2016-2017学年高中物理 第17章 波粒二象性新人教版选修3-5_1

成才之路 物理 路漫漫其修远兮 吾将上下而求索 人教版 选修 3-5 波粒二象性 第十七章 第一节 能量量子化 第二节 光的粒子性 第十七章 学习目标定位1 课堂情景切入2 知识自主梳理3 重点难点突破4 考点题型设计5 课 时 作 业7 易错案例剖析6 学习目标定位 认识黑体和黑体辐射的概念 理解能量子的概念，掌握计算能量子的方法 知道光电效应的实验规律 掌握爱因斯坦的光电效应方程 了解康普顿效应及光子的动量 课堂情景切入 如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针发生了变化，这说明锌板带了 电。你知道锌板是怎样带上电的吗？ 知识自主梳理 1 热辐 射 (1)定义：我们周围的一切物体都在辐射 _，这种辐射与物体的 _ 有关，所以叫热辐射。 (2)特征：热辐射强度按波长的分布情况随物体的 _而有所不同。 黑体与黑体 辐 射 电磁波 温度 温度 2 黑体 (1)定义：如果某种物体在任何温度下能够完全吸收入射的 _而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 (2)黑体辐射的特征：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 _有关。 各种波长的电磁波 温度 3 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 _有关，如图所示。 (1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都 _； (2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长 _的方向移动。 温度 增加 较短 1 定 义 普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的 _，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 _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 整数倍 一份一份 2 能量子大小 h，其中 是电磁波的频率， h称为 _常量， h 6.62610 34Js( 一般取 h 6.6310 34Js)。 3 能量的量子化 在微观世界中能量是 _的，或者说微观粒子的能量是 _的。 普朗克 量子化 分立 1 光 电 效 应 照射到金属表面的光，能使金属中的 _从表 面逸出的现象。如图所示。 2 光 电 子 光电效应中发射出来的 _。 光 电 效 应 电子 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， _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 _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 _有关，而与入射光的 _无关，当入射光的频率低于 _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 _发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过 _ s。 饱和 光电子数 频率 强弱 截止频率 瞬时 10 9 1 光子 光不仅在发射和吸收时能量是 _的，而且光本身就是由一个个不可分割的 _组成的，频率为 的光的能量子为 h， h为普朗克常量。这些能量子后来被称为光子。 2 爱 因斯坦光 电 效 应 方程 在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 _，这些能量的一 部分用来克服金属的 _ W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能 Ek，即 h _或 Ek _ 爱 因斯坦的光 电 效 应 方程 一份一份 能量子 h 逸出功 Ek W0 h W0 1 光的散射 光在介质中与 _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 0相同的成分外， 还有 _的成分，这个现象称为康普顿效应。 康普 顿 效 应 物质微粒 波长大于 0 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 _，光子的动量 _，因此，有些光子散射后波长变 _。 光子的 动 量 电子 变小 长 重点难点突破 2 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有关，与材料的种类及 表面状况有关 既吸收，又反射，其能力与材料的种类及入射光 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 特 别 提醒： (1)热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。 (2)黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在。 (3)黑体看上去不是一定是黑的，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，例如：炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体 (如太阳、白炽灯灯丝 )也被看作黑体来处 理。 答案： 根据热辐射规律可知，人的体温的高低，直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度。通过监测被 测者辐射的红外线的情况就知道这个人的体温。 二、能量量子化 1 能量子 物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的，只能是 h的整数倍 ， h称为一个能量量子，其中 是谐振子的振动频率， h是一个常数，称为普朗克常量。 