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(全國通用版)2018-2019高中物理 第十七章 波粒二象性 第1節(jié) 能量量子化 第2節(jié) 光的粒子性課件 新人教版選修3-5.ppt

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1、第十七章,波粒二象性,情 景 切 入 1990年,德國物理學(xué)家普朗克提出了一個(gè)大膽的假設(shè):粒子的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍。這一假說不僅解決了熱輻射問題,同時(shí)也改變了人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)。 光在愛因斯坦的眼里成了“粒子”,電子、質(zhì)子等在德布羅意看來具有了波動(dòng)性 光到底是什么?實(shí)物粒子真的具有波動(dòng)性嗎?讓我們一起進(jìn)入這種神奇的微觀世界,去揭開微觀世界的奧秘吧。,知 識(shí) 導(dǎo) 航 本章內(nèi)容涉及微觀世界中的量子化現(xiàn)象。首先從黑體和黑體輻射出發(fā),提出了能量的量子化觀點(diǎn),進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)研究光電效應(yīng)現(xiàn)象,用愛因斯坦的光子說對(duì)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律做出合理解釋,明確了光具有波粒二象性,進(jìn)而將波粒二象性推廣到運(yùn)

2、動(dòng)的實(shí)物粒子,提出了德布羅意波的概念,經(jīng)分析和研究得出光波和德布羅意波都是概率波以及不確定性關(guān)系的結(jié)論。 本章內(nèi)容可分為三個(gè)單元:(第一二節(jié))主要介紹了能量量子化和光的粒子性;第二單元(第三節(jié))介紹了粒子的波動(dòng)性;第三單元(第四五節(jié))介紹了概率波和不確定性關(guān)系。 本章的重點(diǎn)是:普朗克的能量量子化假設(shè)、光電效應(yīng)、光電效應(yīng)方程、德布羅意波。本章的難點(diǎn)是:光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和波粒二象性。,學(xué) 法 指 導(dǎo) 1重視本章實(shí)驗(yàn)的理解。本章知識(shí)理論性很強(qiáng),涉及的新概念較多,也比較抽象,但它們作為物理量都有其實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ),所以在學(xué)習(xí)時(shí)要結(jié)合實(shí)驗(yàn)來理解它們,就不會(huì)覺得那么抽象。 2注意體會(huì)人類認(rèn)識(shí)微觀粒子本性的歷

3、史進(jìn)程。人類認(rèn)識(shí)微觀粒子本性的進(jìn)程是波浪形的,在曲折中前進(jìn),舊的理論總是被新發(fā)現(xiàn)、新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)否定,為解釋新實(shí)驗(yàn)事實(shí)又提出新的理論。光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)證明了光是一種粒子,但光的干涉和衍射又證明了光是一種波,因此光是一種波電磁波,同時(shí)光也是一種粒子光子。也就是說光具有波粒二象性。光在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的概率是受波動(dòng)規(guī)律支配的,因此光是一種概率波。 3學(xué)習(xí)本章知識(shí)會(huì)用到以前學(xué)過的知識(shí),如光的干涉、衍射,彈性碰撞、動(dòng)量定理和動(dòng)能定理等,因此可以有針對(duì)性地復(fù)習(xí)過去的這些知識(shí),對(duì)順利學(xué)習(xí)本章內(nèi)容會(huì)有幫助。,第一節(jié)能量量子化 第二節(jié)光的粒子性,學(xué) 習(xí) 目 標(biāo),知 識(shí) 導(dǎo) 圖,課 前 預(yù) 習(xí),1熱輻射 (1)定

4、義:我們周圍的一切物體都在輻射__________,這種輻射與物體的________有關(guān),所以叫熱輻射。 (2)特征:熱輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的________而有所不同。 2黑體 (1)定義:如果某種物體在任何溫度下能夠完全吸收入射的____________ __________而不發(fā)生反射,這種物體就是絕對(duì)黑體,簡(jiǎn)稱黑體。 (2)黑體輻射的特征:黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的________有關(guān)。,知識(shí)點(diǎn) 1,黑體與黑體輻射,電磁波,溫度,溫度,各種波長的,電磁波,溫度,3黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的________有關(guān),如圖所示。 (

