《2019-2020學(xué)年高中物理 第4章 1 量子概念的誕生 2 光電效應(yīng)與光的量子說學(xué)案 教科版選修3-5》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高中物理 第4章 1 量子概念的誕生 2 光電效應(yīng)與光的量子說學(xué)案 教科版選修3-5（11頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、1．量子概念的誕生 2．光電效應(yīng)與光的量子說 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射，了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律及黑體輻射電磁波強(qiáng)度隨波長的分布曲線．(重點(diǎn))2.了解普朗克提出的能量子的概念，了解量子論誕生的歷史意義.3.知道光電效應(yīng)中截止頻率的概念及其與光的電磁理論的矛盾．(重點(diǎn))4.知道光子說及其對光電效應(yīng)的解釋．(重點(diǎn))5.掌握愛因斯坦光電效應(yīng)方程并會用它來解決簡單問題．(難點(diǎn)) 一、量子概念的誕生 1．熱輻射 我們周圍的一切物體都在以電磁波的形式向外輻射能量，而且輻射強(qiáng)度隨波長如何分布都與物體的溫度相關(guān)，所以物理上把這種輻射稱為熱輻射，物體熱輻射中

2、隨溫度的升高，輻射的較短波長的電磁波的成分越來越強(qiáng)． 2．黑體與黑體輻射 (1)黑體：如果某物體能夠全部吸收外來電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就稱為絕對黑體，簡稱黑體． (2)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 ①一般材料的物體，輻射電磁波的情況，除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)． ②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)．隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動． (3)維恩和瑞利的理論解釋 ①建立理論的基礎(chǔ)：依據(jù)經(jīng)典理論的知識尋求黑體輻射的理論解釋． ②維恩公式：在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)非常接近，在長波區(qū)則與實(shí)驗(yàn)偏離很大．

3、 ③瑞利公式：在長波區(qū)與實(shí)驗(yàn)基本一致，但在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符，由理論得出的荒謬結(jié)果被稱為“紫外災(zāi)難”． 3．普朗克提出的能量子的概念 (1)普朗克的假設(shè) 振動的帶電諧振子具有的能量是不連續(xù)的，只能取一些分立的值，即En＝nhν(n＝1,2,3，…)，即能量E只能取hν的整數(shù)倍，最小的一份能量ε＝hν稱為能量子，式中ν是諧振動的頻率，h是一個常數(shù)，稱為普朗克常量．h＝6.626 068 76(52)×10－34 J·s. (2)普朗克理論的意義 ①利用能量子的假設(shè)，普朗克推導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)相符的公式(即普朗克公式)成功的解決了黑體輻射問題． ②普朗克在1900年把能量子列入物理學(xué)，正確

4、地破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，成為新物理學(xué)思想的基石之一． 二、光電效應(yīng)與光的量子說 1．光電效應(yīng)定義 照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象． 2．光電子 光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子． 3．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 (1)對于給定的光電陰極材料，都存在一個發(fā)生光電效應(yīng)所需的入射光的最小頻率ν0，叫做光電效應(yīng)的截止頻率，亦稱為極限頻率．只有超過截止頻率的光，才能引起光電效應(yīng)．不同金屬材料的截止頻率不同． (2)當(dāng)入射光的頻率高于截止頻率、光電流出現(xiàn)時，光電流的大小由光強(qiáng)決定，光強(qiáng)越大，光電流越大． (3)從陰極發(fā)出的光電子的最大初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系．

5、(4)只要光的頻率大于截止頻率，即使用極弱的入射光，光電子總能立刻(約10－9 s)發(fā)射出來． 4．光子說 光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，這些能量子稱為光子． 5．光電效應(yīng)方程 (1)對光電效應(yīng)的說明 在光電效應(yīng)中，金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，其中一部分用來克服金屬的逸出功W，另一部分為光電子的初動能Ek. (2)光電效應(yīng)方程 Ek＝hν－W. 1．正誤判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體． (√) (2)溫度越高，黑體輻射

