人教版选修35 17.117.2 能量量子化 光的粒子性 课件（108张）.ppt

第十七章波粒二象性1能量量子化2光的粒子性 一 热辐射1 热辐射 我们周围的一切物体都在辐射 这种辐射与物体的 有关 2 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 的种类及 有关 电磁波 温度 温度 材料 表面状况 二 黑体与黑体辐射1 黑体 指能够 吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体 2 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 完全 温度 3 黑体模型 如图所示 在一个空腔壁上开一个很小的孔 射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次 和 最终不能从空腔射出 这个小孔 而非空腔壁 就成了一个 黑体是一个 化的物理模型 反射 吸收 黑体 理想 三 能量子1 定义 普朗克认为 振动着的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 叫作 整数倍 一份一份 能量 子 2 能量子大小 h 其中 是电磁波的频率 h称为 常量 h 6 626 10 34j s 一般取h 6 63 10 34j s 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 四 光电效应实验规律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 电子 电子 3 光电效应的实验规律 1 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越多 2 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 饱和 截止 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 4 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的 不同金属的逸出功 a 相同b 不同 瞬时性 最小值 b 五 爱因斯坦的光子说与光电效应方程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 频率为 的光的能量子为h 这些能量子被称为 光子 2 爱因斯坦的光电效应方程 1 表达式 ek w0或ek w0 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电子的初动能ek h h 逸出功w0 六 康普顿效应和光子的动量1 光的散射 光在介质中与 相互作用 因而传播方向 这种现象叫作光的散射 物质微粒 发生改变 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 还有波长 0的成分 这个现象称为康普顿效应 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 的一面 大于 粒子性 4 光子的动量 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电子 光子的动量变小 因此 有些光子散射后波长 变大 预习诊断 1 请判断下列说法的正误 1 只有高温物体才能辐射电磁波 2 能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体 3 微观粒子的能量只能是能量子的整数倍 4 任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应 5 金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关 6 光子 就是 光电子 的简称 7 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 8 光子的动量与波长成反比 提示 1 任何物体都可以辐射电磁波 2 根据黑体定义判断正确 3 微观粒子的能量是分立的 4 要发生光电效应 入射光的频率要大于金属的极限频率 5 金属表面是否发生光电效应与入射光的频率有关 与强度无关 6 光子是空间传播的一份一份的能量 是不带电的 光电子是光电效应中发射出来的电子 7 光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系 不是正比关系 8 根据p 判断正确 2 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 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 频率不变c 光子能量变大d 波长变长 解析 选d 运动的光子和一个静止的自由电子碰撞时 既遵守能量守恒 又遵守动量守恒 碰撞中光子将能量h 的一部分传递给了电子 光子的能量减少 波长变长 频率减小 d选项正确 3 多选 下列说法正确的是 a 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 光电效应揭示了光的粒子性c 波长是架起粒子性与波动性的桥梁d 爱因斯坦首先发现了光电效应 解析 选a b 根据黑体辐射实验的规律可知 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 故a正确 爱因斯坦的光子说成功解释了光电效应 光电效应说明光具有粒子性 故b正确 波长是描述波动的物理量 故c错误 赫兹等人首先发现了光电效应 爱因斯坦发现了光电效应的规律 并成功解释了光电效应 故d错误 故选a b 知识点一黑体和黑体辐射探究导入 很多地方用红外热像仪监测人的体温 只要被测者从仪器前走过 便可知道他的体温是多少 你知道其中的道理吗 提示 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 归纳总结 1 对黑体的理解 绝对的黑体实际上是不存在的 但可以用某装置近似地代替 如图所示 如果在一个空腔壁上开一个小孔 那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收 最终不能从空腔射出 这个小孔就成了一个绝对黑体 2 一般物体与黑体的比较 3 黑体辐射的实验规律 1 温度一定时 黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值 2 随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 如图所示 典例探究 考查角度1热辐射与黑体辐射 典例1 多选 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 选a c d 根据热辐射定义知a对 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 而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 