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第2單元波粒二象性 一 能量量子化1 黑體與黑體輻射如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射 這種物體就是黑體 黑體輻射的電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 2 黑體輻射的實驗規(guī)律隨溫度的升高 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)度的極大值向短波方向移動 黑體輻射的實驗規(guī)律如圖所示 例1 2011 江蘇 下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長關(guān)系的圖中 符合黑體輻射實驗規(guī)律的是 解析 黑體輻射以電磁輻射的形式向外輻射能量 溫度越高 輻射強(qiáng)度越大 故B D項錯誤 黑體輻射的波長分布情況也隨溫度而變 輻射強(qiáng)度的極大值向短波方向移動 故C項錯誤 A項正確 答案 A 3 能量子1900年德國物理學(xué)家普朗克認(rèn)為能量是由一份一份不可分割最小能量值組成 每一份稱為能量子E h 是電磁波的頻率 h為普朗克常量 h 6 626 10 34J s 二 光的粒子性1 光電效應(yīng)照射到金屬表面的光 能使金屬中的電子從表面逸出 這個現(xiàn)象稱為光電效應(yīng) 這種電子常被稱為光電子 例2 如圖所示 一靜電計與鋅板相連 在A處用一紫外燈照射鋅板 關(guān)燈后 指針保持一定偏角 現(xiàn)用一帶負(fù)電的金屬小球與鋅板接觸 則靜電計指針偏角將 填 增大 減小 或 不變 解析 當(dāng)用紫外光照射鋅板時 鋅板發(fā)生光電效應(yīng) 放出光電子而帶正電 失去電子帶正電 此時與鋅板連在一起的靜電計也帶上了正電 從而指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn) 當(dāng)帶負(fù)電的小球與鋅板接觸后 便中和了一部分正電荷 從而使靜電計的指針偏轉(zhuǎn)減小 答案 減小 2 光子的能量光子本身具有的能量 光子的能量取決于對應(yīng)光的頻率 即E h 例3 2010 上海 根據(jù)愛因斯坦光子說 光子能量E等于 h為普朗克常量 c 為真空中的光速和波長 答案 A 例4 如圖所示 當(dāng)開關(guān)S斷開時 用光子能量為2 5eV的光束照射陰極 發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零 合上開關(guān) 調(diào)節(jié)滑動變阻器 發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0 60V時 電流表讀數(shù)仍不為零 當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0 60V時 電流表讀數(shù)為零 由此可知陰極材料的逸出功為 A 1 9eVB 0 6eVC 2 5eVD 3 1eV 解析 由題意知 光電子的最大初動能Ekm 0 6eV W h Ekm 2 5eV 0 6eV 1 9eV 答案 A 三 光的波動性1 光的波粒二象性光既具有波動特性 又具有粒子特性 例5 2011 上海 用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗 隨著時間的增加 在屏上先后出現(xiàn)如圖 a b c 所示的圖象 則 A 圖象 a 表明光具有粒子性B 圖象 c 表明光具有波動性C 用紫外光觀察不到類似的圖象D 實驗表明光是一種概率波 解析 圖象 a 是一個個的亮點(diǎn) 即每次只照亮一個位置 這表明光是一份一份傳播的 說明光具有粒子性 故A項正確 圖象 c 有明顯的明暗相間的干涉條紋 而干涉是波特有的性質(zhì) 表明光具有波動性 故B項正確 因為紫外光是不可見光 所以直接用眼睛觀察不到類似的圖象 但是用感光膠片就能觀察到類似現(xiàn)象 故C項錯誤 因為單個光子所能到達(dá)的位置不能確定 但大量光子卻表現(xiàn)出波動性 即光子到達(dá)哪個位置是一個概率問題 故此實驗表明了光是一種概率波 故D項正確 答案 ABD 例6 2013 江蘇 如果一個電子的德布羅意波長和一個中子的相等 則它們的 也相等 A 速度B 動能C 動量D 總能量 答案 C 3 物質(zhì)波的實驗驗證湯姆孫電子衍射實驗 四 概率波1926年德國物理學(xué)家波恩指出 雖然不能肯定某個光子落在哪一點(diǎn) 但由屏上各處明暗不同這個事實可以推知 光子落在各點(diǎn)的概率是不一樣的 即光子落在明紋處的概率大 落在暗紋處的概率小 即光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定 所以 從光子的概念上看 光波是一種概率波 如圖為電子干涉條紋對概率波的驗證 光電效應(yīng)的規(guī)律1 存在著飽和電流當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時 光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比 理解要點(diǎn) 光的強(qiáng)度 指單位時間內(nèi)入射到金屬表面單位面積上的光子的總能量 光電流的強(qiáng)度 指的是光電流的最大值 亦稱飽和值 在一定頻率與強(qiáng)度的光照射下 光電流隨電壓U的增大而增大 當(dāng)U比較大時 光電流達(dá)到飽和值Im 對應(yīng)從陰極發(fā)射出的電子全部被拉向陽極的狀態(tài) 即使再增大U 在單位時間內(nèi)也不可能有更多的光電子定向移動 也就不能形成強(qiáng)度超過飽和光電流Im的光電流 光電流的飽和值只隨光的強(qiáng)度增大而增加 例1 如圖所示為光電管的使用原理圖 已知當(dāng)有波長為 0的光照射到陰極K上時 電路中有光電流 則 A 若換用波長為 1 1 0 的光照射陰極K時 電路中一定沒有光電流B 若換用波長為 2 