5、1)隨著溫度的升高,各種波長的輻射強(qiáng)度都________; (2)隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度的極大值向波長________的方向移動(dòng)。,溫度,增加,較短,1定義 普朗克認(rèn)為,帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的__________,當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí),也是以這個(gè)最小能量值為單位____________地輻射或吸收的,這個(gè)不可再分的最小能量值叫做能量子。 2能量子大小 h,其中是電磁波的頻率,h稱為__________常量,h6.6261034Js(一般取h6.631034Js)。 3能量的量子化 在微觀世界中能量是_________的,或者說微觀粒子的能量是_______的。,知識(shí)點(diǎn) 2

6、,能量子,整數(shù)倍,一份一份,普朗克,量子化,分立,1光電效應(yīng) 照射到金屬表面的光,能使金屬中的________從表面逸出的現(xiàn)象。如圖所示。 2光電子 光電效應(yīng)中發(fā)射出來的________。,知識(shí)點(diǎn) 3,光電效應(yīng),電子,,電子,3光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 (1)存在著飽和光電流:在光的顏色不變的情況下,入射光越強(qiáng),________電流越大。這表明對(duì)于一定顏色的光,入射光越強(qiáng),單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的____________越多。 (2)存在著遏止電壓和截止頻率:光電子的最大初動(dòng)能與入射光的________有關(guān),而與入射光的________無關(guān),當(dāng)入射光的頻率低于____________時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)。 (

7、3)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性:光電效應(yīng)幾乎是________發(fā)生的,從光照射到產(chǎn)生光電流的時(shí)間不超過________s。,飽和,光電子數(shù),頻率,強(qiáng)弱,截止頻率,瞬時(shí),109,1光子 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是____________的,而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的________組成的,頻率為的光的能量子為h,h為普朗克常量。這些能量子后來被稱為光子。 2愛因斯坦光電效應(yīng)方程 在光電效應(yīng)中,金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是______,這些能量的一部分用來克服金屬的__________W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek,即 h__________或Ek___________,知識(shí)點(diǎn) 4

8、,愛因斯坦的光電效應(yīng)方程,一份一份,能量子,h,逸出功,EkW0,hW0,1光的散射 光在介質(zhì)中與____________相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射。 2康普頓效應(yīng) 美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí),發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中,除了與入射波長0相同的成分外,還有_____________的成分,這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。,知識(shí)點(diǎn) 5,康普頓效應(yīng),物質(zhì)微粒,波長大于0,1表達(dá)式 p______ 2說明 在康普頓效應(yīng)中,入射光子與晶體中電子碰撞時(shí),把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給________,光子的動(dòng)量________,因此,有些光子散射后波長變______。,知識(shí)點(diǎn) 6,光子

9、的動(dòng)量,電子,變小,長,判一判 (1)只有高溫的物體才會(huì)熱輻射。() (2)熱輻射的輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨溫度的變化而有所不同。() (3)微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍。() (4)能量子的能量不是任意的,其大小與電磁波的頻率成正比。() (5)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。(), ,(6)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)。() (7)入射光照射到金屬表面上時(shí),光電子幾乎是瞬時(shí)發(fā)射的。() (8)光子發(fā)生散射時(shí),其動(dòng)量大小發(fā)生變化,但光子的頻率不發(fā)生變化。() (9)光子發(fā)生散射后,其波長變大。(), ,選一選 (多選)(北京市臨川育人學(xué)校2017201