b错 c对 根据黑体定义知d对 故选a c d 考查角度2黑体辐射的规律 典例2 多选 2017 石家庄高二检测 热辐射是指所有物体在一定的温度下都要向外辐射电磁波的现象 辐射强度是指垂直于电磁波传播方向上的单位面积上单位时间内所接收到的辐射能量 在研究某一黑体热辐射时 得到了四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系如图 图中横轴 表示电磁波的波长 纵轴表示某 种波长电磁波的辐射强度 则由辐射强度图线可知 同一黑体在不同温度下 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 解析 选b d 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 辐射的各个波长的部分的辐射强度均变大 故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 过关训练 1 关于黑体的认识 下列说法正确的是 a 黑体只吸收电磁波 不反射电磁波 看上去是黑的b 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外 还与材料的种类及表面状况有关 c 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关 与材料的种类及表面状况无关d 如果在一个空腔壁上开一个很小的孔 射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收 最终不能从小孔射出 这个空腔就成了一个黑体 解析 选c 黑体自身辐射电磁波 不一定是黑的 故a错 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 故b错 c对 小孔只吸收电磁波 不反射电磁波 因此是小孔成了一个黑体 而不是空腔成了黑体 故d错 故选c 2 2018 焦作高二检测 下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中 符合黑体辐射实验规律的是 解析 选a 黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量 温度越高 辐射越强越大 故b d错误 黑体辐射的波长分布情况也随温度而变 如温度较低时 主要以不可见的红外光进行辐射 在500 以至更高的温度时 则顺次发射可见光以至紫外辐射 即温度越高 辐射的电磁波的波长越短 故c错误 a正确 故选a 补偿训练 1 关于热辐射的认识 下列说法中正确的是 a 热的物体向外辐射电磁波 冷的物体只吸收电磁波b 温度越高 物体辐射的电磁波越强c 辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关 与材料种类及表面状况无关d 常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色 解析 选b 一切物体都不停地向外辐射电磁波 且温度越高 辐射的电磁波越强 a错误 b正确 选项c是黑体辐射的特性 c错误 常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色 d错误 2 如图所示为t1 t2温度时的黑体辐射强度与波长的关系 则两温度的关系为 a t1 t2b t1 t2c t1 t2d 无法确定 解析 选b 根据黑体辐射的实验规律可知 随着温度的升高 一方面 各种波长的辐射强度都增加 另一方面 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 故选项b正确 知识点二能量量子化与光电效应探究导入 根据黑体辐射的实验规律 当波长趋于0时 辐射强度竟变成无穷大 这显然是荒谬的 这种荒谬的结果被认为是物理学理论的灾难 当时称为 黑体辐射的紫外灾难 你知道谁解决了这个物理难题吗 他提出了什么假说 提示 德国物理学家普朗克做了多种尝试 进行了激烈的思想斗争 在1900年进行了大胆的假设 振动着的带电微粒的能量值只能是某一最小能量值 的整数倍 其辐射或吸收能量时 也是能量值 的整数倍 这个不可再分的最小能量值 叫作能量的量子化 归纳总结 1 能量子和量子数 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍 e n 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一份一份地辐射或吸收 这个不可再分的最小能量值 叫作能量子 n就是量子数 就是说辐射或吸收能量时以这个最小能量值为单位一份 一份地辐射或吸收 即只能从某一状态 飞跃 地过渡到另一状态 而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态 2 能量子的能量公式 h 其中 是电磁波的频率 h称为普朗克常量 h 6 626 10 34j s 3 能量子假说的意义 1 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 2 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 架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁 4 光电效应的五组概念 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 光电子的初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h 与入射光子数n的乘积 即光强等于nh 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 典例探究 考查角度1能量量子化 典例1 能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10 18j 已知可见光的平均波长为0 6 m 普朗克常数h 6 63 10 34j s 恰能引起人眼的感觉 进入人眼的光子数至少为 a 1个b 3个c 30个d 300个 解析 选b 每个光子的能量为e0 h 能引起人的眼睛视觉效应的最小能量e为10 18j 由e ne0得能引起人眼的感觉 进入人眼的光子数至少为n 个 3个 故选b 考查角度2光电效应 典例2 多选 2016 全国卷 改编 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 解析 选a c 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 故选a c 过关训练 1 2018 宜春高二检测 在光电效应实验中 某种单色光照射光电管 发生光电效应 现将该单色光的光强减弱 下列叙述正确的是 a 光电子的最大初动能不变b 可能不发生光电效应c 饱和电流不变d 遏止电压减小 解析 选a 发生光电效应时 根据爱因斯坦光电效应方程可知 光电子的最大初动能为 euc ek h w0 w0为逸出功 由此可知光电子的最大初动能随着入射光的频率增大而增大 