学年教科版高中物理选修35教案设计量子概念的诞生光电效应与光的量子说.docx

1、学年教科版高中物理选修35教案设计量子概念的诞生光电效应与光的量子说第四章 波粒二象性1量子概念的诞生2光电效应与光的量子说一、热辐射、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全反射的物体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在火炉旁边有什么感觉？投入炉中的炭块颜色怎样变化？说明

2、了什么问题？提示：我们靠近火炉时，马上会感到热，这是由于炉中燃烧的炭块在向外辐射能量我们观察投入炉中炭块的颜色，当温度较低时，炭块呈暗红色，随着温度的不断升高，它变得赤红，橙红，到最后由黄色变成白色，这表明炭块是以电磁波的形式向外辐射能量，而且在不同温度下辐射强度按电磁波波长有不同的分布二、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叫做能量子2能量子大小h，其中是电磁波的频率，h称为普朗克常量h6.6261034 Js(一般取h6.631034Js)3能量的量

3、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爱因斯坦对光电效应的解释(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109s.4逸出功使电子脱离某种金属所做功的

4、最小值不同金属的逸出功不同将锌板与验电器连在一起，然后用紫外线灯照射锌板，会发现一个奇妙的现象，验电器的指针发生了偏转，这一现象说明锌板在紫外线照射下带电了为什么会这样呢？提示：这一现象就是著名的光电效应现象，进一步的研究表明，在光照的情况下，从锌板上有电子逸出，锌板带上了正电荷四、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，频率为的光的能量子为h，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：hmv2A.(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是h，这些能量一部分用于克服金属的逸出功A，剩下的表

5、现为逸出后电子的初动能Ek.考点一 黑体辐射的规律(1)对黑体的理解：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)对黑体辐射的理解：任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称为热辐射(3)一般物体与黑体的比较：(4)对热辐射的理解在任何温度下，任何物体都会发射电磁波，并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一

6、种特性在室温下，大多数物体辐射的是不能引起视觉的波长较长的电磁波红外光；但当物体被加热到500 左右时，开始发出暗红色的可见光随着温度的不断上升，辉光逐渐亮起来，而且热辐射中较短波长的成分越来越多，即能引起视觉的电磁波越来越多，大约在1 500 时变成明亮的白炽光这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高在一定温度下，不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同例如，将钢加热到约800 时，就可观察到明亮的红色光，但在同一温度下，熔化的水晶却不辐射可见光【例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

7、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根据热辐射的定义及黑体辐射的实验规律直接判断即可【解析】根据热辐射的定义，A正确；因为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，而黑体辐射只与黑体的温度有关，故B错误，C正确；根据黑体的定义知D正确【答案】ACD总结提能 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下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射规律的是(A)解析：根据黑体辐射的规律，温度越高，辐射强度越大，辐射出的波频率高的比例增大，

8、即波长小的波比例增大，故选A.考点二能量子的理解和计算1能量子：超越牛顿的发现(1)普朗克的量子化假设：能量子：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍例如，可能是或2、3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叫做能量子；能量子公式：h，是电磁波的频率，h是一个常量，称为普朗克常量，其值h6.631034 Js；能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化(2)能量子假说的实验证实：普朗克公式与实验结果比较，发现它与实验结果“令人满意地相符”如图所示，曲线是根据普朗克的公式作出的，小圆

9、代表实验值(3)普朗克的能量子假说的意义：普朗克的能量子假说，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发现产生了革命性的影响2能量的量子化微观粒子的能量与宏观世界的能量的认识不同例如，一个宏观的弹簧振子，把小球推离平衡位置后开始振动，能量为E.第二次我们可以把它推得稍远一些，使它振动的能量稍多一些，例如1.2E或1.3E.推得更远，能量更大弹簧振子的能量不是某一个最小值的整数倍只要在弹性限度内，我们可以把小球推到任何位置，其能量可以是任何值即对弹簧振子的能量，我们说能量值是连续的；而普朗克的假说则认为，微观粒子的能量是量子化的，或说微观粒子的能量是分立的【例2】一盏电灯发光功率为1

10、00 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长6.0107 m，在距电灯10 m远处，以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为()A21017 B21016C21015 D210231每个光子的能量是多少？2电灯每秒钟产生的光能是多少，这些光能包含多少个光子？【解析】光是电磁波，辐射能量也是一份一份进行的，100 W灯泡每秒产生光能E100 J，设电灯每秒发出的光子数为n，Enhnh，在以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数n，n21017(个)【答案】A总结提能 此类题一定要注意空间想象能力，并把画面想象出来同时要注意关键字眼，如“每秒

11、”“1 m2”的理解太阳光垂直射到地面上时，地面上1 m2接收的太阳光的功率是1.4 kW，其中可见光部分约占45%.(1)假设认为可见光的波长约为0.55 m，日地间距离R1.51011 m普朗克常量h6.61034 Js，估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少？(2)若已知地球的半径为6.4106 m，估算地球接收的太阳光的总功率答案：(1)4.91044个(2)1.81014 kW解析：(1)设地面上垂直阳光的每平方米面积上每秒接收的可见光光子数为n，则有P45%nh.解得：n 个m21.751021 个m2.则所求可见光光子数Nn4R21.75102143.14(1.51011)24.