10、8學(xué)年高二下學(xué)期期中)如圖所示,電路中所有元件完好,當(dāng)光照射到光電管上時(shí),靈敏電流計(jì)中沒有電流通過,可能的原因是( ) A入射光強(qiáng)度較弱 B入射光波長太長 C光照射時(shí)間太短 D電源正負(fù)極接反,BD,,解析:光電管能否產(chǎn)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)度、光照時(shí)間沒有關(guān)系,當(dāng)入射光波長小于金屬的極限波長時(shí),即入射光頻率大于金屬的極限頻率時(shí),金屬才能產(chǎn)生光電效應(yīng),A、C錯(cuò)誤;若入射光波長大于金屬的極限波長時(shí),金屬不能產(chǎn)生光電效應(yīng),靈敏電流計(jì)中沒有電流通過,B正確;電源正負(fù)極接反時(shí),光電管加上反向電壓,光電子做減速運(yùn)動(dòng),可能到達(dá)不了陽極,電路中不能形成電流,D正確。,想一想 很多地方用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)人的體溫

11、,只要被測(cè)者從儀器前走過,便可知道他的體溫是多少,你知道其中的道理嗎?,答案:根據(jù)熱輻射規(guī)律可知,人的體溫的高低,直接決定了這個(gè)人輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度。通過監(jiān)測(cè)被測(cè)者輻射的紅外線的情況就知道這個(gè)人的體溫。,課 內(nèi) 探 究,有經(jīng)驗(yàn)的煉鋼工人,通過觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色,就可以估計(jì)出爐內(nèi)的大體溫度,這是根據(jù)什么道理? 提示:黑體輻射與溫度有關(guān)。,探究一對(duì)黑體及黑體輻射的理解,,1對(duì)黑體的理解 絕對(duì)的黑體實(shí)際上是不存在的,但可以用某裝置近似地代替。如圖所示,如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)小孔,那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收,最終不能從空腔射出,這個(gè)小孔就成了一個(gè)絕對(duì)黑體。,,特別提

12、醒:(1)熱輻射不一定要高溫,任何溫度的物體都發(fā)出一定的熱輻射,只是溫度低時(shí)輻射弱,溫度高時(shí)輻射強(qiáng)。 (2)黑體是一個(gè)理想化的物理模型,實(shí)際不存在。 (3)黑體看上去不是一定是黑的,只有當(dāng)自身輻射的可見光非常微弱時(shí)看上去才是黑的;有些可看作黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射,看起來還會(huì)很明亮,例如:煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也被看作黑體來處理。,關(guān)于對(duì)黑體的認(rèn)識(shí),下列說法正確的是() A黑體只吸收電磁波,不反射電磁波,看上去是黑的 B黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀況有關(guān) C黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與溫度有關(guān),與材料的種類及表

13、面狀況無關(guān) D如果在一個(gè)空腔壁上開一個(gè)很小的孔,射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收,最終不能從小孔射出,這個(gè)空腔就成了一個(gè)黑體,典例 1,C,解題指導(dǎo):黑體完全吸收電磁波而不反射,同時(shí)其本身也輻射電磁波;黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與溫度有關(guān),與其他因素?zé)o關(guān)。 解析:黑體自身輻射電磁波,不一定是黑的,A錯(cuò)誤;黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān),B錯(cuò)誤,C正確;小孔只吸收電磁波,不反射電磁波,因此小孔成了一個(gè)黑體,而不是空腔,D錯(cuò)誤。,對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1關(guān)于黑體輻射的強(qiáng)度與波長的關(guān)系,下圖正確的是(),B,,,解析:根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律:隨溫度升高,各種波長的輻射強(qiáng)度都

14、有增加,故圖線不會(huì)有交點(diǎn),選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤;另一方面,輻射強(qiáng)度的極大值會(huì)向波長較短方向移動(dòng),選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確。,由能量量子化假說可知,能量是一份一份的,而不是連續(xù)的,在宏觀概念中,舉一些我們周圍不連續(xù)的實(shí)例。 提示:人的個(gè)數(shù),自然數(shù),汽車等。,探究二能量量子化,1能量子 物體熱輻射所發(fā)出的電磁波是通過內(nèi)部的帶電諧振子向外輻射的,諧振子的能量是不連續(xù)的,只能是h的整數(shù)倍,h稱為一個(gè)能量量子,其中是諧振子的振動(dòng)頻率,h是一個(gè)常數(shù),稱為普朗克常量。 2普朗克常量 h6.631034Js,3意義 可以非常合理地解釋某些電磁波的輻射和吸收的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 4量子化現(xiàn)象 在微觀世界中物理量分立取值的現(xiàn)象稱為量

