第十七章 波粒二象性.docx

1、第十七章 波粒二象性第十七章 波粒二象性第一节 能量量子化 第二节 光电效应教学目标一、知识目标：1）了解热辐射、黑体、黑体辐射的概念；知道黑体辐射的实验规律；2）知道普朗克量子假说；3）知道光电效应现象和规律；2）知道极限频率，知道光子说；了解光电方程及逸出功；二、能力目标：能运用光子说解释光电效应，能从能量及其转化的角度理解和应用光电效应表现出的基本规律。三、情感目标：培养学生从理论与实验结合的高度，运用抽象思维和严密的逻辑推理阐述光现象，并运用有关原理验证确保思维的正确性；从中体会全面地认识物理问题要有充分的理论和实验依据。重点难点 本节的重点：光电效应现象及光电效应的主要规律极限频率的

2、存在及物理意义、光电子的初动能与入射光强度无关以及光电效应的瞬时性；爱因斯坦的光子说及光子能量的计算。教学内容一、能量量子化：1、黑体与黑体辐射：2、黑体辐射的实验规律：3、普朗克能量子假说：二、光电效应：1、 光电效应实验及光电效应规律：2、极限频率：3、光子说及光电方程：4、光电管：5、光电效应基本规律的再认识（从能量观点的理解和应用）课堂讲练1、在演示光电效应的实验中，原来不带电的锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电的指针就张开一个角度，如图示，这时： （ ）A）锌板带正电，指针带负电；B）锌板带正电，指针带正电；C）锌板带负电，指针带正电；D）锌板带负电，指针带负电； 验电器

3、 锌片 弧光灯2、用绿光照射一金属能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出的最大初动能增大，应（ ）A）改用红光照射； B）增大绿光强度；C）增大光电管的加速电压 D）改用紫光照射。3、对于任何一种金属，产生光电效应必须满足的条件是： （ ）A）入射光的强度大于某一极限强度； B）入射光的波长大于某一极限波长；C）入射光的照射时间大于某一极限时间；D）入射光的频率大于某一极限频率。4、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，对于这两个过程，下列四个物理量中，一定相同的是 ，可能相同的是 ，一定不相同的是 。A）照射光子的能量； B）光电子的逸出功；C）光电子的动能； D

4、）光电子的最大初速度。5、当某种单色光照射到金属表面时，金属表面有光电子逸出，如果光的强度减弱，频率不变，则： （ ）A）光的强度减弱到某一最低数值时，就没有光子逸出；B）单位时间内逸出的光电子数减少； C）逸出光电子的最大初动能减少；D）单位时间内逸出的光电子数和光电子的最大初动能都要减小。6、关于光子说，正确的是 （ ）A）在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子；B）光子的能量由光的强度决定，光强大，每一份光子能量就大；C）光子的能量由光的频率决定，其能量与它的频率成正比；D）光子可以被电场加速。7、某介质中光子的能量是E，波长是，则此介质的折射率是（C为光在真空中传

5、播速度） （ ）A）E / h B）E / ch C）c h /E D）h /E8、一个功率为P=1W的光源，沿各个方向均匀辐射，照射到逸出功为2.5eV的钠片表面，测得光源距钠片的距离为R = 1m，如果照射到每个原子的光能全部被最外层电子吸收，那么请你利用经典的电磁理论推测电子要经过多长时间的能量积累才能逸出钠片的表面？ 9、太阳的辐射功率为3.861026 J/s，如果把太阳看成是频率为51014 Hz的单色光，则太阳每秒钟辐射多少个光子？能量量子化 、光电效应（作业）1、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2、用绿光照射一光电管，

6、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大，应： （ ）A）改用红光照射；B）增大绿光的强度；C）增大光电管的加速电压；D）改用紫光照射；3、在做光电管导电的实验时，光电管的阳极与电源的负极相接，阴极与正极相接，如图示，用光照射电子管，能发生光电效应： （ ）A）电路中一定没有电流； A KB）不能发生光电效应； C）电路中一定有电流； D）电路中有无电流由光电管两端的电压大小决定。4、入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而保持频率不变，那么： （ ）A）从光照射至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少；C）单位时