12、91044(个)(2)地球接收阳光的总功率P地Pr21.43.14(6.4106)2 kW1.81014 kW.考点三光电效应现象及其实验规律1光电效应如图所示，用紫外线灯照射锌板，与锌板相连的验电器就带正电，即锌板也带正电，这说明锌板在光的照射下发射了电子(1)定义：在光的照射下物体的电子逸出的现象，叫做光电效应，逸出的电子叫做光电子(2)光电效应的实验电路实验电路如图所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子，电源加在K与A之间，其电压通过分压电路可调，正负极可以对调电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发射的光电子，在电路中形成光电流，电流表可测量光

13、电流2光电效应的实验规律(1)实验结果饱和电流在入射光的强度与频率不变的情况下，IU的实验曲线如图所示曲线表明，当加速电压U增加到一定值时，光电流达到饱和值Im.这是因为单位时间内从阴极K逸出的光电子全部到达阳极A.若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n，则饱和电流Imne.式中e为一个电子的电荷量，另一方面，当电压U减小到零，并开始反向时，光电流并没有降为零，这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能所以尽管有电场阻碍它们运动，仍有部分光电子到达阳极A.遏止电压当反向电压等于Uc时，就能阻止所有的光电子飞向阳极A，使光电流降为零，这个电压叫遏止电压，它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A.

14、如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差，那么我们就能根据遏止电压Uc来确定电子的最大初速度和最大初动能，即EkmmveUc.光的频率相同时，光电子的最大初动能相同在用相同频率不同强度的光去照射阴极K时，得到的IU曲线如图1所示它显示出对于不同强度的光，Uc是相同的这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的截止频率(极限频率)用不同频率的光去照射阴极K时，实验结果是：频率越高，Uc越大，如图2所示；并且与Uc呈线性关系，如图3所示频率低于c的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此，c称为截止频率，对于不同的材料，截止频率不同(2)实验规律饱和电流Im的大小与入射光的强度

15、成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光线的强度无关(如图1所示，图中IO1、IO2、IO3表示入射光强度)，而只与入射光的频率有关频率越高，光电子的初动能就越大(见图3)频率低于c的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内(0，亦即hW0，c，而c就是金属的截止频率(3)最大初动能Ek发生光电效应时，电子克服金属原子核的引力逸出时，具有的动能大小不同，金属表面上的电子吸收光子后直接逸出时具有的动能最大，称为最大初动能，用Ek表示即逸出的电子动能在0Ek之间3光电

16、效应曲线(1)Ek曲线爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关，如图所示，由光电效应方程知，当hW0时，Ek0，即有电子逸出，截止频率c.电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流大，所以饱和电流与光强成正比根据光电效应方程知：EkhW0，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率呈线性关系，即Ek图象是一条直线上图是光电子最大初动能Ek随入射光频率的变化曲线横轴上的截距是阴极金属的截止频率或极限频率；纵轴上的截距，是阴极金属的逸出功负值；斜率为普朗克

17、常量(2)IU曲线右图所示的光电流强度I随光电管两极板间电压U的变化曲线中，Im为饱和光电流，Uc为遏止电压(1)利用eUcmev可得光电子的最大初动能Ekm.(2)利用Ek图线可得极限频率c和普朗克常量h.4光子说对光电效应规律的解释(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为如果光的频率低于截止频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应(2)当光的频率高于截止频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能Ekme

18、vhW0，其中W0为金属的逸出功，因此光的频率越高，电子的初动能越大(3)电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间立即挣脱束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多【例4】(多选)下列对光电效应的解释，正确的是()A金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属表面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

19、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的入射光的最低频率也不同1根据光子说的内容可知，光子的能量由谁决定，与光的强度是否有关？2金属表面的电子成为光电子，要克服哪些力而做功，需要的能量从哪儿获得？【解析】根据爱因斯坦的光子说，光的能量是由光的频率决定的，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表面，必须使电子具有足够的动能，而电子的动能只能来源于入射光的光子能量，但每个电子只能吸收一个光子，不能吸收多个光子因此当入射光的频率低于截止频率时，即使照射时间足够长，也不会发生光电效应使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这

20、种金属的逸出功，不同金属的逸出功不同故正确答案为B、D.【答案】BD总结提能 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现有a、b、c三束单色光，其波长关系为abc，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)Aa光束照射时，不能发生光电效应Bc光束照射时，不能发生光电效应Ca光束照射时，释放出的光电子数目最多Dc光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小解析：由a、b、c三束单色光的波长关系abc，及波长、频率的关系知：三束单色光的频率关系为：

21、abb，则一定有Uab，则一定有EkaEkbC若UaUb，则一定有Ekab，则一定有haEkahbEkb解析：设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有EkhW，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随的增大而增大，B项正确；又EkeU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eUhW，遏止电压U随增大而增大，A项错误；又有hEkW，W相同，则D项错误5如图所示，擦得很亮的绝缘锌板A水平固定放置，其下方水平放有接地的铜板B，两板间距离为d，两板面积均为S，正对面积为S，且SS.当用弧光灯照射锌板上表面后，A、B板间一带电液滴恰好处于静止状态试分析：(1)液滴带何种电荷？(2

22、)用弧光灯再照射A板上表面，液滴做何种运动？(3)要使液滴向下运动，应采取哪些措施？(一种即可)答案：(1)负电(2)向上运动(3)将B板向右平移解析：(1)锌板受弧光灯照射发生光电效应，有光电子从锌板A的上表面逸出，而使A板带正电荷，接地的铜板B由于静电感应而带负电，A、B板间形成方向向下的匀强电场，由液滴处于静止状态知qEmg，所以液滴带负电(2)当再用弧光灯照射A板上表面时，光电效应继续发生，使A板所带正电荷增加，A、B板间场强增强，所以qEmg，使液滴向上运动(3)要使液滴向下运动，即mgqE，mg和q不变，则必须使E变小因A板电荷量Q不变，则当B板向右移动，增大两板正对面积时，电容增大，两板间电