6、電磁波的強(qiáng)度越大． (√) (3)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比． (√) (4)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)． (×) (5)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)． (×) (6)不同的金屬逸出功不同，因此金屬對應(yīng)的截止頻率也不同． (√) (7)入射光若能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則入射光的強(qiáng)度越大，照射出的光電子越多． (√) 2．(多選)下列敘述正確的是(　　) A．一切物體都在輻射電磁波 B．一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān) C．一般物體輻射電磁波的情況只與材料有關(guān) D．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)

7、AD　[根據(jù)熱輻射定義知A對；根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點(diǎn)知一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料種類和表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)，B、C錯、D對．] 3．如圖所示，用弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針張開一個角度，則下列說法中正確的是(　　) A．用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) B．用紅光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) C．鋅板帶的是負(fù)電荷 D．驗(yàn)電器指針帶的是負(fù)電荷 A　[將擦得很亮的鋅板與驗(yàn)電器連接，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗(yàn)電器指針張開一個角度，說明鋅板帶了電，進(jìn)一步研究表明鋅板和驗(yàn)電器指針帶正電．這說明在紫外

8、線的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出，鋅板帶正電，選項(xiàng)A正確．紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)．] 對黑體和黑體輻射的理解 1．對黑體的理解 絕對的黑體實(shí)際上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替．如圖所示，如果在一個空腔壁上開一個小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個絕對黑體． 2．一般物體與黑體的比較 熱輻射特點(diǎn) 吸收、反射特點(diǎn) 一般 物體 輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況有關(guān) 既吸收又反射，其能力與材料的種類及入射波長等因素有關(guān) 黑體 輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體

9、的溫度有關(guān) 完全吸收各種入射電磁波，不反射 3.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 (1)溫度一定時，黑體輻射強(qiáng)度隨波長的分布有一個極大值． (2)隨著溫度的升高 ①各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加； ②輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動．如圖所示． 4．普朗克的量子化假設(shè)的意義 (1)普朗克的能量子假設(shè)，使人類對微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識，對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響，成為物理學(xué)發(fā)展史上一個重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)． (2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征． 【例1】　(多選)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，由圖可知(　　) A．隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)

10、度都增加 B．隨溫度降低，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加 C．隨溫度升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動 D．隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長的方向移動 ACD　[由圖可知，隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動，當(dāng)溫度降低時，上述變化都將反過來，故A、C、D正確，B錯誤．] 1．(多選)下列關(guān)于黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律敘述正確的是(　　) A．隨著溫度的升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都有所增加 B．隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動 C．黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長無關(guān) D．黑體輻射無任何規(guī)律 AB　[黑體輻射的規(guī)律為隨著溫

11、度的升高各種波長的輻射強(qiáng)度都增加，同時輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動．故A、B對．] 正確理解光電效應(yīng)的相關(guān)知識 1．光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子，光照射金屬是因，產(chǎn)生光電子是果． 2．光電子的動能與光電子的最大初動能：光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個方向運(yùn)動，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能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能．光電子的初動能小于或等于光電子的最

12、大初動能． 3．光子的能量與入射光的強(qiáng)度：光子的能量即每個光子的能量，其值為ε＝hν(ν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)度等于單位時間內(nèi)光子能量hν與入射光子數(shù)n的乘積．即光強(qiáng)等于nhν. 4．光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達(dá)陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個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)． 5．光的強(qiáng)度與飽和光電流：飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的．對于不同頻率的光，由于每個光子的

13、能量不同，飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間沒有簡單的正比關(guān)系． 【例2】　(多選)一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng)，則下列說法正確的是(　　) A．若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電子數(shù)增加 B．若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電子最大初動能增加 C．若改用紫光照射，則可能不會發(fā)生光電效應(yīng) D．若改用紫光照射，則逸出的光電子的最大初動能增加 AD　[光電效應(yīng)的規(guī)律表明：入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應(yīng)以及發(fā)生光電效應(yīng)時產(chǎn)生的光電子的最大初動能的大小，當(dāng)入射光頻率增加后，產(chǎn)生的光電子最大初動能也增加，而照射光的強(qiáng)度增加，會使單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加，又知紫光頻率高于綠光，故選項(xiàng)正確的

