2018-2019高中物理 第17章 波粒二象性 17.1-17.2 能量量子化 光的粒子性課件 新人教版選修3-5.ppt
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第十七章波粒二象性1能量量子化2光的粒子性,【自主預(yù)習(xí)】1.黑體與黑體輻射:(1)熱輻射:一切物體都在輻射_______,這種輻射與物體的_____有關(guān),所以叫作熱輻射。(2)黑體:是指能夠_____吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體。,電磁波,溫度,完全,(3)黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律:①黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)。②隨著溫度的升高,各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有_____,輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)_____的方向移動(dòng)。,增加,較短,,2.能量子:(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ε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ε叫作能量子。,整數(shù)倍,一份一份,,(2)能量子大小:ε=hν,其中ν是電磁波的頻率,h稱為_______常量,h=6.62610-34Js(一般取h=6.6310-34Js)。(3)能量的量子化:在微觀世界中能量是_______的,或者說(shuō)微觀粒子的能量是_____的。,普朗克,量子化,分立,,3.光電效應(yīng):(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。(2)光電子:光電效應(yīng)中發(fā)射出來(lái)的_____。,電子,電子,,(3)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律:①存在著_____光電流:在光的顏色不變的情況下,入射光越強(qiáng),飽和電流越大。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)射的光電子數(shù)越多。,飽和,,②存在著遏止電壓和_____頻率:光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān),而與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān),當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)。③光電效應(yīng)具有_______:光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的,從光照射到產(chǎn)生光電流的時(shí)間不超過(guò)10-9s。(4)逸出功:使電子脫離某種金屬所做功的最小值叫作這種金屬的逸出功。,截止,瞬時(shí)性,,4.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程:(1)光子說(shuō):光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的,而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的,這些能量子被稱為_____,頻率為ν的光的能量子為hν。,光子,,(2)愛因斯坦光電效應(yīng)方程:①表達(dá)式:____=Ek+W0或Ek=____-W0。②物理意義:金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν,這些能量一部分用于克服金屬的________,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek。,hν,hν,逸出功W0,,5.康普頓效應(yīng):(1)光的散射:光在介質(zhì)中與物體微粒的相互作用,使光的傳播方向_________的現(xiàn)象。(2)康普頓效應(yīng):在光的散射中,除了與入射波長(zhǎng)相同的成分外,還有波長(zhǎng)_____的成分。,發(fā)生改變,更長(zhǎng),,(3)康普頓效應(yīng)的意義:康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外,還具有動(dòng)量,深入揭示了光的_____性的一面。,粒子,,6.光子的動(dòng)量:(1)表達(dá)式:。(2)說(shuō)明:在康普頓效應(yīng)中,當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí),要把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子,因此有些光子散射后波長(zhǎng)變長(zhǎng)。,,【預(yù)習(xí)小測(cè)】1.能正確解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是()A.能量的連續(xù)經(jīng)典理論B.普朗克提出的能量量子化理論C.以上兩種理論體系任何一種都能解釋D.牛頓提出的能量微粒說(shuō),,【解析】選B。根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,隨著溫度的升高,一方面各種波長(zhǎng)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(zhǎng)較短的方向移動(dòng),只能用普朗克提出的能量量子化理論才能得到較滿意的解釋,故B正確。,,2.以下宏觀概念,哪些是“量子化”的()A.木棒的長(zhǎng)度B.物體的質(zhì)量C.物體的動(dòng)量D.學(xué)生的個(gè)數(shù)【解析】選D。