7、间内从金属表面逸出的光电子数目减小；D）有可能不发生光电效应。5、一束绿光照射某金属发生了光电效应，以下说法正确的是： （ ）A）若增加绿光的照射强度，则单位时间内逸出的光电子数目不变；B）若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子最大初动能增加；C）若改用紫光照射，则逸出的光电子最大初动能增加；D）若改用紫光照射，则逸出的光电子最大初动能减小。6、三种不同的入射光A、B、C分别照射在三种不同的金属a、b、c表面，恰好可使用金属中逸出光电子，若三种入射光的波长ABC，则： （ ）A）用入射光A照射金属b或c，金属c可发生光电效应现象；B）用入射光A与B同时照射金属c，金属c可发生光电效应现象；C）用

8、入射光C照射金属a或b，金属a、b均发生光电效应现象；D）用入射光B或C照射金属a，均可使金属a发生光电效应现象。7、一束单色光照射在某金属表面上，有光电子从该金属表面逸出。若设法逐步减小入射光的强度（入射光的强度始终大于零），则：（ ）A、逸出光电子数逐步减小，当入射光强度减小到某一数值时，将没有光电子逸出；B、逸出光电子的最大初动能逐步减小；C、单位时间内逸出的光电子数逐步减小，但始终有光电子逸出；D、逸出的光电子的最大初动能不变。8、关于光电效应的规律，下面说法中不正确的是：（ ）A、当某种色光照射到金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的初动能越大；B、用某种色光

9、照射金属表面时能产生光电效应，则入射光的强度越大，单位时间内产生的光电子数越多；C、对某金属，入射光波长必须大于某一极限波长，才能产生光电效应；D、同一频率的光照射到不同金属，如果都能产生光电效应，则逸出功大的金属能产生的光电子的最大初动能也越大。9、在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其它生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥重要作用。蛇是老鼠的天敌，是通过接收热辐射来发现老鼠的。假设老鼠的体温约37，它发出的最强的热辐射的波长为m。根据热辐射理论，m与辐射源绝对温度T的关系近似为mT2.90103mK。老鼠发出最强的热辐射的波长为（ ）A7.8105m B9.4106m C1.161

10、06m D9.7108m10、已知铯的极限频率为4.5451014Hz，钠的极限频率为6.0001014Hz，银的极限频率为1.1531015Hz，铂的极限频率为1.5291015Hz，当用波长为0.375m的光照射它们时，可发生光电效应的是 .11、分别用波长为和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 。12、金属钠产生光电效应的极限频率是6.01014Hz，根据能量转化和守恒定律，计算用波长为0.40m的单色光照射金属钠时，产生的光电子的最大初动能是多大？13、一个小灯泡在3伏的电压下，通过0.25A电流，

11、灯泡所发出的光经聚光后形成很细的光束，沿某个方向直线射出。设灯泡发出的光波长为6000埃，问沿光的传播方向上1m长的光束内有多少个光子？第二节 光电效应（习题课）教学目标一、知识目标： 1）知道光电效应现象和规律；2）知道极限频率，知道光子说；了解光电方程及逸出功；3）了解康普顿效应是爱因斯坦的光量子说的又一例证；知道光的散射的概念及康普顿效应及其现象的普遍性。能从定量和定性的角度解释康普顿效应；4）知道光子的动量、能量及其表达式，了解光压的概念及有关计算。5）知道光电效应和康普顿效应说明光子具有粒子性，光电效应说明光子具有能量，康普顿效应说明光子既具有能量又具有动量。 教学程序一、复习回顾：

