15黑体和光电效应和波粒二象性

波粒二象性1量子概念的诞生黑体辐射总结热辐射：我们周围的一切物体都在辐射虫磁波，这种辐射与物体的温度有关,所以叫热辐射.黑体：如果某物体能够全部吸收外来电磁波而不发生反射,这种物体就称为绝对黑体，简称黑体.黑体辐射：加热腔体，黑体表面就向外辐射电磁波，这就是黑体辐射.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温度有关.对黑体辐射的解释：维恩公式在短波区与实验非常接近，在爸波区则与实验偏离很大；瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，如图］所示.子

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--定义：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，最小的一份能量为8=hv,称为能量子.大小：不可再分的最小能量值s=hv,其中卩是电磁波的频率,7?是普朗克常量，7i=6.63X10-34j，s.一、黑体辐射规律【例1】关于对黑体的认识，下列说法正确的是()黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的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，故选项A错误；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，故选项B错误，选项C正确；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，故选项D错误.答案C【例2】在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉辐射强度内的温度.如图2所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像.说法正确的是.辐射强度A.T>TT<.T2 j随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低 °釘儿波长随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较长方向移动二、能量子的计算【例3】光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400〜700nm.400nm、700nm电磁辐射的能量子的值各是多少？（/i=6.63X10-34J-s）解析根据公式卩=予和£=hv可知：竹=/?于nm和m的进率是10的-9方（能量子的理解）红、橙、黄、绿四种单色光中，光子能量最小的是.A.红光B.橙光C.黄光D.绿光（能量子的计算）小灯泡的功率P=1W,设其发出的光向四周均匀辐射，平均波长A=10-6m,求小灯泡每秒钟辐射的光子数是多少？（7i=6.63X10-34J.S）答案5X1018（个）解析每秒钟小灯泡发出的能量为E=Pt=1J一个光子的能量£=hv=^E 1 人n=7=1.989X10-i9^5X1°%丨）「黑体<能，量，量，子,化黑体辐射<能，量，量，子,化黑体辐射S黑体辐射的特点、黑体辐射的实验规律「定义能量子S大小£=加、能量子假说的意义ccB.Nh丁0D.2Nh01．对黑体辐射电磁波的波长分布有影响的因素是.温度B.材料C.表面状况 D.以上都正确6.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个波长为血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)()ch•丁0C・Nhio答案B解析一个光子的能量£=hv=hi~，则N个光子的总能量E=Nh〒选项B正确.7•氮一氖激光器发出波长为633nm的激光，当激光器的输出功率为1mW时，每秒发出的光子数为(h=6.63X10-34j.s)( )A.2.2X1015 B.3.2X1015C.2.2X1014 D.3.2X1014答案B解析一个该光子的能量£=hv=J.当激光器输出功率为1mW时，每秒发出的光子数为N=¥=f代入数据得N~3.2X1015(个).B正确.11.人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒钟有6个光量子射入瞳孔，眼睛就能察觉.人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率为多少？(结果保留两位有效数字)(普朗克常数为6.63X10-34J・s,光速为3X108m/s)答案2.3X10-18Wc解析先根据s=hv=算出每个光量子的能量，每秒需要接收到6个这样的光量子，故接收到这6个光量子的功率就是人眼能觉察到绿光的最小功率.又因每秒有6个绿光的光量子射入瞳孔，所以，觉察到Ec绿光所需要接收到的最小功率P=，式中E=6£，又£=hv=hi，代入数据得P^2.3X10-18W.光电效应与光的量子说1.光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子会因吸收光的能量而逸出金属表面，这种现象称为光电效应..光电效应中的光包括不可见光和可见光..光电子：光电效应中发射出来的电子.其本质还是电子.二、光电效应的规律如图2所示，图2阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K用铯做成.电源加在K和A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调.加在光电管两极间电压为零时，用紫光照射阴极，回路中有电流吗？改变入射光强度，光电流大小如何变化？保持入射光的强度不变，更换滤色片以改变入射光频率，使光由紫光一蓝光一绿光一红光，会看到什么现象？这说明什么？在紫光照射下，加上反向电压，直至电流为0.改变光强做两次，记录下各个遏止电压的值；改用蓝光和绿光再各做一次，也记录下遏止电压的值.你发现什么规律？遏止电压U与光电子的最大初动能Ekm什么关系？由上述实验数据说明最大初动能与什么有关？答案(1)有.光越强，光电流越大.紫光、蓝光、绿光照射下有光电流，红光则没有.说明入射光的频率低于某一极限频率时将不能产生光电效应.用紫光照射，不管光强如何，遏止电压相同；由紫光换成蓝光和绿光，遏止电压减小.说明遏止电压随入射光频率的减小而减小.根据动能定理eU=Ekm，遏止电压不同说明光电子的最大初动能只与入射光频率有关，且随入射光频率的增大而增大.总结1.光电效应的四条规律极限频率(也叫截止频率)的存在：入射光的频率必须大于v°,才能产生光电效应，与入射光强度及照射时间无关.

