2019高中物理 第十七章 波粒二象性 1+2 能量量子化 光的粒子性课件 新人教版选修3-5

1、自 主 学 习 基 础 知 识 合 作 探 究 重 难 疑 点 课 时 作 业 解 题 技 巧 素 养 培 优 1 能量量子化 2 光的粒子性 学习目标1.了解什么是热辐射及热辐射的特性， 了解黑体与黑体辐射(重点)2.了解黑体辐射的实验规 律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系(重点)3.知 道光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛 盾4.知道光子说及其对光电效应的解释(重点)5.掌 握爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题(难点) 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，所以叫做热辐 射 物 体 热 辐 射 中 随 温 度 的 升 高 ， 辐 射 的 _的电

2、磁波的成分越来越强 电磁波 温度 较短波长 2黑体 某种物体能够_吸收入射的各种波长的电磁波 而不发生反射，这种物体就是_，简称_ 3黑体辐射的实验规律 (1)一般材料的物体，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 完全 绝对黑体 黑体 温度 (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，一方面，各 种波长的辐射强度都有_；另一方面，辐射 强度的极大值向_的方向移动 温度 波长较短 增加 4维恩和瑞利的理论解释 (1)建立理论的基础：依据_和_ 的知识寻求黑体辐射的理论解释 (2)维恩公式：在_与实验非常接近， 在_则与实验偏离很大 (3)瑞利

3、公式：在_与实验基本一致， 但在_与实验严重不符，由理论得出的荒 谬结果被称为“紫外灾难” 热学 电磁学 短波区 长波区 长波区 短波区 1黑体是指黑颜色的物体吗？ 【提示】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“紫外灾难”指的是什么？ 【提示】在新的理论诞生之前，人们很自然地要依 据热力学和电磁学规律来解释德国物理学家维恩和英国 物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公 式结果导致理论与实验规律不符，甚至得出了非常荒谬 的结论，当时被称为“紫外灾难” 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温度越高，黑体辐射电磁波

4、的强度越 大( ) 1普朗克的假设 振动着的带电微粒能量只能是某一最小能量 值的.即能的辐射或者吸收只能是_ 的这个不可再分的最小能量值叫做_ 2能量子公式 h，其中是电磁波的频率，h称为 _h_Js.(一般取 h6.631034Js) 一份一份 能量子 普朗克常量 6.6261034 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_的这种现象叫能量的量子化 4普朗克理论 (1)借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强 度按_的公式，与实验符合之好令人击掌叫绝 (2)普朗克在1900年把能量子列入物理学，正确地破除 了“_”的传统观念，成为新物理学思想的基 石之一 量子化

5、 分立 波长分布 能量连续变化 为了得出同实验相符的黑体辐射公式，普朗 克提出了什么样的观点？ 【提示】普朗克提出了量子化的观点量 子化是微观世界的基本特点，其所有的变化都是 不连续的 1微观粒子的能量只能是能量子的整数 倍( ) 2能量子的能量不是任意的，其大小与电磁 波的频率成正比( ) 3光滑水平桌面上匀速运动的小球的动能也 是量子化的( ) 1定义 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_电流入射光强度一定，单位时间内 阴极K发射的光电子数_入射光越强，饱和电流 _表明入射光越强，单位时间内

6、发射的光电子数 _ (2)存在着_电压和截止频率遏止电压的存在意 味着光电子具有一定的_对于一定颜色(频率)的 光，无论光的_如何，遏止电压都是_的，即光 电子的能量只与入射光的_有关当入射光的频率 _截止频率时，不论光多么强，光电效应都不会发 生 饱和 一定 越大 越多 遏止 初速度 强弱一样 低于 频率 (3)光电效应具有_光电效应几乎是 瞬时的，无论入射光怎么微弱，时间都不超过10 9 s. 4逸出功 使电子_某种金属所做功的_，叫 做这种金属的逸出功，用W0表示，不同金属的逸 出功_ 瞬时性 最小值脱离 不同 1发生光电效应一定要用不可见光吗？ 【提示】不一定发生光电效应的照射光， 可

7、以是可见光，也可以是不可见光，只要入射光 的频率大于极限频率就可以了 2在光电效应中，只要光强足够大，就能发 生光电效应吗？ 【提示】不能能不能发生光电效应由入 射光的频率决定，与入射光的强度无关 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在发生光电效应的条件下，入射光强度越 大，饱和光电流越大( ) 1光子说 (1)内容 光不仅在_和_时能量是一份一份的，而且 _就是由一个个不可分割的_组成的，频率 为的光的能量子为_，这些能量子称为光子 (2)光子能量 公式为h，其中指光的_ 发射吸收 光本身 能量子 h 频率 2光电效

