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第十七章 波粒二象性第一节 物理学的新纪元：能量量子化教学目标1 了解黑体辐射，感悟以实验为基础的科学探究方法。2 了解能量子的概念及提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想。3 通过观察辐射图象培养学生观察能力4 了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。基础达标1、黑体：是指能够 吸收入射的各种波长的电磁波而不发生 的物体。2、热辐射：周围的一切物体都在辐射 。这种辐射与 有关。3、黑体辐射的实验规律(1)一般材料的物体，辐射的电磁波除与 有关外，还与材料的种类及表面状况有关。（2）黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 有关。随着温度的升高，各种波长的辐射强度都 。随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较 的方向移动。4、量子化假说黑体的空腔壁是大量振子（振动着的带电微粒）组成的，其能量只能是某一最小能量值的 倍。当振子辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值 地进行。5、能量子（1）定义：不可再分的最小能量值（2）关系式：，式中v是 ，h是一个 ，且h= .6、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，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量h是自然界最基本的常量之一。它体现了微观世界的基本特征。7、对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的因素是（ ） 。A 温度 B. 材料 C . 表面状况 D. 以上都正确 知识点二 黑体辐射性实验定律8. 黑体辐射性的实验定律:随着温度的提高,一方面,各种波长的辐射强度都有 ;另一方面,辐射强度的最大值向 的方向移动,如图17-1-1所示.知识点三 能量子9第一次提出量子化观点的物理学家是（ ） .A 维恩 B 普朗克 C 牛顿 D 卢瑟福7.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方法.技巧练习10、. 普朗克公式的应用: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（ ） .A 2.2X10 15 B 3.2X1015 C 2.2X1014 D 3.2X101411一束红光从空气射入折射率为1.5的玻璃,则这束红光的能量将（ ） .A变小 B 变大 C 不变 D 不能确定12、.已知某种单色光的波长为,在真空中光速为C , 普朗克常数为h,则电磁波辐射的能量子E的值为（ ） .A B C D 以上均不正确第二节 科学的转折：光的粒子性教学目标1 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。2 知道爱因斯坦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。3 了解康普顿效应及其意义。基础达标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，发射出来的电子叫做 。2、光电效应的实验规律（1）存在着 电流，在一定的光照条件下，随着所加电压的 ，光电流趋于一个饱和值，入射光越强，饱和电流 ，即入射光越强，单位时间内发射的光电子数 。（2）存在着 电压和 频率。只有施加 电压且达到某一值时才会使光电流为零，这一电压称为 电压， 电压的存在说明光电子具有一定的 。光电子的能量只与入射光的 有关，而与入射光的 无关。刚好不能发射光电效应时，入射光的频率称为 频率。（3）光电效应具有 ，当入射光的频率超过截止频率时，无论光多么微弱产生电流的时间不超过，光电效应几乎是瞬时的。3、逸出功：电子从金属中溢出所需做功的 ，不同金属的逸出功 。4、爱因斯坦的光电效应方程（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 组成的，这些能量子被称为 ，频率为的光的能量子为 。（2）、光电效应方程（a）表达式： 或 （b）物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是，这些能量一部分用于克服金属的 ，剩下的表现为逸出后电子的 。5、康普顿效应和光电子的动量(1)、光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，使光的传播方向 的现象。(2)、康普顿效应:：在光的散射中，除了与入射波长 的成份外，还有波长 的成份。(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 性的一面。(4)、光子的能量（1）表达式： 。（2）说明：在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因此有些光子散射后波长变 。6、真空中钠的极限波长是0.5000微米，用eV作单位，钠的逸出功的数量级是（ ） A. 102 B. 101 C. 100 D. 10-1 7、频率为51014Hz的单色光，真空中波长是_m；每个光子的能量是_eV。8、一束蓝光照射某种金属能产生光电效应，要提高光电子最大初动能，可以采取的措施有（ ） A.改用一束光强更大的红外光 B. 