与光照强度无关 故a正确 能否发生光电效应与光照强度无关 故b错误 光照强度减弱 单位时间内照射到金属表面的光子数目减小 因此单位时间内产生的光电子数目减小 即饱和电流减小 故c错误 由a选项分析可知 遏止电压与光照强度无关 故d错误 故选a 2 硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能 若有n个频率为 的光子打在光电池极板上 这些光子的总能量为 h为普朗克常量 a h b nh c nh d 2nh 解析 选c 光子能量与频率有关 一个光子的能量为 h n个光子能量为nh 故c正确 补偿训练 已知人眼瞳孔的直径为d 一秒钟进入瞳孔n个波长为 的光子时就能引起视觉 若辐射功率为p的点光源能发出波长为 的光 则此光源能被人眼看到的最大距离是 解析 每个能量子 光子 的能量为 h h 点光源一秒钟辐射的光子数为n 欲能引起视觉 有n 答案 知识点三光电效应的方程及其规律探究导入 1 光电流的强度与入射光的强度一定成正比吗 2 入射光越强 产生的光电子数一定越多吗 提示 1 不一定 光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关 还与光电管两极间的电压有关 只有饱和光电流才与入射光的强度成正比 2 不一定 入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量 是由入射的光子数和入射光子的频率决定的 可用e nh 表示 其中n为单位时间内的光子数 在入射光频率不变的情况下 光强度与光子数成正比 换用不同频率的光 即使光强度相同 光子数目也不同 因而逸出的光电子数目也不同 归纳总结 1 光电效应方程ek h w0的四点理解 1 式中的ek是光电子的最大初动能 就某个光电子而言 其离开金属时剩余动能大小可以是0 ek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 h 的光子被电子吸收 电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引 另一部分就是电子离开金属表面时的动能 如果克服吸引力做功最少为w0 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 w0 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 w0 0 亦即h w0 c 而 c 恰好是光电效应的截止频率 4 ek 曲线 如图所示是光电子最大初动能ek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 2 光电效应规律中的两条线索 两个关系 1 两条线索 2 两个关系 光强 光子数目多 发射光电子多 光电流大 光子频率高 光子能量大 产生光电子的最大初动能大 典例探究 考查角度1光电效应规律的应用 典例1 多选 2017 全国卷 在光电效应实验中 分别用频率为 a b的单色光a b照射到同种金属上 测得相应的遏止电压分别为ua和ub 光电子的最大初动能分别为eka和ekb h为普朗克常量 下列说法正确的是 a 若 a b 则一定有ua ubb 若 a b 则一定有eka ekbc 若ua ub 则一定有eka ekbd 若 a b 则一定有h a eka h b ekb 解析 选b c 由爱因斯坦光电效应方程h ekm w0 由动能定理可得ekm eu 故当 a b时 ua ub eka ekb 故a错误 b正确 若ua ub 则一定有eka ekb 故c正确 由光电效应方程可得 金属的逸出功w0 h a eka h b ekb 故d错误 考查角度2光电效应方程的应用 典例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 过关训练 2016 江苏高考 几种金属的逸出功w0 用一束可见光照射上述金属的表面 请通过计算说明哪些能发生光电效应 已知该可见光的波长范围为4 0 10 7 7 6 10 7m 普朗克常数h 6 63 10 34j s 解析 光子的能量e 取 4 0 10 7m 则e 5 0 10 19j 根据e w0判断 钠 钾 铷能发生光电效应 答案 钠 钾 铷能发生光电效应 补偿训练 1 多选 2018 上饶高二检测 关于光电效应 下列几种表述正确的是 a 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b 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 c 金属电子的逸出功与入射光的频率成正比d 光电流的强度与入射光的强度有关 解析 选b d 不可见光的频率不一定比可见光的频率大 所以产生的光电子的初动能不一定大 故a错误 当入射光的频率大于金属的极限频率时 即入射光的波长小于极限波长时 发生光电效应 故b正确 根据光电效应方程知ekm h w0 eu 知u 遏止电压与入射光的频率成一次函数关系 不是成正比 故c错误 光的强度影响单位时间内发出光电子的数目 即影响光电流的大小 故d正确 故选b d 2 多选 一单色光照到某金属表面时 有光电子从金属表面逸出 下列说法中正确的是 a 只增大入射光的频率 金属逸出功将减小b 只延长入射光照射时间 光电子的最大初动能将不变c 只增大入射光的频率 光电子的最大初动能将增大d 只增大入射光的频率 光电子逸出所经历的时间将缩短 解析 选b c 金属的逸出功由金属本身的构成决定 与入射光的频率无关 选项a错误 根据爱因斯坦光电效应方程ek h w0可知 当金属的极限频率确定时 光电子的最大初动能取决于入射光的频率 与光照强度 照射时间 光子数目无关 选项b c正确 d错误 知识点四光子说对康普顿效应的解释探究导入 太阳光从小孔射入室内时 我们从侧面可以看到这束光 白天的天空各处都是亮的 宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目 其他方向的天空却是黑的 为什么 提示 在地球上存在着大气 太阳光经微粒散射后传向各个方向 而在太空中的真空环境下光不散射只向前传播 归纳总结 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 3 在光的散射中 光子在与其他微粒作用过程中遵循能量守恒定律和动量守恒定律 典例探究 考查角度1光子的动量 典例1 科学研究证明 光子有能量也有动量 当光子与电子碰撞时 光子的一些能量转移给了电子 假设光子与电子碰撞前的波长为 碰撞后的波长为 则碰撞过程中 a 能量守恒 动量守恒 且 b 能量不守恒 动量不守恒 且 c 能量守恒 动量守恒 且 解析 选c 能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律 适用于宏观世界也适用于微观世界 光子与电子碰撞时遵循这两个守恒规律 光子与电子碰撞前光子的能量e h h 当光子与电子碰撞时 光子的一些能量转移给了电子 光子的能量e h h 由e e 可知 选项c正确 考查角度2光子说对康普顿效应的解释 典例2 康普顿效应证实了光子不仅具有能量 也有动量 如图给出了光子与静止电子碰撞后 电子