14、有A、D.] 入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應(yīng)以及發(fā)生光電效應(yīng)時產(chǎn)生的光電子的最大初動能的大小，能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)． 2．(多選)利用光電管研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)如圖所示，用頻率為ν的可見光照射陰極K，電流表中有電流通過，則(　　) A．用紫外線照射，電流表不一定有電流通過 B．用紅外線照射，電流表一定無電流通過 C．用頻率為ν的可見光照射陰極K，當(dāng)滑動變阻器的滑片移到最右端時，電流表一定無電流通過 D．用頻率為ν的可見光照射陰極K，當(dāng)滑動變阻器的滑片向左端移動時，電流表示數(shù)可能不變 D　[因紫外線的頻率比可見光的頻率高，所以用紫外線照射，電流表一

15、定有電流通過，選項(xiàng)A錯誤；因不知陰極K的極限頻率，所以用紅外線照射，可能發(fā)生光電效應(yīng)，電流表可能有電流通過，選項(xiàng)B錯誤；由于發(fā)生了光電效應(yīng)，即使A、K間的電壓UAK＝0，電流表中也有電流通過，所以選項(xiàng)C錯誤；當(dāng)滑動變阻器的滑片向左端移動時，陽極吸收光電子的能力增強(qiáng)，光電流會增大，當(dāng)所有光電子都到達(dá)陽極時，電流達(dá)到最大，即飽和電流，若在移動前，電流已經(jīng)達(dá)到飽和電流，那么再增大UAK，光電流也不會增大，所以選項(xiàng)D正確．] 愛因斯坦光電效應(yīng)方程的理解及應(yīng)用 1．光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0的四點(diǎn)理解 (1)式中的Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時剩余動能大小可以是

16、0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值． (2)光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程． ①能量為ε＝hν的光子被電子吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時的動能． ②如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時動能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0. (3)光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件． 若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動能必須大于零，即Ek＝hν－W0＞0，亦即hν＞W(wǎng)0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是光電效應(yīng)的截止頻率． (4)Ek-ν曲線．如圖所示是光電子最大初動能Ek隨入射光頻率ν的變化曲線．這里，橫軸上的截距是截

17、止頻率或極限頻率；縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值；斜率為普朗克常量． 2．光電效應(yīng)的研究思路 (1)兩條線索： (2)兩條對應(yīng)關(guān)系： →→→ →→ (3)三點(diǎn)提醒： ①能否發(fā)生光電效應(yīng)，不取決于光的強(qiáng)度而取決于光的頻率． ②光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光. ③逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關(guān)． 【例3】　如圖所示，一光電管的陰極用極限波長λ0＝500 nm的鈉制成，用波長λ＝300 nm的紫外線照射陰極，光電管陽極A和陰極K之間的電勢差U＝2.1 V，飽和光電流的值I＝0.56 μA. (1)求每秒內(nèi)由K極發(fā)射的光電子數(shù)； (2

18、)求光電子到達(dá)A極時的最大動能； (3)如果電勢差U不變，而照射光的強(qiáng)度增加到原值的三 倍，此時光電子到達(dá)A極時最大動能是多大？(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s) [思路點(diǎn)撥]　(1)光電管陰極的逸出功W與極限波長λ0的關(guān)系為W＝. (2)每秒內(nèi)由K極發(fā)射的電子全部參與導(dǎo)電時對應(yīng)飽和光電流． (3)光電子的最大初動能大小與入射光的強(qiáng)度大小無關(guān)． [解析]　(1)每秒內(nèi)由K極發(fā)射的光電子數(shù) n＝＝個＝3.5×1012個． (2)由光電效應(yīng)方程可知 Ek0＝hν－W0＝h－h(huán)＝hc 在A、K間加電壓U時，光電子到達(dá)陽極時的動能 Ek＝Ek0＋eU＝hc＋eU 代

19、入數(shù)值，得Ek＝6.012×10－19 J. (3)根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律，光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，如果電勢差U不變，則光電子到達(dá)A極的最大動能不變，Ek＝6.012×10－19 J. [答案]　(1)3.5×1012個　(2)6.012×10－19 J (3)6.012×10－19 J 3．用不同頻率的紫外線分別照射鎢和鋅的表面而產(chǎn)生光電效應(yīng)，可得到光電子最大初動能Ek隨入射光頻率ν的變化而變化的Ek-ν圖像，如圖所示．已知鎢的逸出功是3.28 eV，鋅的逸出功是3.34 eV，若將兩者的圖像分別用實(shí)線與虛線畫在同一個Ek-ν圖上，則下圖中正確的是(　　) A　　　