改用一束光强更小的紫外光 C. 换用逸出功更大的金属 D. 换用逸出功更小的金属9、绿光照射某种金属表面才能有光电子逸出，要使单位时间内从金属表面逸出的光电子数增加，可以采取以下哪些措施（）A. 改用强度相同的紫光照射 B. 改用强度相同的蓝光照射 C.改用强度更大的红光照射 D.改用强度更大的蓝光照射10、4种金属截止频率如下：A.铯：4.4551014Hz B.钠：6.0001014HzC.银：1.1531015Hz D.铂：1.5291015Hz用=0.375微米的单色光照射时，能发生光电效应的金属是( )11、金属铂的逸出功为8.0eV，用0.3微米的紫外光照射铂（ ）A.能发生光电效应 B.不能发生光电效应C.增加照射光强度就能发生光电效应 D.提高照射光波长就能发生光电效应12、具有5.0eV能量的光子射到某一金属表面，从金属表面逸出的光电子最大初动能是1.5eV，则使该金属发生光电效应的入社光光子能量必须不小于（ ）A.6.5eV B.5.0eVC.3.5eV D.1.5eV13、光电管工作电路如图所示，图中电源正极是_；若使该光电管正常工作的入射光最大波长为，则能使光电管正常工作的入射光子最小能量应为_。14、上题中，要增大光电管的光电流，应采取的措施是（ ）A.提高入射光的波长 B.提高入射光频率C.增加入射光强度 D.延长照射光时间15、发射功率为10W的单色光源能发出4000的单色光，该光源每分钟发出光电子数是_个，光电管电流为0.64微安，1min从 阴极表面逸出的光电子数是_个。16、爱因斯坦的光电效应方程表达式是_.根据这一方程，光电子最大初动能Ek和入射光频率v的关系可以表达成如图21-3所示图像，图中直线AB的斜率表示_，A点横坐标表示_，C点纵坐标绝对值则表示_.这三者的关系是_.17铝的逸出功是4.2eV,现在用波长为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)求铝的极限频率.18 如图17-2-6所示,用导线将验电器与洁净锌版连接,触摸锌版使验电器指示归零,用紫外线照射锌版,验电器的指示针发生偏转,接着用毛皮摩檫过的胶棒接触锌版,发现验电器指针张角减小,此现象说明锌版带（ ）电(选填正或负);若改用红外线重复以上实验,结果发现验电器指针根本不会偏转,说明金属锌的极限频率（ ）红外线的频率.(选填大于或小于)19（2001年上海卷）A、B两幅图是由单色光分别射到圆孔而形成的图象，其中图A是光的 （填干涉或衍射）图象。由此可以判断出图A所对应的圆孔的孔径 （填大于或小于）图B所对应的圆孔的孔径。 图A 图B20（2001年上海卷）光电效应实验的装置如图所示，则下面说法中正确的是（ AD ）A用紫外光照射锌板，验电器指针会发生偏转B用红色光照射锌板，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 第三节 崭新的一页：粒子的波动性1 通过实验分析，了解光的波粒二象性的内容，感受微观粒子运动的复杂性。2 知道实物粒子具有波动性，领会对称性的研究方法，感悟科学家的探究精神。3 通过对物质波的实验验证内容的学习，感受实验研究这一重要的研究方法。4 通过对科学漫步的阅读，感受科学的成就推动了技术的进步。基础达标1、光的本性：光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有 性。光电效应和康普顿效应表明光具有 性，即光具有 性。2、光子的能量和动量关系式（1）关系式： ，p= 。（2）意义：能量和p是描述物质的 性的重要物理量；波长和频率是描述物质的 性的典型物理量。因此和揭示了光的 性和 性之间的密切关系。4、1924年，法国巴黎大学的 在博士学位论文中提出假设：实物粒子也具有 性，即每一个 粒子都与一个对应的 相联系，粒子的能量与动量p跟它所对应的频率与波长之间遵从：= ，= 。这种与实物粒子相联系的波叫 ，又叫 。5、1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用 做了电子束衍射的实验，得到了电子束的衍射图样，证实了电子的 性。6下列说法正确的是（ ） A 有的光是波，有的光是粒子。B 光子和电子是同样的一种粒子。C 光的波长越长，其波动越显著；波长越短，其粒子性越显著。D Y射线具有显著的粒子性，而不具有波动性。7关于对物质波的认识，正确的是（ ） A 电子的衍射证实了物质波的假设是正确的。 B 物质波也是一种概率波。 C 任何一个物体都有一种波和它对应。这就是物质波。 D 任何一种运动的物体都有一种波和它对应。这就是物质波。8为了验证光的波粒二象形，在双缝干涉实验中将光屏换成照片底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是（ ） A 使光子一个一个的通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样。B 使光子一个一个的通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样。C 大量光子的运动规律显示出光的波动性。D 个别光子的运动显示光的粒子性。9某电视显象管中电子的运动速度是4.0X107m/s，质量为10g的一棵子弹的运动速度是200m/s，分别计算它们的德布罗意波波长。10一个频率为5X10Hz的光子，具有的动量是多少？一个运动电子的动量与该光子的动量相同，该电子的运动速度是多少？该运动电子对应的物质波的波长是多少？第四节 概率波 第五节 不确定性关系教学目标1 了解经典粒子和波的摸型。2 了解概率波的内容。3通过分析实验，体会微观粒子波粒二象性模型的建立过程。4 初步了解不确定性关系的内容。5 了解模型在物理学发展中的重要作用及其局限性。