12、光电效应：二、康普顿效应：当用可见光或紫外线作为光电效应的光源时，入射的光子将全部被电子吸收，但如果用x射线照射物质，由于它的频率高、能量大，不会被电子全部吸收，只需交出部分能量，就可以打出光电子，这样光子本身的能量减少，频率降低，波长变长，这种现象称为康普顿效应。康普顿效应可利用光子与散射物质中自由电子的弹性碰撞来解释，而这一解释的成功，是对光子说的有力支持，并说明在作用过程中，光子电子系统是遵从动量守恒定律的。三、光子的能量、质量、动量：1、光子的能量：E=h2、光子的质量：由爱因斯坦质能方程 E=mc2得m=E/c2=h/c2=3、光子的动量p=h/c=h/，其中h为普朗克恒量 h=6.

13、631034J/s，c为光速，为光的频率，为光的波长二、典型例题：例1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2.510-7m的紫外线照射阴极，已知真空中光速为3.0108m/s，元电荷为1.610-19C，普朗克常量为6.6310-34Js，求得钾的极限频率和该光电管发射的光电子的最大动能应分别是：（ ）A5.31014HZ，2.2J B5.31014HZ，4.41019JC3.31033HZ，2.2J D3.31033HZ， 4.41019J例2、对于光电效应，下面说法中正确的是：（ ）A、对于某一金属，只有波长大于某一数值的光照射，才能发生光电效应；B、光电子的

14、最大初动能与入射光的强度无关，与入射光的频率成正比；C、金属中的电子吸收任何入射光的能量积累到某一定程度，都会逸出金属表面；D、在发生光电效应的条件下，保持入射光的频率不变，则单位时间内发射光电子的数目与入射光的强度成正比。例3、利用光电管产生光电流的电路如图所示电源的正极应接在 端（填“a”或“b”）；若电流表读数为8A， 则每 秒从光电管阴极发射的光电子至少是 个（已知电子电量为 l.610-19C） 例4、如图，当电键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。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或

15、等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为：（ ）A1.9eV B0.6eV C2.5eV D3.1eV例5、用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应，现将该单色光的光强减弱，则：（ ）A光电子的最大初动能不变 B光电子的最大初动能减少C单位时间内产生的光电子数减少 D可能不发生光电效应例6、用不同频率的紫外线分别照射钨板和锌板而产生光电效应，可得到光电子的最大初动能随入射光的频率变化的-图已知钨的逸出功为3.28ev，锌的逸出功为3.34ev，若将两者的图像分别用实线与虚线画在同一-图上，则下列图中正确的（ ）例7、人眼对绿光最为敏感。正常人的眼睛接收到波长为530nm的

16、绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为，光速为，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是（ ） AW BW CW DW例8、光子不仅有能量也有动量，如图所示，一个光子与一个电子碰撞（假设碰撞前电子静止），碰前光子频率为，碰后为，图中标出了碰撞后电子的运动方向，则关于光子的频率和碰后运动方向，下列说法正确的是：（ ） A BEK，I I B.EkEK，I I C.EkI D.EkEK，I tB，那么，两种光子的能量关系：（ ） A.EAEB B.EAEB C.EA=EB D.不能确7、深沉的夜色中，在大海上航行的船舶依靠航标灯指引航道。图所示是一个航标灯自动控制电路

17、的示意图。电路中的光电管阴极K涂有可发生光电效应的金属。下表反映的是各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长，又知可见光的波长在400nm770nm (1nm=10-9m )。各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长：金属铯钠锌银铂极限频率(Hz)4.54510146.00010148.06510141.15310151.5291015极限波长(m)0.66000.50000.37200.26000.1962根据上图和所给出各种数据，你认为（1）光电管阴极K上应涂有金属_；（2）控制电路中的开关K应和_（填“a”或“b”）接触；（3）工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手压在