所謂“量子化”應(yīng)該是不連續(xù)的,一份一份的,故選項(xiàng)D正確。,,3.在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,用光照射光電管陰極,發(fā)生了光電效應(yīng)。如果僅減小光的強(qiáng)度而頻率保持不變,下列說(shuō)法正確的是()A.光電效應(yīng)現(xiàn)象消失B.金屬的逸出功減小C.光電子的最大初動(dòng)能變小D.光電流減小,,【解析】選D。光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率,能否發(fā)生光電效應(yīng),與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān),與光照時(shí)間也無(wú)關(guān),當(dāng)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),減小入射光的強(qiáng)度,則光電流會(huì)減小,D正確。,,4.(多選)如圖所示,用綠光照射光電管的陰極時(shí),電流表有一定的讀數(shù)。若改用強(qiáng)度大一倍的紫光照射陰極,將出現(xiàn)()A.電流表讀數(shù)為零B.電流表讀數(shù)增大C.逸出光電子的最大初動(dòng)能減小D.逸出光電子的最大初動(dòng)能增大,,【解析】選B、D。根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律,光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率有關(guān),光電流的大小與入射光的強(qiáng)度有關(guān)。因紫光頻率大于綠光頻率,所以改用強(qiáng)度大一倍的紫光照射陰極,逸出光電子的最大初動(dòng)能增大、電流表讀數(shù)增大。選項(xiàng)B、D正確。,主題一能量量子化【互動(dòng)探究】如圖是鐵塊放入火爐中持續(xù)加熱時(shí),鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色,直至成為黃白色。,,(1)為什么燒紅的鐵塊如果繼續(xù)升溫,就會(huì)達(dá)到“白”熱?提示:因?yàn)闇囟壬吆?鐵塊輻射出的光中,波長(zhǎng)較短,如藍(lán)光、紫光所占的比例就會(huì)增加,更接近日光中各種色光的比例,因此看起來(lái)幾乎是白色的。,,(2)鐵塊是一般的物體,一般物體與黑體的熱輻射特點(diǎn)有何不同?提示:一般物體輻射電磁波的情況與溫度、材料的種類及表面狀況有關(guān);而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)(或頻率)的分布只與黑體的溫度有關(guān)。,,(3)從現(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)一般物體能吸收和反射電磁波,一般物體與黑體的吸收及反射電磁波情況有何區(qū)別?提示:一般物體既吸收又反射,其能力與材料的種類及入射波長(zhǎng)等因素有關(guān);黑體只完全吸收各種入射電磁波,不反射電磁波。,,(4)用紅外線熱像儀可以監(jiān)測(cè)人的體溫,只要被測(cè)者從儀器前走過(guò),便可知道他的體溫是多少,你知道其中的道理嗎?提示:根據(jù)熱輻射規(guī)律可知,人的體溫的高低,直接決定了該人輻射的紅外線的頻率和強(qiáng)度。通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)者輻射的紅外線的情況就可知道該人的體溫。,,(5)電磁波的本質(zhì)是一種能量,由以上問題進(jìn)一步思考,能量是不是連續(xù)的?提示:能量并不是連續(xù)的,而是一份一份的。,【探究總結(jié)】1.熱輻射與溫度的關(guān)系:(1)熱輻射不一定需要高溫,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)在一定溫度下,不同物體所輻射的光譜成分有顯著不同。(3)一般物體的熱輻射除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀況有關(guān)。,2.普朗克的能量子觀點(diǎn):(1)普朗克的能量子觀點(diǎn)與宏觀世界中我們對(duì)能量的認(rèn)識(shí)有很大不同。宏觀世界中的能量可以是任何值,是連續(xù)的,而普朗克認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的,是一份一份的。,(2)普朗克的能量子觀點(diǎn)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是自然界最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征。,,【典例示范】能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量為10-18J,已知可見光的平均波長(zhǎng)約為60μm,普朗克常量h=6.6310-34Js,則進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為多少?,,【解題指南】解答本題應(yīng)注意以下兩點(diǎn):(1)光子的能量公式為ε=hν。(2)波長(zhǎng)、頻率與光速之間的關(guān)系為c=λν。,,【解析】一個(gè)可見光光子的平均能量E==6.6310-34J=310-21J。能引起人的視覺反應(yīng)時(shí),進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為n=≈300個(gè)。答案:300個(gè),【探究訓(xùn)練】1.(2018臨沂高二檢測(cè))關(guān)于黑體輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系,如圖正確的是(),【解析】選B。