体会人类对自然界的探究是不断深入的。基础达标1、经典的粒子：粒子有一定的 ，有一定的 ，有的还具有电荷。运动的基本特征是：在任意时刻有确定的 和 ，在空间中有确定的 。2、经典的波：经典波空间中是弥散开来的，基本特征是具有 和 ，即具有时空的 。3、光波是一种概率波：光的波动性不是光子之间相互作用的结果，而是光子 的性质，光子在空间出现的概率可以通过 确定，所以，光波是一种概率波。4、物质波也是概率波：对于电子和其它微观粒子，单个粒子的位置是 但在某点出现的概率的大小可以由 确定。而且，对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，所以物质波也是概率波。5、微观粒子运动的基本特征：不再遵守 定律，不可能同时准确地知道粒子的 和 ，不可能用“ ”来描述粒子的运动，微观粒子的运动状态只能通过 做统计性的描述。6、不确定性关系：以表示粒子位置的不确定量。以表示粒子在x方向的动量的不确定量，那么，式中h是普朗克常量。说明：（1）不确定性关系式量子力学的一条基本原理，是物质的 的生动体现。（2）由可知，虽然我们不能准确知道单个粒子的实际运动情况，但粒子出现的位置并不是无规律可循的。我们可以知道 运动的统计规律，可以知道粒子在某点出现的概率。7由实验表明（ ） A 个别微观粒子的行为表现为粒子性，大量微观粒子的行为表现为波动性。 B 微观粒子的波动性是微观粒子本身的一种属性，不是微观粒子间的相互作用引起的。 C 单个微观粒子的落点位置是不可预知的（不确定的），但在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定。 D 粒子表现为波动性时，就不具有粒子性了；表现为粒子性时，就不具有波动性了。8在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上，假设现在只让一个光子从单缝通过，则该光子（ ） A 一定落在中央亮纹处。 B 一定落在亮纹处。 C 可能落在暗纹处。 D落在中央亮纹处的可能性最大。9 物质波也是概率波，在如上图所示的电子衍射图样中，电子落在“亮圆”上的概率 ( )填大或小），落在“暗圆”上的概率( )填大或小）。第十七章 波粒二象性 检 测 题（满分100分 时间90分钟）一、选择题（每小题4分，共48分。在每小题给出的四个选项中有一个或多个选项正确。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的或不答的得0分。）1下列关于光电效应的说法正确的是（ ）A若某材料的逸出功是W，则它的极限频率B光电子的初速度和照射光的频率成正比C光电子的最大初动能和照射光的频率成正比D光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大2在下列各组所说的两个现象中，都表现出光具有粒子性的是（ ）A光的折射现象、偏振现象 B光的反射现象、干涉现象C光的衍射现象、色散现象 D光电效应现象、康普顿效应3关于光的波粒二象性的理解正确的是 （ ）A大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性B光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C高频光是粒子，低频光是波D波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著4当具有5.0 eV能量的光子照射到某金属表面后，从金属表面逸出的电子具有最大的初动能是1.5 eV为了使这种金属产生光电效应，入射光的最低能量为（ ）A1.5 eVB3.5 eV C5.0 eVD6.5 eV5紫外线光子的动量为一个静止的吸收了一个紫外线光子后（ ）A仍然静止 B沿着光子原来运动的方向运动C沿光子运动相反方向运动 D可能向任何方向运动6关于光电效应，以下说法正确的是（ ）A光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B光电子的最大初动能越大，形成的光电流越强C能否产生光电效应现象，决定于入射光光子的能量是否大于或等于金属的逸出功D用频率是的绿光照射某金属发生了光电效应，改用频率是的黄光照射该金属一定不发生光电效应7在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是（ ）A使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现衍射图样B单个光子通过单缝后，底片上会出现完整的衍射图样C光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏D单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现出随机性，大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性8用波长为和的单色光A和B分别照射两种金属C和D的表面单色光A照射两种金属时都能产生光电效应现象；单色光B照射时，只能使金属C产生光电效应现象，不能使金属D产生光电效应现象设两种金属的逸出功分别为和，则下列选项正确的是（ ）A ， B ，C ， D ，9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=1.6710-27 kg，普朗克常量h=6.6310-34 Js，可以估算出德布罗意波长=1.8210-10 m的热中子的动量的数量级可能是（ ）A10-17 kgm/sB10-18 kgm/s C10-20 kgm/s D10-24 