8、应方程 (1)对光电效应的说明 在光电效应中，金属中的电子吸收_获得的能 量是_，其中一部分用来克服金属的_，另一部 分为光电子的_ (2)光电效应方程 Ek_ 一个光子 h 逸出功W0 初动能Ek hW0 3对光电效应规律的解释 (1)光电子的最大初动能与入射光_有关，与光的 _无关只有当h_时，才有光电子逸出 (2)电子_吸收光子的全部能量，_积累 能量的时间 (3)对于同种颜色的光，光较强时，包含的_较 多，照射金属时产生的_较多，因而饱和电流较 大 频率 强弱W0 一次性 不需要 光子数 光电子 1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

9、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 2光电子的最大初动能与入射光的频率成正比吗？ 【提示】不成正比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 1“光子”就是“光电子”的简称( ) 2入射光若能使某金属发生光电效应，则入 射光的强度越大，照射出的光电子越多( ) 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

10、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 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 境下光不能散射只向前传播 1光子的动量与波长成反比( ) 2光子发生散射时

11、，其动量大小发生变化，但光 子的频率不发生变化( ) 3光子发生散射后，其波长变大( ) 预习完成后，请把你认为难以解决的问题记 录在下面的表格中 问题问题1 问题问题2 问题问题3 问题问题4 学生分组探究一黑体与黑体辐射 第1步探究分层设问，破解疑难 1热辐射一定在高温下才能发生吗？ 【提示】热辐射不一定需要高温，任何温 度的物体都能发出一定的热辐射，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 2黑体不存在，为什么还研究黑体？ 【提示】黑体是一个理想化的物理模 型通过建立这样一个模型，会给研究带来方 便 第

12、2步结论自我总结，素能培养 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1711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 热辐射特点热辐射特点吸收、反射特点吸收、反射特点 一般物体一般物体 辐射电磁波的情况辐射电磁波的情况 与温度有关，与材与温度有关，与材 料的种类及表面状料的种类及表面状 况有关况有关 既吸收又反射，其能力既吸收又反射，其能力 与材料的种类及入射波与材料的种类及入射波 长等因素有关长等因素有关 黑体黑体 辐射电磁波的强度辐

13、射电磁波的强度 按波长的分布只与按波长的分布只与 黑体的温度有关黑体的温度有关 完全吸收各种入射电磁完全吸收各种入射电磁 波，不反射波，不反射 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1712所示 第3步例证典例印证，思维深化 (多选)(2014山东实验中学高二检测)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】根据

14、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 【答案】ACD 电磁波的辐射和吸收 (1)比较辐射、吸收首先要分清是黑体还是一 般物体 (2)随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值 向波长较短的方向移动 (3)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 第4步巧练精选习题，落实强化 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

15、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】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 【答案】C 2如图1713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() At1t2Bt1t2 Ct1t2 D无法确定

16、【解析】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 都有增加；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 【答案】B 学生分组探究二正确理解光电效应的五组概念 第1步探究分层设问，破解疑难 1光电效应的实质是什么？ 【提示】光电效应的实质是光现象转化为电现象 2用光照射光电管且能产生光电效应，如果给光电管加上反 向电压，光电管中就一定没有电流了吗？ 【提示】由于光电子具有一定的动能，当所加的电压较小 时，光电管中仍然有电流，当电压大于遏止电压时，电路中无电 流 第2步结论自我总结，素能培养 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

17、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 (1)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 (2)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

18、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 第3步例证典例印证，思维深化 (多选)(2015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

19、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 引力而逸出时所需要做的最小功，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】(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 【解析】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

20、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 表面逸出时所做的功应大于克服原子核的引力而需要做的功的最 小值综上所述，选项B、D正确 【答案】BD 第4步巧练精选习题，落实强化 1(多选)下列对于光子的认识，正确的是() A“光子说”中的光子就是牛顿在微粒说中所说的“微粒” B“光子说”中的光子就是光电效应中的光电子 C在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫 作一个

21、光量子，简称光子 D光子的能量跟光的频率成正比 【解析】根据“光子说”，在空间传播的 光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一 个光量子，简称光子而牛顿的“微粒说”中的 微粒指宏观世界的微小颗粒光电效应中，金属 内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束 缚，逸出金属表面，成为光电子故A、B选项错 误，C选项正确由h知，光子能量与其频率 成正比，故D选项正确 【答案】CD 2用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银 片，都能产生光电效应在这两个过程中，对下列四个量，一 定相同的是_，可能相同的是_，一定不相同的 是_ A光子的能量 B金属的逸出功 C光电子初动能 D光电子最大初动能 【

