高中物理 第四章 波粒二象性 4.1 量子概念的诞生 4.2 光电效应与光的量子说课件 教科版选修35.ppt

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 黑体与黑体辐射1 热辐射 我们周围的一切物体都在以 的形式向外辐射能量 而且辐射强度随波长如何分布都与物体的 有关 2 黑体 能够 吸收外来电磁波而不发生反射的物体 电磁波 温度 全部 3 一般材料物体的辐射规律 辐射电磁波的情况除与 有关外 还与材料的种类及表面状况有关 4 黑体辐射 加热腔体 黑体表面就向外辐射 的现象 温度 电磁波 判一判 1 只有高温物体才向外辐射能量 2 一切物体总是不停地向外辐射能量 3 黑体就是指黑颜色的物体 提示 1 2 一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量 并不只有高温物体才向外辐射能量 1 错误 2 正确 3 黑体并不是指黑色物体 而是指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体 3 错误 二 能量子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 这个不可再分的最小能量值 叫作 2 能量子大小 h 其中 是谐振动的频率 h称为 常数 h 6 626 10 34j s 一般取h 6 63 10 34j s 整数倍 能量子 普朗克 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 量子化 分立 三 光电效应1 光电效应 当光照射在金属表面上时 金属中的 会因吸收光的能量而逸出金属表面的现象 2 光电子 光电效应中发射出来的 电子 电子 3 光电效应的实验规律 1 入射光光强和光电流关系 光电流出现时 入射光越强 单位时间内发射的光电子数 光电流越大 2 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 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 越多 截止 瞬时性 想一想 光电效应中发射出的光电子与一般原子中的电子有区别吗 提示 光电子是在光电效应现象中 从金属表面发射出来的电子 与一般原子中的电子没有本质的区别 四 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h 光子 2 爱因斯坦光电效应方程 1 表达式 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 剩下的表现为逸出后光电子的动能mv2 逸出功w 判一判 1 光子就是光电子的简称 2 不同频率的光 其光子能量是不同的 3 同一频率的光照射同一种金属 逸出的光电子的初动能相同 提示 1 光子是能量子 而光电子是电子 它们是不同的 1 错误 2 由 h 可知 不同频率的光 不同 其光子能量不同 2 正确 3 同一频率的光 照射同一种金属时 入射光子的能量相同 离表面越深的电子吸收光子后 克服金属内部的引力做功越多 其逸出金属时的初动能越小 3 错误 知识点一 正确理解光电效应中的四组概念思考探究 如图所示为研究光电效应规律的电路图 请思考下列问题 1 图中的a和b分别为什么粒子 2 变阻器滑动头向右移动时 电流表g的示数如何变化 3 当a的强度增加时 b粒子的数目和电流表的示数如何变化 归纳总结 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 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 典例探究 典例 用如图所示的光电管研究光电效应的实验中 用某种频率的单色光a照射光电管阴极k 电流计g的指针发生偏转 而用另一频率的单色光b照射光电管阴极k时 电流计g的指针不发生偏转 那么 a a光的波长一定大于b光的波长b 增加b光的强度可能使电流计g的指针发生偏转c 用a光照射光电管阴极k时通过电流计g的电流是由d到cd 只增加a光的强度可使通过电流计g的电流增大 思路点拨 解答此类问题时应掌握以下两点 1 发生光电效应时 入射光的波长必小于极限波长 2 电流表g的示数大小与入射光强度的关系 正确解答 选d 因单色光b照射光电管的阴极k时 没有发生光电效应 故有 a b 由 可知 a b a错误 因电子的运动方向由k极到a极 故通过g的电流方向为由c到d c错误 只增加a光的强度 从k极发出的电子数增加 故通过电流表g的电流增大 d正确 电流表g的指针是否偏转与b光的强度大小无关 b错误 过关训练 1 多选 2016 全国卷 现用某一光电管进行光电效应实验 当用某一频率的光入射时 有光电流产生 下列说法正确的是 a 保持入射光的频率不变 入射光的光强变大 饱和光电流变大b 入射光的频率变高 饱和光电流变大 c 入射光的频率变高 光电子的最大初动能变大d 保持入射光的光强不变 不断减小入射光的频率 始终有光电流产生e 遏止电压的大小与入射光的频率有关 与入射光的光强无关 解析 选a c e 保持入射光的频率不变 入射光的光强变大 单位时间内光电子变多 饱和光电流变大 a对 据爱因斯坦光电效应方程 h w0可知 入射光的频率变高 光电子的最大初动能变大 饱和光电流不变 b错 c对 当h w0时没有光电流产生 d错 由 eu遏可知遏止电压的大小与入射光的频率有关 与入射光的光强无关 e对 故选a c e 2 多选 一束绿光照射某金属时 发生了光电效应 则下列说法正确的是 a 若增加绿光的照射强度 则逸出的光电子数增加b 若增加绿光的照射强度 则逸出的光电子的最大初动能增加c 若改用紫光照射 则可能不会发生光电效应d 若改用紫光照射 则逸出的光电子的最大初动能增加 解析 选a d 光电效应的规律表明 入射光的频率决定是否发生光电效应以及发生光电效应时逸出光电子的最大初动能 当入射光的频率增加后 