高中物理 17.1.2 能量量子化 光的粒子性课件 新人教版选修35.ppt

1、2能量量子化光的粒子性,1.知道热辐射、黑体和黑体辐射的概念，知道黑体辐射的实验规律2.知道普朗克提出的能量子假说3.知道光电效应现象，掌握光电效应的实验规律4.理解爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单的问题.,重点：1.普朗克能量子假说.2.光电效应产生的条件.3.光电效应方程的理解与应用.4.康普顿效应的理解.难点：1.截止频率、遏止电压的理解.2.光电效应方程的理解与应用.,一、黑体与黑体辐射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.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.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.,电磁波,温度,完全,温度,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,【判一判】(1)黑体就是黑色的物体.()(2)黑体能够完全吸收各种电磁波，但不辐射电磁波.()(3)黑体辐射电磁波的强度按波长分布，只与黑体的温度有关.()提示：(1)黑体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，不一定是黑色的物体,(1)错.(2)黑体不仅能够吸收电磁波，而且还能够辐射电磁波，(2)错.(3)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，(3)对.,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_，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.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.,整数倍,一份一份,普朗克,量子化,分立,【想一想】普朗克是在什么情况下大胆提出能量量子化假说的？提示：黑体辐射的实验规律在用当时已有的电磁场理论无法解释的情况下，普朗克大胆提出了能量量子化的假说，得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，并与黑体辐射的实验规律相当符合.,三、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_.,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.(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.,饱和,截止,瞬时性,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).,最小值,b,【判一判】(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应.()(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关.()(3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的.()提示：(1)光电效应的发生存在着截止频率，当入射光的频率低于截止频率时，光电效应不能发生，(1)错.(2)光电效应的发生只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关，(2)错.(3)光电效应的发生具有瞬时性，一般不超过10-9s，即光电子几乎是瞬时发射的，(3)对.,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:_=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,【想一想】不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能是否相同？提示：由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同，由光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光电子的初动能是不同的.,五、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，还有波长_0的成分，这个现象称为康普顿效应,物质微粒,发生改变,大于,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.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.,粒子性,【想一想】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再散射只向前传播.,正确理解光电效应中的五组概念【探究导引】如图所示是研究光电效应的电路图，通过改变入射光的频率、强度，调节滑动变阻器等，观察电压表、电流表的读数，思考以下问题：,(1)从光电管射出的光电子是光子还是电子？(2)入射光的频率保持不变，调节滑动变阻器，增大光电管的正向电压，电流表的示数达到某一值不再发生变化，说明了什么？(3)光电流、饱和光电流与光的频率和光的强度存在怎样的关系？,【要点整合】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.,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.,【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1】(2012衡水高二检测)对光电效应的理解正确的是()a.金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属b.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应c.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大d.由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应，入射光的最低频率也不同,【思路点拨】解答本题应注意以下三点：关键点(1)发生光电效应时，一个金属电子只能吸收一个光子.(2)光电效应的发生只与入射光的频率有关.(3)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率和金属的逸出功有关，与光强无关.,【规范解答】选b、d.按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大；但要使电子离开金属，电子必须具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，且一个电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象；电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小.综上所述，选项b、d正确.,【变式训练】(2012银川高二检测)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.hb.nhc.nhd.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.,【变式备选】根据爱因斯坦光子说，光子能量等于(h为普朗克常量，c、为真空中的光速和波长)()【解析】选a.光子的能量e=h=故选a.,全面理解光电效应方程及其规律【探究导引】根据爱因斯坦的光电效应方程ek=h-w0，思考以下问题：(1)光电效应方程的实质是什么？(2)由光电效应方程如何推导出产生光电效应的条件？,【要点整合】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0ek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-w00，亦即hw0，=c,而c=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；斜率为普朗克常量.,2.光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索,照射光光电子,强度决定着每秒钟光源发射的光子数,频率决定着每个光子的能量=h,每秒钟逸出的光电子数决定着光电流的大小光电子逸出后的最大初动能mv2,(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.,【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2】(2011新课标全国卷)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量分别为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，求出遏止电压.,【规范解答】由w0=h0=，又eu=ek，且ek=h-w0，=所以答案:,【总结提升】利用光电效应规律解题应明确两点(1)光电流强度光电效应规律中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值(对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态).因为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，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比.,(2)两个决定关系逸出功w0一定时，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能.入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数.,【变式训练】(2011广东高考)光电效应实验中，下列表述正确的是()a.光照时间越长光电流越大b.入射光足够强就可以有光电流c.遏止电压与入射光的频率有关d.入射光频率大于极限频率才能产生光电子,【解析】选c、d.要产生光电效应，入射光的频率必须大于一个最小频率，即极限频率，当入射光的频率小于极限频率时，不管光的强度多大都不会产生光电效应，与光照时间无关，故d正确，a、b错误；对同一种金属，入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大，需要的遏止电压越大，c正确.,光子说对康普顿效应的解释【探究导引】如图所示是利用光子说解释康普顿效应的示意图，思考以下问题：(1)光子与电子碰撞过程中，光子的能量发生了怎样的变化？(2)康普顿效应揭示了什么道理？,【要点整合】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.【特别提醒】光电效应应用于电子吸收光子的问题；而康普顿效应应用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题.,【典例3】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，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向_运动，并且波长_(选填“不变”、“变短”或“变长”).,【思路点拨】根据碰撞过程中动量、能量均守恒以及动量是矢量分析此题.【规范解答】因光子与电子在碰撞过程中动量守恒，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.答案:1变长,【变式训练】假如一个光子与一个静止的电子碰撞，光子并没有被吸收，只是被电子反弹回来，散射光子的频率与原来光子的频率相比哪个大？为什么？【解析】碰撞后光子动量减小，而所以波长变长，又由c=知变小.答案:见解析,【温馨提示】爱因斯坦光电效应方程是高考的重点内容，考查问题相对综合，往往结合ekm-图象考查，理解图象的意义以及光电效应的规律尤为重要.,【典例】(2011福建高考)爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖.某种金属逸出光电子的最大初动能ekm与入射光频率的关系如图所示，其中0为极限频率.从图中可以确定的是_.(填选项前的字母)a.逸出功与有关b.ekm与入射光强度成正比c.当0时，会逸出光电子d.图中直线的斜率与普朗克常量有关,【思路点拨】解答本题时应能读懂图象，且应理解光电效应的两个关系.【规范解答】选d.金属的逸出功与入射光无关，a错；光电子的最大初动能与入射光强度无关，与入射光的频率和金属的逸出功有关，b错；当入射光的频率小于极限频率，不能发生光电效应现象，c错；据光电效应方程可知图象的斜率与普朗克常量有关，d对.,光电效应规律的理解与应用对于光电效应规律的理解与应用需注意以下三点：(1)能不能发生光电效应由入射光的频率决