高中物理 第十七章 波粒二象性 第1节 能量量子化 第2节 光的粒子性课件 新人教版选修35.ppt

第十七章 第1 2节 新知预习 巧设计 名师课堂 一点通 创新演练 大冲关 随堂检测归纳小结 课下作业综合提升 要点一 要点二 要点三 1 了解黑体和黑体辐射的实验规律 2 知道普朗克提出的能量子的假设 3 理解光电效应的实验规律及光电效应与电磁理论的矛盾 4 理解爱因斯坦的光子说及光电效应的解释 了解光电效应方程 并会用来解决简单问题 5 了解康普顿效应及其意义 1 黑体与黑体辐射 1 热辐射 一切物体都在辐射 这种辐射与物体的有关 2 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 3 一般材料物体的辐射规律 辐射电磁波的情况与 物体的有关 电磁波 温度 完全 反射 温度 材料的种类 表面状况 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有关 如图17 1 1所示 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 图17 1 1 温度 增加 短 关键一点 黑体不是指黑颜色的物体 是指能完全吸收电磁波的物体 2 能量子 1 定义 普朗克做出了这样的大胆假设 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的倍 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 表达式 h 其中h是一个常量 称为 其值为h 6 626 10 34j s 是电磁波的 整数 一份一份 普朗克常量 频率 3 能量量子化 普朗克认为 微观粒子的能量是的 或说微观粒子的能量是的 关键一点 量子化是微观世界的基本特点 其所有的变化都是不连续的 量子化 分立 3 光电效应 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 2 光电子 光电效应中发射出来的 3 光电效应的实验规律 存在着光电流 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 电子 电子 饱和 越多 存在着遏止电压和频率 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 光电效应具有 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10 9s 截止 瞬时性 关键一点 发生光电效应的照射光 即可以是可见光 也可以是不可见光 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能量子组成的 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 表达式 h 或ek 物理意义 是能量守恒方程的具体体现 即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 剩下的表现为逸出后电子的最大初动能ek 光子 h ek w0 h w0 逸出功w0 最小值 不同 5 康普顿效应和光子的动量 1 光的散射 光在介质中与的相互作用 使光的传播方向的现象 2 康普顿效应 概念 在光的散射中 除了与入射波长 0的成分外 还有波长 0的成分的现象 意义 康普顿效应表明光子除了具有能量之外 还具有动量 深入揭示了光的的一面 物质微粒 发生改变 相同 大于 粒子性 变大 1 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的温度有关d 黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 解析 根据热辐射的定义 a正确 根据热辐射和黑体辐射的特点知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 b错误 c正确 根据黑体的定义知d正确 答案 acd 2 对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点 以下说法正确的是 a 以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收b 辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍c 吸收的能量可以是连续的d 辐射和吸收的能量是量子化的解析 根据普朗克能量子假说 带电粒子的能量只能是某一最小能量值 的整数倍 能量的辐射 吸收要一份份地进行 故a b d正确 答案 abd 3 关于光电效应 下列几种表述正确的是 a 金属电子的极限频率与入射光的频率成正比b 光电流的强度与入射光的强度无关c 用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能要大d 对于任何一种金属都存在一个 最大波长 入射光的波长必须小于这个波长 才能产生光电效应 解析 金属的极限频率由该金属决定 与入射光的频率无关 光电流的大小随入射光强度增大而增大 选项a b错误 不可见光包括能量比可见光大的紫外线 x射线 射线 也包括能量比可见光小的红外线 无线电波 选项c错误 故正确选项为d 答案 d 4 对爱因斯坦光电效应方程ek h w0 下面的理解正确的是 a 只要是用同种频率的光照射同一种金属 那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能ekb 式中的w0表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功c 逸出功w0和极限频率 c之间应满足关系式w0 h cd 光电子的最大初动能和入射光的频率成正比 解析 爱因斯坦光电效应方程ek h w0中的w0表示从金属表面直接逸出的光电子克服金属中正电荷引力所做的功 