根據(jù)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律:隨溫度升高,各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加,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(zhǎng)較短方向移動(dòng),選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確。,2.(多選)對(duì)普朗克能量子假說(shuō)的認(rèn)識(shí),下列說(shuō)法正確的是()A.振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一能量值εB.帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍C.能量子與電磁波的頻率成正比D.這一假說(shuō)與現(xiàn)實(shí)世界相矛盾,因而是錯(cuò)誤的,【解析】選B、C。根據(jù)普朗克能量子假說(shuō)知,振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍,A錯(cuò)誤,B正確;ε=hν,ν是電磁波的頻率,C正確;普朗克能量子假說(shuō)反映的是微觀世界的特征,不同于宏觀世界,D錯(cuò)誤。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】關(guān)于對(duì)熱輻射的認(rèn)識(shí),下列說(shuō)法正確的是()A.熱的物體向外輻射電磁波,冷的物體只吸收電磁波B.溫度越高,物體輻射的電磁波越強(qiáng)C.輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況只與物體的溫度有關(guān),與材料種類及表面狀況無(wú)關(guān)D.常溫下我們看到的物體的顏色就是物體輻射電磁波的顏色,,【解析】選B。一切物體都不停地向外輻射電磁波,且溫度越高,輻射的電磁波越強(qiáng),A錯(cuò)誤,B正確;選項(xiàng)C是黑體輻射的特性,C錯(cuò)誤;常溫下看到的物體的顏色是反射光的顏色,D錯(cuò)誤。,,【通法悟道】分析熱輻射應(yīng)明確的問題(1)一切物體都能發(fā)生熱輻射,溫度越高,熱輻射越強(qiáng)。(2)熱輻射除與溫度有關(guān)外,還與物體的材料有關(guān)。(3)物體發(fā)生熱輻射,總以電磁波的形式向外發(fā)出。,,主題二光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)【互動(dòng)探究】探究點(diǎn)1光電效應(yīng)及規(guī)律如圖甲是研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的裝置圖,圖乙是研究光電效應(yīng)的電路圖,請(qǐng)結(jié)合裝置圖及產(chǎn)生的現(xiàn)象回答下列問題:,,(1)在甲圖中發(fā)現(xiàn),利用紫光照射鋅板無(wú)論光的強(qiáng)度如何變化,驗(yàn)電器都有張角,而用紅光照射鋅板,無(wú)論光的強(qiáng)度如何變化,驗(yàn)電器總無(wú)張角,這說(shuō)明了什么?提示:金屬能否發(fā)生光電效應(yīng),決定于入射光的頻率,與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。,,(2)在乙圖中在光電管兩端加正向電壓,用一定強(qiáng)度的光照射時(shí),若增加電壓,電流表示數(shù)不變,而光強(qiáng)增加時(shí),同樣電壓,電流表示數(shù)會(huì)增大,這說(shuō)明了什么?提示:發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),飛出的光電子個(gè)數(shù)只與光的強(qiáng)度有關(guān)。,,(3)在乙圖中若加反向電壓,當(dāng)光強(qiáng)增大時(shí),遏止電壓不變,而入射光的頻率增加時(shí),遏止電壓卻增加,這一現(xiàn)象說(shuō)明了什么?提示:光電子的能量與入射光頻率有關(guān),與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。,,(4)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明,發(fā)射電子的能量與照射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān),而與光的頻率有關(guān),試用光子說(shuō)分析原因。,,提示:由于光的能量是一份一份的,那么金屬中的電子也只能一份一份地吸收光子的能量。而且這個(gè)傳遞能量的過(guò)程只能是一個(gè)光子對(duì)一個(gè)電子的行為。如果光的頻率低于極限頻率,則光子提供給電子的能量不足以克服原來(lái)的束縛,就不能發(fā)生光電效應(yīng)。而當(dāng)光的頻率高于極限頻率時(shí),能量傳遞給電子以后,電子擺脫束縛要消耗一部分能量,剩余的能量以光電子的動(dòng)能形式存在。,,(5)為什么電子吸收光的能量是瞬時(shí)完成的,而不像波動(dòng)理論所預(yù)計(jì)的那樣可能逐漸積累?提示:金屬中的電子只能一份一份地吸收光子的能量,電子接收能量的過(guò)程極其短暫,接收能量后的瞬間即掙脫束縛,所以光電效應(yīng)的發(fā)生也幾乎是瞬間的。,探究點(diǎn)2康普頓效應(yīng)如圖是研究康普頓效應(yīng)的關(guān)于光散射的示意圖,根據(jù)示意圖回答下列問題:,,(1)光子與電子碰后,方向發(fā)生了改變,這種現(xiàn)象說(shuō)明了什么?提示:光不僅有能量,而且有動(dòng)量,光是一份一份的。,,(2)在康普頓效應(yīng)中,有些光子與電子碰撞后的波長(zhǎng)變長(zhǎng),你能否從動(dòng)量的觀點(diǎn)和能量的觀點(diǎn)分別對(duì)其作出解釋?,,提示:在康普頓效應(yīng)中,當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時(shí),要把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子,因而光子動(dòng)量變小。