2 0 的光照射陰極K時 電路中光電流一定增大C 若將電源極性反接 電路中仍可能有光電流產(chǎn)生D 增加電路中電源兩極電壓 電路中光電流一定增大 解析 題給條件 0的光照射陰極K有電流 不是恰有光電流 故A項錯 達(dá)到飽和值后 光電流與入射光的強(qiáng)度成正比 故B項錯 增加電路中電源兩極電壓達(dá)飽和電流后 電流不變 可判斷B D項錯 若將電源極性反接 只要光電子的最大初動能Ek eU 仍有光電子到達(dá)另一極形成光電流 故C項正確 答案 C 2 存在著遏止電壓和截止頻率愛因斯坦的光電效應(yīng)方程h W Ekm表明光電子的初動能與入射光頻率成線性關(guān)系 與光強(qiáng)無關(guān) 所以遏止電壓由入射光頻率決定 與光強(qiáng)無關(guān) 光電效應(yīng)方程同時表明 只有h 0 W 才有光電子逸出 0就是光電效應(yīng)的截止頻率 如圖表示光電流與電壓的關(guān)系 例2 研究光電效應(yīng)規(guī)律的實驗裝置如圖所示 以頻率為 的光照射光電管陰極K時 有光電子產(chǎn)生 由于光電管K A間加的是反向電壓 光電子從陰極K發(fā)射后將向陽極A做減速運(yùn)動 光電流i由圖中電流計G測出 反向電壓U由電壓表V測出 當(dāng)電流計的示數(shù)恰好為零時 電壓表的示數(shù)稱為反向截止電壓U0 在下列表示光電效應(yīng)實驗規(guī)律的圖象中 錯誤的是 光強(qiáng)I與頻率 一定時 光電流i隨反向電壓的增大而減小 又據(jù)光電子動能大小的分布概率及發(fā)出后的方向性 可知C項正確 由光電效應(yīng) 知金屬中的電子對光子的吸收是十分迅速的 時間小于10 9s 10 9s后 光強(qiáng)I和頻率 一定時 光電流恒定 故D項正確 答案 B 學(xué)法指導(dǎo) 圖象能直觀 形象的表示出光電效應(yīng)的一般規(guī)律 根據(jù)圖象的物理意義能加深對該現(xiàn)象和過程的認(rèn)識和理解 3 光電效應(yīng)瞬時性入射光照射到金屬上時 光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的 一般不超過10 9s 理解要點(diǎn) 停止光照 光電流立即為零 例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)度減弱 而頻率保持不變 那么 A 從光照射到金屬表面上到發(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)目將減小D 有可能不發(fā)生光電效應(yīng) 解析 由光電效應(yīng)的瞬時性 可知A項錯 由Ekm h W 知B項錯 強(qiáng)度減弱 光子數(shù)少 對應(yīng)的光電子數(shù)目減少 故C項正確 不變 D項錯 答案 C 一 產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件 0 極限頻率 任何一種金屬 都有一個極限頻率 0 入射光的頻率 大于這個極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng) 低于這個頻率的光則不能產(chǎn)生光電效應(yīng) 理解要點(diǎn) 根據(jù)Ek h W 知條件為 0 而不決定于入射光的強(qiáng)度和照射時間 例1 2011 上海 用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng) 可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是 A 改用頻率更小的紫外線照射B 改用X射線照射C 改用強(qiáng)度更大的原紫外線照射D 延長原紫外線的照射時間 解析 根據(jù)光電效應(yīng)的條件 0 要產(chǎn)生光電效應(yīng) 必須用能量更大 即頻率更高的粒子 能否發(fā)生光電效應(yīng)與光的強(qiáng)度和照射時間無關(guān) X射線的頻率大于紫外線的頻率 故A C D項錯誤 B項正確 答案 B 例2 某金屬在一黃光照射下 正好有電子逸出 下述說法中 哪種是正確的 A 增大光強(qiáng) 而不改變光的頻率 光電子的最大初動能將不變B 用一束更大強(qiáng)度的紅光代替黃光 仍能發(fā)生光電效應(yīng)C 用強(qiáng)度相同的紫光代替黃光 光電流強(qiáng)度將不變D 用強(qiáng)度較弱的紫光代替黃光 有可能不發(fā)生光電效應(yīng) 解析 逸出的光電子的最大初動能Ekm h W 頻率不變 故Ekm不變 A項正確 紅光頻率小于黃光頻率 即小于極限頻率 故不能發(fā)生光電效應(yīng) B項錯 由于紫光頻率大于黃光頻率 即使光強(qiáng)減小 仍能發(fā)生光電效應(yīng) 因此D項錯 用強(qiáng)度相同的紫光代替黃光 使得入射光的光子數(shù)減少 導(dǎo)致光電子數(shù)減少 形成的光電流強(qiáng)度將減小 C項錯 答案 A 學(xué)法指導(dǎo) 此題考查學(xué)生對光電效應(yīng)基本規(guī)律的掌握和理解 常見錯誤是學(xué)生誤選C項和D項 誤選C項的原因是機(jī)械地背課本上的結(jié)論 光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比 光強(qiáng)不變 則光電流不變 此錯誤為忽略了這一結(jié)論的前提是在光的頻率不變的條件下 現(xiàn)在入射光頻率改變了 這一結(jié)論便不再成立 錯選D項的原因是沒弄清光強(qiáng)和頻率對光電效應(yīng)的影響 光強(qiáng)是個宏觀量 它表示單位時間照到某表面單位面積上的總能量 當(dāng)考慮到光的粒子性 每個光子的能量E h 光子頻率越高 某單個光子的能量就越大 任何金屬都存在一個極限頻率 而不是存在一個極限光強(qiáng) 只要入射光頻率大于金屬極限頻率 便能發(fā)生光電效應(yīng) 光強(qiáng)是個經(jīng)典的宏觀量而頻率是光波動理論中的微觀量 分清光強(qiáng)和頻率這兩個概念很重要