15、子化現(xiàn)象。 5量子化假設(shè)的意義 普朗克的能量子假設(shè),使人類對(duì)微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí),對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征。,氦氖激光器發(fā)射波長為6328的單色光,試計(jì)算這種光的一個(gè)光子的能量為多少?若該激光器的發(fā)光功率為18mW,則每秒鐘發(fā)射多少個(gè)光子? 解題指導(dǎo):求解本題的關(guān)鍵有兩點(diǎn):一是能根據(jù)已知條件求得每一個(gè)光子的能量,另外必須明確激光器發(fā)射的能量由這些光子能量的總和組成。 答案:3.141019J5.731016個(gè),典例 2,對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練2人眼對(duì)綠光最為敏感,正常人的眼睛接收到波長為530nm的綠光時(shí),只要每秒有6個(gè)

16、綠光的光子射入瞳孔,眼睛就能察覺,普朗克常量為6.631034Js,光速為3.0108m /s,則人眼能察覺到綠光時(shí)所接收到的最小功率是() A2.31018WB3.81019W C7.01010W D1.21018W,A,如圖所示,把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上,用紫外線燈照射鋅板,觀察到驗(yàn)電器的指針發(fā)生了變化,這說明鋅板帶了電。你知道鋅板是怎樣帶上電的嗎? 提示:鋅板在紫外線燈的照射下發(fā)生了光電效應(yīng),發(fā)射出光電子,因此鋅板會(huì)顯示正電性,驗(yàn)電器會(huì)因帶正電荷而使金屬箔片張開一定角度。,探究三光電效應(yīng),,4截止頻率c 方程EkhW0表明,光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率存在線性關(guān)系(如圖所示),與

17、光強(qiáng)有關(guān)。圖中橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率,縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值,圖線的斜率為普朗克常量。,,5逸出功 方程EkhW0中的逸出功W0為從金屬表面逸出的電子克服束縛而消耗的最少能量,不同金屬的逸出功是不同的。,6光電效應(yīng)規(guī)律中的兩條線索、兩個(gè)關(guān)系 (1)兩條線索 (2)兩個(gè)關(guān)系 光強(qiáng)光子數(shù)目多發(fā)射光電子多光電流大; 光子頻率高光子能量大產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能大。,,特別提醒:(1)逸出功和截止頻率均由金屬本身決定,與其他因素?zé)o關(guān)。 (2)光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增大而增大,但不是正比關(guān)系。,(多選)在做光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí),某金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng),實(shí)驗(yàn)測(cè)得光電子的最大初動(dòng)能E

18、k與入射光的頻率的關(guān)系如圖所示,由實(shí)驗(yàn)圖線可求出() A該金屬的極限頻率和極限波長 B普朗克常量 C該金屬的逸出功 D單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù),典例 3,ABC,,解題指導(dǎo):分析、推導(dǎo)得出圖像的斜率及在圖像橫、縱坐標(biāo)軸上的截距所對(duì)應(yīng)的物理量,從而理解它們的物理意義,才能有效提高自身應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的能力。,對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練3(黑龍江綏化市肇東一中20152016學(xué)年高二下學(xué)期期中)如圖所示,用綠光照射一光電管,能產(chǎn)生光電效應(yīng)。欲使光電子從陰極逸出時(shí)的初動(dòng)能增大,應(yīng)該() A改用紅光照射 B改用紫光照射 C增大光電管上的加速電壓 D增大綠光的強(qiáng)度,B,解析:由EkhW逸出知增加最大初動(dòng)能,只要入