逸出的光电子的最大初动能也增加 又因为紫光的频率高于绿光的频率 而增加光的照射强度 会使单位时间内逸出的光电子数增加 故正确选项为a d 知识点二 全面理解光电效应方程及其规律思考探究 爱因斯坦为了解释光电效应规律 提出了光子说 建立了光电效应方程 h mv2 w 1 其中h mv2 w各具有什么含义 2 如何由公式理解光电效应产生的条件 归纳总结 1 光电效应方程h mv2 w的理解 1 式中的mv2是光电子的最大初动能ekm 就某个光电子而言 其离开金属时剩余动能大小可以是0 ekm范围内的任何数值 2 光电效应方程实质上是能量守恒方程 能量为e h 的光子被电子所吸收 电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力 另一部分转化为电子离开金属表面时的动能 如果克服吸引力做功最少为w 则电子离开金属表面时动能最大为ek 根据能量守恒定律可知 ek h w 3 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 若发生光电效应 则光电子的最大初动能必须大于零 即ek h w 0 亦即h w 0 而 0 恰好是光电效应的截止频率 4 ekm 曲线 如图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 斜率为普朗克常数 2 光子说对光电效应的解释 1 饱和光电流与光强关系 光越强 包含的光子数越多 照射金属时产生的光电子越多 因而饱和光电流越大 所以 入射光频率一定时 饱和光电流与光强成正比 2 存在截止频率和遏止电压 爱因斯坦光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率成线性关系 与光强无关 所以遏止电压由入射光频率决定 与光强无关 光电效应方程同时表明 只有h w时 才有光电子逸出 0 就是光电效应的截止频率 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 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 典例探究 典例 在光电效应实验中 某金属的截止频率相应的波长为 0 该金属的逸出功为 若用波长为 0 的单色光做实验 则其遏止电压为 已知电子的电荷量 真空中的光速和普朗克常数分别为e c和h 思路点拨 解答本题时可按以下思路分析 先由爱因斯坦光电效应方程计算出逸出功 再由遏止电压与光电子最大初动能的关系及光电效应方程 可求出遏止电压 正确解答 因为w h 0 eu ek 且ek h w 所以u 答案 总结提升 运用光电效应方程解答问题的技巧应用光电效应方程讨论问题时应把握 1 极限频率为 0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零 逸出功w h 0 2 某种金属的逸出功是一定值 随入射光频率的增大 光电子的最大初动能增大 过关训练 1 多选 产生光电效应时 关于逸出光电子的最大初动能ek 下列说法正确的是 a 对于同种金属 ek与照射光的强度无关b 对于同种金属 ek与照射光的波长成反比c 对于同种金属 ek与光照射的时间成正比d 对于同种金属 ek与照射光的频率成线性关系 e 对于不同种金属 若照射光频率不变 ek与金属的逸出功成线性关系 解析 选a d e 由爱因斯坦光电效应方程ek h w0可知 ek与照射光的强度无关 选项a正确 ek与照射光的频率 成线性关系 与波长不是成反比的关系 选项b错误 d正确 由于电子是一次性吸收光子的全部能量 ek与光照射的时间无关 选项c错误 对于不同金属 若照射光的频率不变 由光电效应方程可知 ek与金属的逸出功成线性关系 选项e正确 2 2015 全国卷 在某次光电效应实验中 得到的遏止电压uc与入射光的频率 的关系如图所示 若该直线的斜率和截距分别为k和b 电子电荷量的绝对值为e 则普朗克常量可表示为 所用材料的逸出功可表示为 解析 由题意可得euc h w 变形为uc 结合图象可知 k b 所以h ek w eb 答案 ek eb 温馨提示 利用爱因斯坦的光子说及光电效应方程解释光电效应现象的实验规律是本部分知识的常考内容 拓展例题 考查内容 理解光电效应 多选 1905年是爱因斯坦的 奇迹 之年 这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文 其中关于光量子的理论成功地解释了光电效应现象 关于光电效应 下列说法正确的是 a 当入射光的频率低于极限频率时 不能发生光电效应b 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比c 光电子的最大初动能与入射光的强度成正比d 某单色光照射一金属时不发生光电效应 改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应 思路点拨 解答本题应明确以下两点 1 发生光电效应的条件 2 决定光电子最大初动能的因素 正确解答 选a d 根据光电效应现象的实验规律 只有入射光频率大于极限频率才能发生光电效应 故a d正确 根据光电效应方程 最大初动能与入射光频率为线性关系 但非正比关系 b错 根据光电效应现象的实验规律 光电子的最大初动能与入射光强度无关 c错 玻尔理论与光电效应规律的综合1 根据玻尔理论可以确定大量氢原子能级跃迁时发出的不同频率光的条数及光子的能量值 2 根据爱因斯坦的光电效应方程可以判断 用辐射光照射光电管能否发生光电效应及产生的光电子的最大初动能大小 案例展示 多选 氢原子从n 3的能级跃迁到n 2的能级时辐射出的光子 恰能使某金属发生光电效应 大量处于量子数n 4能级状态的氢原子 在向各较低的能级状态跃迁的过程中 则 a 在跃迁的过程中 只能发出三种不同频率的光b 除自n 3的能级跃迁到n 2的能级辐射的光子外 还有四种不同频率的光子可使该金属发生光电效应 c 从n 4的能级跃迁到n 1的能级辐射的光子照射该金属 产