因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值 对应的光电子的初动能是所有光电子中最大的 其他光电子的初动能都小于这个值 若入射光的频率恰好是极限频率 即刚好能有光电子逸出 可理解为逸出的光电子的最大初动能是0 因此有w0 h c 由ek h w0 可知ek和 之间是一次函数关系 但不是成正比关系 本题应选c 答案 c 5 白天的天空各处都是亮的 是大气分子对太阳光散射的结果 美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖 假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后 电子向某一个方向运动 光子沿另一方向散射出去 则这个散射光子跟原来的光子相比 a 频率变大b 速度变小c 光子能量变大d 波长变长解析 光子与电子碰撞时 遵守动量守恒定律和能量守恒定律 自由电子被碰前静止 被碰后动量 能量增加 所以光子的动量 能量减小 由p 知波长 变大 故选项d正确 答案 d 1 对热辐射的理解 1 在任何温度下 任何物体都会发射电磁波 2 辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同 这是热辐射的一种特性 3 在一定温度下 不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同 2 一般物体的辐射与黑体辐射的比较 3 能量子的有关问题 1 对能量子的理解 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 能量子假说的意义 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 名师点睛 热辐射不一定需要高温 任何温度的物体都发出一定的热辐射 如任何物体都在不停地向外辐射红外线 这就是一种热辐射 即使是冰块 也在向外辐射红外线 只是温度低时辐射弱 温度高时辐射强 解决此类题目的关键是要熟练掌握 h c 及e pt n 等关系式 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 电子吸收了光子的能量 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或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 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 5 光的强度与饱和光电流饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的 对于不同频率的光 由于每个光子的能量不同 饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系 名师点睛 1 光电效应的实质 把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 2 用光照射某种金属 有光电子从金属表面逸出 如果光的频率不变 而减弱光的强度 则 a 逸出的光电子数减少 光电子的最大初动能不变b 逸出的光电子数减少 光电子的最大初动能减小c 逸出的光电子数不变 光电子的最大初动能减小d 光的强度减弱到某一数值 就没有光电子逸出了 审题指导 用发生光电效应的条件和光电效应的规律进行分析判断 解析 光的频率不变 表示光子能量不变 仍会有光电子从该金属表面逸出 逸出的光电子的最大初动能不变 若减弱光的强度 入射光子的数目减少 逸出的光电子数就会减少 综上可知 本题答案为a 答案 a 对于光电效应的实验规律 常对 发生光电效应 的条件进行考查 发生 时需满足 照射光的频率大于金属的极限频率 即 c 或当光子的能量 w0 而光电子的最大初动能只与照射光的频率有关 而与强度无关 强度大小决定了逸出光电子的数目多少 3 ekm 曲线 如图17 1 2所示是光电子最大初动能ekm随入射光频率 的变化曲线 这里 横轴上的截距是截止频率或极限频率 纵轴上的截距是逸出功的负值 斜率为普朗克常量 图17 1 2 3 光电效应具有瞬时性 电子一次性吸收光子的全部能量 不需要积累能量的时间 所以光电效应几乎是瞬时发生的 3 光电管中的i u曲线 1 如图17 1 3甲所示的是光电流i随光电管两极板间电压u的变化曲线 图中im为饱和光电流 uc为截止电压 2 在用相同频率不同强度的光去照射阴极k时 得到i u曲线如图17 1 3乙所示 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 图17 1 3 3 如果用不同频率同强度的光去照射阴极k时 实验结果如图17 1 3丙所示 频率越高 遏止电压uc越大 名师点睛 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 3 在图17 1 4甲所示的装置中 k为一个金属板 a为一个金属电极 都密封在真空玻璃管中 单色光可通过玻璃壳照在k上 e为可调直流电源 实验发现 当用某种频率的单色光照射k时 k会发出电子 光电效应 这时 即使a k间的电压等于零 回路中也有电流 当a的电势低于k时 电流仍不为零 a的电势比k低得越多 电流越小 当a比k的电势低到某一值uc 遏止电压 时 电流消失 当改变照射光的频率 时 遏止电压uc也将随之改变 如果某次实验我们测出的一系列数据如图17 1 4乙所示 若知道电子的电荷量e 则根据图象可求出该金属的极限频率为多少 该金属的逸出功w0为多少 普朗克常量h为多少 图17 1 4 审题指导 题图甲中光电管两端加上的是反向电压 当达到遏止电压时 光电流为零 题图乙是遏止电压与入射光频率的关系 利用遏止电压的含义 光电效应方程及图线斜率 截距的物理意义 可分析解答本题 解析 由题图可知 数据对应的点几乎落在一条直线上 直线与 轴的交点 0即为该金属的极限频率 因此当照射光的频