22、解析】光子的能量由频率决定，同一束单色光频率相同， 因而光子能量相同逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最 少的功，因此只由材料决定，锌片和银片的光电效应中，光电子 的逸出功一定不相同由EkhW0，照射光子的能量h相同， 逸出功W0不同，则光电子最大初动能不同由于光电子吸收光子 后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离 金属时的初动能分布在零到最大初动能之间所以，在两个不同 光电效应的光电子中，有时初动能是可能相等的 【答案】ACB、D 学生分组探究三光电效应方程及其规律 第1步探究分层设问，破解疑难 1光电流的强度与入射光的强度一定成正比 吗？ 【提示】不一定光电流未达到饱和

23、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入射光越强，产生的光电子数一定越多吗？ 【提示】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Enh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 第2步结论自我总结，素能培养 1光电效应方程EkhW0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

24、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Eh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：EkhW0. (4)Ekm曲线如图1714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 (2)两个关系 光强大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

25、子的最 大初动能大 第3步例证典例印证，思维深化 图1715 如图1715所示，一光电管的阴极用极限波长05 000 的钠 制成用波长3 000 的紫外线照射阴极，光电管阳极A和阴极K 之间的电势差U2.1 V，饱和光电流(当阴极K发射的电子全部到达 阳极A时，电路中的电流达到最大值，称为饱和光电流)的值I0.56 A. (1)求每秒内由阴极K发射的光电子数目； (2)求电子到达阳极A时的最大动能； (3)如果电势差U不变，而照射光的强度增到 原值的三倍，此时电子到达阳极A时最大动能是 多少？(普朗克常量h6.631034Js) 【思路点拨】解答本题时注意的三点： (1)将波长、电流的单位统一

26、为国际单位制单 位 (2)单位时间内阴极K发射的全部电子均参与 导电时电路的电流达到饱和电流 (3)具有最大初动能的光电子到达阳极A时动 能取得最大值 【解析】因为饱和光电流的值I与每秒阴极 发射的电子数的关系是qneIt. 电子从阴极K飞出的最大初动能EkhW0. 电子从阴极K飞向A极时，还会被电场加速，使其 动能进一步增大 (1)设每秒内发射的电子数为n，则 (3)根据光电效应规律，光电子的最大初动能 与入射光的强度无关，如果电压U不变，则电子 到达阳极A的最大动能不会变即6.0121019 J. 【答案】(1)3.51012(个)(2)6.0121019 J (3)6.0121019 J

27、 利用光电效应规律解题应明确的两点 (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 第4步巧练精选习题，落实强化 1(多选)(2014广东高考)在光电效应实验中， 用频率为的光照射光电管阴极，发生了光电效应， 下列说法

28、正确的是() A增大入射光的强度，光电流增大 B减小入射光的强度，光电效应现象消失 C改用频率小于的光照射，一定不发生光 电效应 D改用频率大于的光照射，光电子的最大 初动能变大 【解析】增大入射光的强度，单位时间内 照到单位面积上的光子数增加，光电流增大，A 项正确减小入射光的强度，只是光电流减小， 光电效应现象是否消失与光的频率有关，而与光 的强度无关，B项错误改用频率小于的光照射， 但只要光的频率大于极限频率，仍然可以发生光 电效应，C项错误 【答案】AD 2(2014重庆模拟)如图1716所示，当开 关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴 极，发现电流表读数不为零合上开关，

29、调节滑 动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电 流表读数仍不为零当电压表读数大于或等于 0.60 V时，电流表读数为零由此可知阴极材料 的逸出功为() A1.9 eV B0.6 eV C2.5 eV D3.1 eV 【答案】A 学生分组探究四光子说对康普顿效应的解 释 第1步探究分层设问，破解疑难 光电效应与康普顿效应研究问题的角度有何 不同？ 【提示】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 第2步结论自我总结，素能培养 图1717 1X射线的光子与静止的电子发生弹性碰撞， 光子把部分能量转移给了电子，能量由h减小为h， 因此

30、频率减小，波长增大同时，电子获得一定的 动量，进一步说明了光的粒子性 2康普顿效应进一步证明了爱因斯坦光子说 的正确性 第3步例证典例印证，思维深化 康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也 有动量如图1718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】(1)光子与电子碰撞过程中满 足动量守恒和能量守恒 (2)碰撞后电子动能增加，光子的能量减小 【解析】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h知，频率变小，再根据c知，波长变 长 【答案】1变长 康普顿散射实验的意义 (1)动量守恒定律不但适用于宏观物体，也适 用于微观粒子间的作用； (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 第4步巧练精选习题，落实强化 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