從p=看,動(dòng)量p減小意味著波長(zhǎng)λ變大,因此有些光子散射后波長(zhǎng)變大。同時(shí)入射光子與電子相撞時(shí),將本身的一部分能量傳遞給電子,故能量減小,根據(jù)ε=hν可得ν減小,再由c=λν,得λ=,由于ν減小,故λ變大,故光子的波長(zhǎng)變大。,,【探究總結(jié)】1.光電效應(yīng)方程的理解:(1)光電效應(yīng)方程:Ek=hν-W0中,Ek為光電子的最大初動(dòng)能,就某個(gè)光電子而言,其離開金屬時(shí)的動(dòng)能大小可以是零到最大值范圍內(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。(3)逸出功W0:電子從金屬中逸出所需要克服束縛而消耗的能量的最小值,叫做金屬的逸出功。光電效應(yīng)中,從金屬表面逸出的電子消耗能量最少。,,2.光電效應(yīng)規(guī)律總結(jié):(1)飽和光電流與光強(qiáng)關(guān)系:光越強(qiáng),包含的光子數(shù)越多,照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子就越多,因而飽和電流越大。所以,入射光頻率一定時(shí),飽和光電流與光強(qiáng)成正比。,,(2)存在截止頻率和遏止電壓:①愛因斯坦的光電效應(yīng)方程表明光電子的初動(dòng)能與入射光頻率成線性關(guān)系,與光強(qiáng)無(wú)關(guān),所以遏止電壓由入射光頻率決定,與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。②光電效應(yīng)方程同時(shí)表明,只有hν>W0時(shí),才有光電子逸出。νc=就是光電效應(yīng)的截止頻率。,,(3)瞬時(shí)性:電子一次性吸收光子的全部能量,不需要積累能量的時(shí)間,所以光電流幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。,,3.光子說(shuō)對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋:假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞。(1)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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。(2)因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量與碰撞的角度有關(guān),所以波長(zhǎng)改變與散射角有關(guān)。,【典例示范】在某次光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示,若該直線的斜率和截距分別為k和b,電子電荷量的絕對(duì)值為e,則普朗克常量可表示為_________,所用材料的逸出功可表示為_________。,,【解題指南】解答本題應(yīng)注意以下兩點(diǎn):(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程為:Ek=hν-W0。(2)遏止電壓與光電子的最大初動(dòng)能間的關(guān)系為=eUc。,,【解析】由題意可得eUc==hν-W,變形為Uc=ν-,結(jié)合圖象可知=k,=-b,所以h=ek,W=-eb。答案:ek-eb,【探究訓(xùn)練】1.(多選)(2018貴陽(yáng)高二檢測(cè))關(guān)于康普頓效應(yīng),以下說(shuō)法正確的是()A.康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性B.康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說(shuō)明光具有粒子性C.當(dāng)光子與晶體中的電子碰撞后,其能量增加D.當(dāng)光子與晶體中的電子碰撞后,其能量減少,【解析】選B、D?？灯疹D效應(yīng)揭示了光具有粒子性,故A錯(cuò)誤,B正確;在康普頓效應(yīng)中,當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí),把一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,則能量減小,故C錯(cuò)誤,D正確。,2.(多選)現(xiàn)用某一光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),當(dāng)用某一頻率的光入射時(shí),有光電流產(chǎn)生。下列說(shuō)法正確的是(),A.保持入射光的頻率不變,入射光的光強(qiáng)變大,飽和光電流變大B.入射光的頻率變高,飽和光電流變大C.入射光的頻率變高,光電子的最大初動(dòng)能變大D.保持入射光的光強(qiáng)不變,不斷減小入射光的頻率,始終有光電流產(chǎn)生E.遏止電壓的大小與入射光的頻率有關(guān),與入射光的光強(qiáng)無(wú)關(guān),【解析】選A、C、E。保持入射光的頻率不變,入射光的光強(qiáng)變大,單位時(shí)間內(nèi)光電子變多,飽和光電流變大,A對(duì);據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程=hν-W0可知,入射光的頻率變高,光電子的最大初動(dòng)能變大,飽和光電流不變,B錯(cuò)、C對(duì);當(dāng)hν下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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