20、　B　　　　C　　　　D A　[根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W可知，Ek-ν圖像的斜率為普朗克常量h，因此題圖中兩線應(yīng)平行，故C、D錯；圖線與橫軸的交點(diǎn)表示恰能發(fā)生光電效應(yīng)(光電子動能為零)時的入射光頻率，即截止頻率，由光電效應(yīng)方程可知，逸出功越大的金屬對應(yīng)的入射光的頻率越高，所以能使金屬鋅發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率較高，所以A對，B錯．] 課 堂 小 結(jié) 知 識 網(wǎng) 絡(luò) 1．熱輻射黑體和黑體輻射的概念． 2．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律． 3．能量量子假說． 4．光電效應(yīng)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)規(guī)律． 5．光電效應(yīng)方程的應(yīng)用. 1．(多選)對黑體的認(rèn)識，下列說法正確的是(　　) A．

21、黑體只吸收電磁波，不輻射電磁波 B．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與溫度有關(guān)，與材料的種類及其表面狀況無關(guān) C．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，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，這個空腔就成了一個黑體 D．黑體是一種理想化模型，實(shí)際物體沒有絕對黑體 BD　[黑體不僅吸收電磁波，而且也向外輻射電磁波，A錯誤；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)，與材料的種類及其表面狀況無關(guān)，B正確；小孔只吸收電磁波，不反射電磁波，因此小孔成了一個黑體，而空腔不是黑體，C錯誤；任何物體都會反射電磁波，只吸收不反射電磁波的物體實(shí)際是不存在的，故黑體是一種理

22、想化的模型，D正確．] 2．某激光器能發(fā)射波長為λ的激光，發(fā)射功率為P，c表示光速，h為普朗克常量，則激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為(　　) A．　 B． C． D．λPhc A　[每個光量子的能量ε＝hν＝，每秒鐘發(fā)射的總能量為P，則n＝＝.] 3．入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng)，若入射光的強(qiáng)度減小，而頻率保持不變，那么(　　) A．從光照到金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加 B．逸出的光電子的最大初動能將減小 C．單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)將減少 D．有可能不發(fā)生光電效應(yīng) C　[發(fā)生光電效應(yīng)幾乎是瞬間的，所以A錯誤；入射光的頻率不變，則逸出的光

23、電子的最大初動能也就不變，B錯誤；入射光強(qiáng)度減弱，說明單位時間內(nèi)入射光子數(shù)減少，則單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)也減少，C正確；入射光照射到某金屬上發(fā)生光電效應(yīng)，說明入射光頻率大于這種金屬的極限頻率，即使入射光的強(qiáng)度減小，也一定能發(fā)生光電效應(yīng)，D錯誤．] 4．小明用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應(yīng)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖甲所示．已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s. (1)圖甲中電極A為光電管的________(選填“陰極”或“陽極”)； (2)實(shí)驗(yàn)中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關(guān)系如圖乙所示，則銣的截止頻率νc＝____________Hz，逸出功W0＝_

24、___________J； (3)如果實(shí)驗(yàn)中入射光的頻率ν＝7.00×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek＝______________J. [解析]　(1)在光電效應(yīng)中，電子向A極運(yùn)動，故電極A為光電管的陽極． (2)由題圖可知，銣的截止頻率νc為5.15×1014 Hz，逸出功W0＝hνc＝6.63×10－34×5.15×1014 J≈3.41×10－19 J. (3)當(dāng)入射光的頻率為ν＝7.00×1014Hz時，由Ek＝hν－h(huán)νc得，光電子的最大初動能為Ek＝6.63×10－34×(7.00－5.15)×1014 J≈1.23×10－19 J. [答案]　(1)陽極　(2)5.15×1014[(5.12～5.18)×1014均視為正確]　3.41×10－19[(3.39～3.43)×10－19均視為正確]　(3)1.23×10－19[(1.21～1.25)×10－19均視為正確] - 11 -