18、里面，造成工伤事故。如果将上述控制电路中的电灯换成驱动这些机器工作的电机，这时电路中开关K应和_接触，这样，当工人不慎将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，光控继电器衔铁立即动作，使机床停止工作，避免事故发生。8、已经证明，一秒钟内进入人眼睛瞳孔的波长为556nm的光子数为57个，我们就能感到有光（眼睛对于这个波长的绿光最灵敏）。设太阳向四周辐射的能量约为是可见的，若全部可见光光子的平均波长为556nm，在传播过程中没有能量损失，瞳孔的直径为4mm，那么距太阳多少光年的距离仍能看到太阳？（Js太阳的辐射总功率为W）9、用功率P0=1W的光源，照射离光源r=3m处的某块金属的薄片，已知光源发现的是

19、波长=589nm的单色光，试计算：（ 1）1s内打到金属板1m2面积上的光子数；（2）若取该金属原子核r1=0.51010m，则金属表面上每个原子平均需隔多少时间才能接收到一个光子？粒子的波动性、概率波、不确定性关系教学目的：1、知道实物粒子也具有波粒二象性，知道物质波并会计算其波长；2、光是一种种概率波；知道光具有波粒二象性，了解微观世界中光的波粒二象性的统一。3、比较关于光的本性的各种学说的利弊，抓住对典型的物理实验事实的理解，使知识活化，更深入了解光的波粒二象性。教学重点、难点：会利用物质波波长的计算式计算其波长。对物质波的理解教学内容：一、物质波（德布罗意波）：1、物理学把物质分为两大

20、类：（1）实物：质子、电子等 （2）场：电场、磁场2、1924年、德国的物理学家德布罗意提出：任何一个运动着的物体，如电子、质子等，都肯一种波和它对应，波长是：=h/p，其中p：运动物体的动量 h：普朗克常量，人们把这种波叫做物质波，也叫德布罗意波3、普朗克常量h很小，而宏观物体的动量p都比较大，所以宏观物体的德布罗意波的波长都很小。4、物质波很难发生衍射现象和干涉现象5、物质波也是概率波。在一般情况下，对于电子和其他微观粒子，不能用确定的坐标来描述它们的位置，因此也无法用轨迹描述它们的运动，但是它们在空间各处出现的概率是受波动规律支配的。二、物质波概念的实验验证1923年德布罗意曾预言，电子

21、应该显示波的特性美国物理学家戴维孙（18811958）和助手革末（18961971）曾观测到电子束垂直地打击镍靶（单晶）时，反射的电子束强度不是到处相同的德布罗意的假说发表后，他们才认定这是电子波动性的证据1925年他们又作了精密的测量从实验测得的电子束的波长为1.6510-8厘米，这个数值和根据德布罗意关系式计算出的值1.6610-8厘米吻合得极好1927年英国物理学家JJ汤姆逊之子乔治汤姆逊用高能电子束穿透金属膜，并用照相术记录了电子的衍射花样，测出了电子束波长也与德布罗意关系式的计算值一样，从而有力地证实了物质波的存在 三、概率波：1、粒子的波粒二象性：2、光的波粒二象性光在传播过程中表

22、现出波动性，如干涉、衍射等现象。光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应等。光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性四、不确性关系：因为微观粒子具有十分明显的 性，所以不能象宏观物体运动那样可以用精确的轨道来描述；对光子的测量越精确，其动量的不确定性就越 ，用表示微观粒子的不确定性，用表示微观粒子动量的不确定性，则两者的关系为 ，上式称 。典型例题例1、某电视机显像管中电子的运动速度为4.0107m/s；质量为10g的子弹运动速度为200例：某电视显像管中电子的运动速度是4.0107m/s；质量为10g的一颗子弹的运动速度是200m/s。分别计算它们的德布罗意波长。例2、试估算一个中学生在跑