光电子的最大初动能随着入射光频率的增加而增加，而与入射光强度无关.当产生光电效应时，光电流大小随入射光强度的增大而增大.光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过1072．两个决定关系入射光频率决定着能否发牛光电效应和光电子的最大初动能:入射光强度决定着单位时间内发射的光子数.三、光量子概念的提出光电效应方程光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为卩的光子的能量为hv.光电效应方程表达式：hv=2me2+w或|mv2=hv—W.对光电效应方程的理解逸出功的存在：金属内的电子吸收了一个光子的能量hv后，一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需做的功W,叫逸出功；另一部分转化为光电子动能|mv2.光电效应方程说明了产生光电效应的条件.WW若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek=hv—W>0,亦即hv>W，v>~h=v0,而v=~^恰好是光电效应的截止频率.Ek—v曲线.如图3所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率v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4用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转锌板带的是负电荷使验电器指针发生偏转的是正电荷二、光电效应的实验规律2入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么...从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加逸出的光电子的最大初动能将减小单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少有可能不发生光电效应三、光电效应方程及其应用图63如图6所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零.合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零.当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零.由此可知阴极材料的逸出功为.A.1.9eV B.0.6eVC.2.5eV D.3.1eV一、光电效应的现象分析多1如图4所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是 黑体辐射的特性<能量量子化,光的粒子性能量子：普朗克假^S=hv光现象转化J电现象光电效应实质：电子吸收光子J光电子实验规律图8光子说：£=hvhv=1mv2+WTOC\o"1-5"\h\z.爱因斯坦光电效应方程J 2I解释光电效应hv W 2hv WU=—— B.U=一—\o"CurrentDocument"e e e e\o"CurrentDocument"— 5hv WC・U=2hv—W D・U=——2ee答案B解析由题意知，一个电子吸收一个光子不能发生光电效应，换用同样频率为v的强激光照射，则发生4.（光电效应方程的应用）如图7所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率v的关A.该金属的逸出功等于EB・该金属的逸出功等于hv0C・入射光的频率为v0时，产生的光电子的最大初动能为ED.入射光的频率为2v0时，产生的光电子的最大初动能为2E5・（光电效应方程的应用）以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出・强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实・光电效应实验装置示意如图8所示.用频率为v的普通光源照射阴极K没有发生光电效应.换用同样频率v的强激光照射阴极K则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U,即将阴极K接电源正极，光电效应，即吸收的光子能量为nhv,n=2,3,4,….则由光电效应方程可知：nhv=W+*mv2（n=2,3,4,…）①在减速电场中由动能定理得-eU=0-2mv2②联立①②得：U^y-乡（〃=2,3,4,…），选项B正确.题组一光电效应现象及规律的理解6・对于任何一种金属，能发生光电效应的条件是 A.入射光的强度大于某一极限强度B・入射光的波长大于某一极限波长入射光照射时间大于某一极限时间入射光的频率不低于某一极限频率（应该说大于更好）多7.在光电效应实验中，用频率为v的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是....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v的光照射，一定不发生光电效应D・改用频率大于v的光照射，光电子的最大初动能变大8.如图1所示，在研究光电效应的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发阳极A接电源负极，在K、A之间就形成了使光电子减速的电场.逐渐增大U,光电流会逐渐减小；当生偏转，而用另一频率的B单色光照射光电管时不发生光电效应，则...光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是（其中W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电荷量）（）4光的强度大于B光的强度B光的频率大于4光的频率用4光照射光电管时流过电流表G的电流方向是由a流向方用4光照射光电管时流过电流表G的电流方向是由方流向a9.某金属的逸出功为2.3eV,这意味着..这种金属内部的电子克服原子核引力做2.3eV的功即可脫离表面这种金属表层的电子克服原子核引力做2.3eV的功即可脫离表面要使这种金属有电子逸出，入射光子的能量可以小于2.3eV这种金属受到光照时若有电子逸出，贝IJ电子离开金属表面时的动能至少等于2.3eV10.研究光电效应的电路如图2所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板（阴极K）,钠极板发射出的光电子被阳极4吸收，在电路中形成光电流.下列光电流/与4、K之间的电压的关AK系图像中，正确的是…多11.已知能使某金属产生光电效应的极限频率为岭，则...当用频率为2卩°的单色光照射该金属时，一定能产生光电子当用频率为2岭的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为加°