19、射光的頻率變大就行了。紅光的頻率比綠光小,故A錯(cuò)誤;紫光的頻率比綠光的大,故B正確。增大光電管的加速電壓,不影響陰極逸出時(shí)的初動(dòng)能,故C錯(cuò)誤;增加綠光照射強(qiáng)度只是增大了光電流強(qiáng)度,D錯(cuò)誤。故選B。,太陽光從小孔射入室內(nèi)時(shí),我們從側(cè)面可以看到這束光;宇航員在太空中會(huì)發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目,其他方向的天空卻是黑的,為什么? 提示:在地球上光發(fā)生了散射;太空中沒有懸浮顆粒,光不能發(fā)生散射。,探究四康普頓效應(yīng),1光子說對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 (1)假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞。光子和電子相碰撞時(shí),光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少,于是散射光的波長大于入射光的波長。 (2)康普頓效應(yīng)進(jìn)一步

20、揭示了光的粒子性,也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性。 2光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)的對(duì)比 (1)光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)都說明了光具有粒子性。 (2)波長較短的X射線或射線產(chǎn)生康普頓效應(yīng),波長較長的可見光或紫外光產(chǎn)生光電效應(yīng)。,科學(xué)研究證明,光子有能量也有動(dòng)量,當(dāng)光子與電子碰撞時(shí),光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子。假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為,碰撞后的波長為,則碰撞過程中() A能量守恒,動(dòng)量守恒,且 B能量不守恒,動(dòng)量不守恒,且 C能量守恒,動(dòng)量守恒,且 D能量守恒,動(dòng)量守恒,且 解題指導(dǎo):能量守恒和動(dòng)量守恒是自然界的普遍規(guī)律,適用于宏觀世界也適用于微觀世界。,典例 4,C,對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練4康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子

21、不僅具有能量,也有動(dòng)量。下圖給出了光子與靜止電子碰撞后,電子的運(yùn)動(dòng)方向,則碰后光子可能沿方向_____運(yùn)動(dòng),并且波長________(填“不變”、“變短”或“變長”)。 解析:因光子與電子的碰撞過程動(dòng)量守恒,所以碰撞之后光子和電子的總動(dòng)量的方向與光子碰前動(dòng)量的方向一致,可見碰后光子運(yùn)動(dòng)的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通過碰撞,光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,能量減少,由Eh知,頻率變小,再根據(jù)c知,波長變長。,1,,變長,素 養(yǎng) 提 升,1光子與光電子 光子指光在空間傳播時(shí)的每一份能量,光子不帶電,光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來的電子,其本質(zhì)是電子,光子是光電效應(yīng)的因,光電子是果。

22、2光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能 光照射到金屬表面時(shí), 光子的能量全部被電子吸收,電子吸收光子的能量,可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng),需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量,剩余部分為光電子的初動(dòng)能;只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí),只需克服原子核的引力做功,才具有最大初動(dòng)能。光電子的初動(dòng)能小于等于光電子的最大初動(dòng)能。,光電效應(yīng)中幾個(gè)易混淆的概念,3光子的能量與入射光的強(qiáng)度 光子的能量即每個(gè)光子的能量,其值為Eh(為光子的頻率),其大小由光的頻率決定。入射光的強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量;入射光的強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)光子能量與入射光子數(shù)的乘積。 4光電流和飽和光電流 金屬板飛出的

23、光電子到達(dá)陽極,回路中便產(chǎn)生光電流,隨著所加正向電壓的增大,光電流趨于一個(gè)飽和值,這個(gè)飽和值是飽和光電流,在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。,用同一束單色光,在同一條件下,先后照射鋅片和銀片,都能產(chǎn)生光電效應(yīng),這兩個(gè)過程中,對(duì)下列四個(gè)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金屬的逸出功 C光電子動(dòng)能D光電子最大初動(dòng)能,案 例,A,C,BD,解析:光子的能量由光的頻率決定,同一束單色光頻率相同,因而光子能量相同,逸出功等于電子脫離原子核束縛需要做的最小的功,因此只由材料決定,鋅片和銀片的逸出功一定不相同。由EkhW,照射光子能量h相同,逸出功W不同,則電子最大初動(dòng)能也不同,由于光電子吸收光子后到達(dá)金屬表面的路徑不同,途中損失的能量也不同,因而脫離金屬時(shí)的動(dòng)能可能分布在零到最大初動(dòng)能之間,所以,兩個(gè)不同光電效應(yīng)的光電子中,動(dòng)能是可能相等的。,

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