23、百米时的德布罗意波的波长。例3、1961年德国学者约恩孙发表了一篇论文，介绍了他用电子束做的一系列衍射和干涉实验。其中他做的双缝干涉实验，与托马斯杨用可见光做的双缝干涉实验所得到的图样基本相同，这是对德布罗意的物质波理论的又一次实验验证。根据德布罗意理论，电子也具有波粒二象性，其德布罗意波长，其中h为普朗克常量，p为电子的动量。约恩孙实验时用50kv电压加速电子束，然后垂直射到间距为毫米级的双缝上，在与双缝距离约为35cm的衍射屏上得到了干涉条纹，但条纹间距很小。下面所说的4组方法中，哪些方法一定能使条纹间距变大？ （ ） A降低加速电子的电压，同时加大双缝间的距离 B降低加速电子的电压，同时

24、减小双缝间的距离C加大双缝间的距离，同时使衍射屏靠近双缝D减小双缝间的距离，同时使衍射屏远离双缝例4、在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近已知中子质量m=1.671027kg，普朗克常量h=6.631034Js，可以估算德布罗意波长=1.821010m的热中子动能的数量级为：（ ）A1017J B1019J C1021J D1024 J例5在光的双缝干涉实验中，若在光屏处放照相底片，并设法控制入射光线强度和曝光时间，则下列描述中正确的是：（ ）A、若曝光量很小，底片上会出现一些分布不规则的亮点，显示出光的粒子性B、即使曝光量很小，底片上也会

25、显示出明暗相间的条纹，证明光具有波动性C、若曝光量足够大，底片上会出现亮度均匀的光斑，显示出光的波动性D、若曝光量足够大，底片上会出现明暗相间的条纹，证明光具有波动性例6、 不确定关系式表示在x方向上 ： （ ）(A) 粒子位置不能确定 (B) 粒子动量不能确定(C) 粒子位置和动量都不能确定 (D) 粒子位置和动量不能同时确定例7、 波长 = 5000 的光沿x轴正方向传播，若光的波长的不确定量=10，则利用不确定关系可得光子的x坐标的不确定量至少为： （ ） (A) 25cm （B）50cm (C) 250cm (D) 500cm 粒子的波动性、概率波、不确定性关系（作业）1、揭示光具有粒

26、子性的实验是： （ ）A）光通过三棱镜的色散实验 B）光的双缝干涉实验C）光电效应实验 D）光的单缝衍射实验2、关于光的性质，下列叙述中正确的是： （ ）A）在其他条件相同的情况下，光的频率越高，衍射现象越容易看到；B）频率越高光的粒子性越显著，频率越低光的波动性越显著；C）大量光子产生的效果往往显示出波性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性；D）如果让光子一个一个地通过狭缝时，它们将严格按照相同的轨道和方向做极有规则的匀速直线运动。3、下列哪组现象说明光具有波粒二象性： （ ）A）光的色散和光的干涉 B）光的干涉和光的衍射C）泊松亮斑和光电效应 D）以上说法都不正确4下表列出了几种不同物体在

27、某种速度下的德布罗意波长和频率为1MHZ的无线电波的波长，根据表中数可知 （ ）质量（kg）速度（m/s）波长（m）弹子球电子（100ev）无线电波（1MHZ）A要检测弹子球的波动性几乎不可能 B无线电波通常情况下表现出波动性C电子照射到金属晶体上才能观察到它的波动性 D只有可见光才有波粒二象性5.物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中,在光屏处放上照相底片.若减弱光流的强度,使光子一个一个地通过狭缝实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只能出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长,底片下就会出现有规则的干涉条纹,对这个实验结果有下列认识,其中正确的是( )A、曝光时间不长时,光的能量

28、太小,底片上的条纹看不清楚,故出现不规则的点子.B、单个光子的运动没有确定的轨道.C、干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方.D、只有大量光子的行为才表现出波动性.6.1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现，有些散射波的波长比入射波的波长略大。下列说法中正确的是：（ ）A.有些X射线的能量传给了电子，因此X射线的能量减小了 B.有些X射线吸收了电子的能量，因此X射线的能量增大了C.X射线的光子与电子碰撞时，动量守恒，能量也守恒 D.X射线的光子与电子碰撞时，动量不守恒，能量守恒7、下列关于物质波的认识中正确的是 ( )A任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波