当入射光的频率”大于岭时，若”增大，则逸出功增大当入射光的频率卩大于V。时，若卩增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍题组三综合应用在光电效应实验中，某金属的截止频率对应的波长为久°,则该金属的逸出功为 .若用波长为久的单色光做该实验，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.安hehc^-X)口木人哪分别用久和玄的单色光照射同一金属,发出的光电子的最大初动能之比为1：3.以力表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则此金属板的逸出功是多大?答案t解析设此金属的逸出功为W,根据光电效应方程得如下两式:当用波长为久的光照射时：E=T-W®klX当用波长为为的光照射时：E=警-W®4 k2解①②③组成的方程组得：晋.14.铝的逸出功为4.2eV,现用波长为200nm的光照射铝的表面.已知7i=6.63X10-34j.s,求：(计算结果在小数点后保留三位有效数字)光电子的最大初动能；⑵遏止电压；铝的截止频率.答案(1)3.225X10-19J(2)2.016V(3)1.014X1015Hz解析(1)根据光电效应方程件=hv~W有he 6.63X10-34X3.0X108E— “2“。 J-4.2X1.6X10-19J=3.225X10-19JkX 200X10-9(2)由E=eU可得K CV~2.016V.兄3.225X10」V~2.016V.ce1.6X10-19⑶由hv0=W知W4.2X1.6X10-19_ v=~= Hz~1014X1015HzV0h6.63X10-34Hz1.01410Hz.A．甲光的频率大于乙光的频率图9乙光的波长大于丙光的波长B．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率C．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能D．17．示为，所用材料的逸出功可表示为．［U-v图象］(2015・新课标「35(1))在某次光电效应实验中，得到的遏止电压U与入射光的频率vc C的关系如图7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,则普朗克常量可表由E—v图象(如图3)可以得到的信息极限频率：图线与v轴交点的横坐标vc.逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值E=W,-k 0普朗克常量：图线的斜率k=h.由I-U图象(如图4)可以得到的信息(1)遏止电压Uc：(1)遏止电压Uc：图线与横轴的交点的绝对值.c图中直线的斜率与普朗克常量有关D．图4截止频率vc：图线与横轴的交点.遏止电压Uj随入射光频率的增大而增大.普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h=ke.(注：此时两极之间接反向电压)16.［I-U图象］在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图9所示.则可判断出( )18．［Ek-v图象］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Ek与入射光频率v的关系如图8所示，其中v为极限频率.从k3光的波粒二象性4实物粒子的波粒二象性5不确定关系光的波粒二象性概率波康普顿效应x射线经物质散射后波长变丘的现象.光的波粒二象性(1)光的干涉和衍射现象说明光具有波动性,光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性.⑵光子的能量£=血，光子的动量p=f.光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有j皮粒二象性.对光的波粒二象性的理解大量光子产生的效果显示出波动性；个别光子产生的效果显示出粒子性.光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是描述波动性特征的物理量，因此£=加揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系.频率低、波长长的光，波动性特征显著，而频率高、波长短的光，粒子性特征显著.光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出粒子性.光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体.光是一种概率波光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量.和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，由波动性起主导作用，因此称光波为概率波.二、德布罗意物质波假说任何运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它相对应，这种波叫物质波，h p又叫德布罗意波.物质波波长、频率的计算公式为久=],v=^.我们之所以看不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体的动量太大，德布罗意波长太小的缘故.德布罗意假说是光的波粒二象性的推广，即光子和实物粒子都既具有粒子性又具有波动性,即具有波粒二象性.与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波.物质波的实验验证1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了虫壬束衍射的实验，从而证实了虫壬的波动性.人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的彳和久=*关系同样正确.三、不确定关系微观粒子运动的位置不确定量Ax和动量的不确定量A匕的关系式为心仏匕三£,其中力是普朗克常量，这个关系式叫不确定关系.不确定关系告诉我们，如果要更准确地确定粒子的位置(即Ax更小)，那么动量的测量一定会更不准确(即A竹更大)，也就是说，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，也不可能用“轨迹”来描述粒子的运动.—、对光的波粒二象性的认识1对光的认识，以下说法中正确的是•••••个别光子的行为表现出粒子性，大量光子的行为表现出波动性高频光是粒子，低频光是波光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不再具有波动性了光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现得明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显二、 对物质波的理解2下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是...光波是一种物质波X光的衍射证实了物质波的假设是正确的电子的衍射证实了物质波的假设