kgm/s10如图所示为一光电管的工作原理图，当用波长为的光照射阴极K时，电路中有光电流，则（ ）A换用波长为()的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流B换用波长为 ()的光照射阴极K时，电路中一定有光电流C增加电路中电源的路端电压，电路中的光电流一定增大D将电路中电源的极性反接，电路中可能还有光电流112003年全世界物理学家评选出“十大最美物理实验”，排名第一的为1961年物理学家利用“托马斯杨”双缝干涉实验装置，进行电子干涉的实验从辐射源辐射出的电子束经两靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干涉条纹，该实验说明（ ）A光具有波动性B光具有波粒二象性C微观粒子也具有波动性D微观粒子也是一种电磁波12要观察纳米级以下的微小结构，需要利用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜有关电子显微镜的下列说法正确的是（ ）A它是利用了电子物质波的波长比可见光短，因此不容易发生明显衍射B它是利用了电子物质波的波长比可见光长，因此不容易发生明显衍射C它是利用了电子物质波的波长比可见光短，因此更容易发生明显衍射D它是利用了电子物质波的波长比可见光长，因此更容易发生明显衍射二、本题共3小题，共20分把答案填在题中的横线上13（8分）如右图所示，一验电器与锌板相连，在A处用一紫外线灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角（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（3）实验室用功率P=1 500 W的紫外灯演示光电效应紫外线波长=2 53 nm，阴极离光源距离d=05 m，原子半径取r=0510-10 m，则阴极表面每个原子每秒钟接收到的光子数为 14 (4分)康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，下图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向运动，并且波长（填“不变”“变小”或“变长”）15(8分) 如图所示为研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种(或多种)已知频率的光进行实验， （1）请简要写出实验步骤以及应该测量的物理量（2）写出根据本实验计算普朗克常量的关系式(用上面的物理量表示)三、本题共3小题，共32分解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案的不能得分有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位16（10分）分别用和的单色光照射同一金属，发出的光电子的最大初动能之比为12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是多大？17（10分）纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以避免失明的严重后果一台功率为10 W氩激光器，能发出波长=500 nm的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要210-3 J的能量，则每次“点焊”视网膜的时间是多少？在这段时间内发出的激光光子的数量是多少？18（12分）如图所示，伦琴射线管两极加上一高压电源，即可在阳极A上产生X射线（h=66310-34 Js，电子电荷量e=1610-19 C)（1）如高压电源的电压为20 kV，求X射线的最短波长;（2）如此时电流表读数为5 mA，1 s内产生51013个平均波长为1010-10 m的光子，求伦琴射线管的工作效率检 测 题参考答案1AD解析：由光电效应方程=hv-W知，B、C错误，D正确若=0，得极限频率=，故A正确2D解析：本题考查光的性质干涉、衍射、偏振都是光的波动性的表现，只有光电效应现象和康普顿效应都是光的粒子性的表现，D正确3AD解析：根据光的波粒二象性知，A、D正确，B、C错误4B解析：本题考查光电效应方程及逸出功由得W=hv -=5.0 eV-1.5 eV=3.5 eV则入射光的最低能量为h=W=3.5 eV 故正确选项为B5B解析：由动量守恒定律知，吸收了紫外线光子的分子与光子原来运动方向相同故正确选项为B6C解析：本题考查光电效应由光电效应方程知，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，A错光电流的强度与入射光的强度成正比，与光电子的最大初动能无关，B错用频率是的绿光照射某金属发生了光电效应，改用频率是的黄光照射该金属不一定不发生光电效应，D错、C对7AD解析：根据光的波粒二象性知，A、D正确，B、C错误8D解析：由题意知，A光光子的能量大于B光光子，根据E=hv=h，得；又因为单色光B只能使金属C产生光电效应现象，不能使金属D产生光电效应现象，所以，故正确选项是D9D解析：本题考查德布罗意波根据德布罗意波长公式=得：p=kgm/s=3.610-24 kgm/s可见，热中子的动量的数量级是10-24 kgm/s10BD 解析：用波长为的光照射阴极K，电路中有光电流，表明小于该金属的极限波长，换用波长为照射，虽然，但是不一定大于，所以用波长为的光照射时，可能仍有光电流，故A错误用波长为 ()的光照射阴极K时，因，故电路中一定有光电流，B对如果电源的端电压已经足够大，阴极K逸出的光电子都能全部被吸引到阳极形成光电流，此时再增大路端电压，电路中的光电流也不再增大，C错将电路中电源的极性反接，具有最大初动能的