eV，用波长为2.5×10－7m的紫外线照射阴极，已知真空中光速为3.0×108m/s，元电荷的带电量为1.6×10－19C，普朗克常量为6.63×10－34J·s，求得钾的极限频率和该光电管发射的光电子的最大初动能分别是多大？

.

解析：

W＝hν0，ν0＝

≈

Hz＝5.3×1014Hz，

由光电效应方程

Ekm＝hν－W＝h

－W＝6.63×10－34×

－2.21×1.6×10－19（J）＝4.4×10－19J。

答案：

5.3×1014Hz　4.4×10－19J

第三、四节粒子的波动性概率波

【例1】对光的认识，以下说法中正确的是（　　）

A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性

B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的

C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了

D．光的波粒二象性应理解为：

在某种情境下光的波动性表现明显，在另外某种情境下，光的粒子性表现明显

【答案】A、B、D

【解析】个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光的传播表现为波动性，光的波动性与粒子性都是光的本质属性。

因为波动性表现为粒子分布概率，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律，故正确选项有A、B、D。

【例2】．关于对光的认识，下列说法正确的是（　　）

A．频率高的光是粒子，频率低的光是波

B．光有时是波，有时是粒子

C．光有时候表现出波动性，有时候表现出粒子性

D．光既是宏观概念中的波，也是宏观概念中的粒子

解析：

波动性和粒子性是微观粒子（包括光）具有的不可分割的两种固有属性，在不同情况下，一种属性起主要作用，该属性就表现出来或属性显著。

但微观粒子的波动性和粒子性与宏观概念中的波和粒子是完全不同的。

答案：

C

【例3】关于物质波，下列认识中错误的是（　　）

A．任何运动的物体（质点）都伴随一种波，这种波叫物质波

B．X射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的

C．电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的

D．宏观物体尽管可以看做物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象

【解析】据德布罗意物质波理论知，任何一个运动的物体，小到电子、质