2 普朗克常量 h 6.6310 34Js 3 意 义 可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象。 4 量子化 现 象 在微观世界中物理量分立取值的现象称为量子化现象。 5 量子化假 设 的意 义 普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗 克常量 h是自然界中最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征。 答案： 人的个数，自然数，汽车等。 三、光 电 效 应 中几个易混淆的概念 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 动 能与光 电 子的最大初 动 能 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；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 光子的能量即每个光子的能量，其值为 E h(为光子的频率 )，其大小由光的频率决定。入射光的强度指单 位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量；入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积。 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。 特 别 提醒： (1)光电效应的实质是光现象转化为电现象。 (2)发生光电效应时，饱和光电流与入射光的强度有关，要明确不同频率的光、不同金属与光电流的对应关系。 四、 对 光 电 效 应 方程的理解 1 光 电 子的 动 能 方程 Ek h W0中， Ek为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零 到最大值范围内的任何数值。 2 方程 实质 方程 Ek h W0实质上是能量守恒方程。 特 别 提醒： (1)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。 (2)光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系。 (1)当变阻器的滑片 P向 _滑动时 (填 “左 ”或 “右 ”)，通过电流表的电流将会减小。 (2)由乙图 I U图象可知光电子的最大初动能为 _。 (3)如果不改变入射光的频率，而减小入射光的强度，则光电子的最大初动能 _(填 “增加 ” 、 “减小 ”或 “不变 ”)。 答案： (1)右 (2)2eV或 3.210 19J (3)不变 解析： (1)将滑片 P向右滑 动时 ，反向 电压 增大，通 过电 流表的 电 流会减小。 (2)由乙 图 可知截止 电压为 2V，所以光 电 子的最大初 动 能 Ekm 2eV。 (3)光 电 子的最大初 动 能与入射光的 强 度无关。 五、康普 顿 效 应 1 光子 说对 康普 顿 效 应 的解 释 (1)假定 X射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量 减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。 (2)康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。 2 光 电 效 应 与康普 顿 效 应 的 对 比 (1)光电效应与康普顿效应都说明了光具有粒子性。 (2)波长较短的 X射线或 射线产生康普顿效应，波长较长的可见光或紫外光产生光电效应。 答案： 1 变长 解析： 因光子与 电 子的碰撞 过 程 动 量守恒，所以碰撞之 后光子和 电 子的 总动 量的方向与光子碰前 动 量的方向一致， 可 见 碰后光子运 动 的方向可能沿 1方向，不可能沿 2或 3方向； 通 过 碰撞，光子将一部分能量 转 移 给电 子，能量减少，由 E h知， 频 率 变 小，再根据 c 知，波 长变长 。 考点题型设计 黑体与黑体 辐 射 解析： 黑体自身 辐 射 电 磁波，不一定是黑的， 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， B错 误 ， C正确。小孔只吸收 电 磁波，不反射 电 磁波，因此小孔成 了一个黑体，而不是空腔， D错误 。 答案： C 点 评 ： 黑体完全吸收 电 磁波而不反射，同 时 其本身也 辐 射 电 磁波；黑体 辐 射 电 磁波的 强 度按波 长 的分布只与温度有 关，与其他因素无关。 A向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度相同 B辐射强度的极大值随温度升高而向短波方向移动 C向外辐射的电磁波的总能量随温度升高而减小 D向外辐射的电磁波的波长范围是相同的 答案： BD 解析： 从 图 中可以看出，温度越高，向外 辐 射同一波 长 的 电 磁波的 辐 射 强 度越大，故 A错误 ；从 图 中可以看出， 辐 射 强 度的极大 值 随温度升高而向短波方向移 动 ，故 B正确；从 图 中可以看出，向外 辐 射的 电 磁波的 总 能量随温度升高而增 强 ，故 C错误 ；从 图 中可以看出，黑体可以 辐 射出任何 频 率的 电 磁波，故向外 辐 射的 电 磁波的波 长 范 围 是相同的，故 D正确 ；故 选 B、 D。 普朗克能量子假 说 答案： 3.1410 19J 5.731016个 点 评 ： 求解本 题 的关 键 有两点：一是能根据已知条件求 得每一个光子的能量，另外必 须 明确激光器 发 射的能量由 这 些 光子能量的 总 和 组 成。 答案： C 解析： 红 、黄、 绿 、 蓝 四种 单 色光的 频 率依次增大，光 从真空 进 入介 质 ， 频 率不 变 ， B错 。由色散 现 象，同一介 质 对频 率大的光有大的折射率， A错 。 频 率