2024-2025学年新教材高中物理第四章原子结构和波粒二象性1-2普朗克黑体辐射理论光电效应学案新人教版选择性必修3

PAGE23-普朗克黑体辐射理论光电效应必备学问·素养奠基一、热辐射1.热辐射:我们四周的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关。2.一般材料物体的辐射规律:辐射电磁波的状况除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。二、黑体与黑体辐射1.黑体:指能够完全汲取入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。2.黑体辐射的试验规律: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,如图所示。3.黑体模型:如图所示,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会发生多次反射和汲取,最终不能从空腔射出。这个小孔(而非空腔壁)就成了一个黑体。黑体是一个志向化的物理模型。三、能量子1.定义:普朗克认为,振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,当带电微粒辐射或汲取能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或汲取的,这个不行再分的最小能量值ε叫作能量子。2.能量子大小:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。h=6.626×10-34J·s(一般取h=6.63×10-34J·s)。3.能量的量子化:在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。四、光电效应试验规律提示:紫外线照耀锌板后,发生光电效应,放射出电子,使验电器带电。1.光电效应:照耀到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。2.光电子:光电效应中放射出来的电子。3.光电效应的试验规律:(1)存在着饱和电流:在光的频率不变的状况下,入射光越强,饱和电流越大。这表明对于肯定颜色的光,入射光越强,单位时间内放射的光电子数越多。(2)存在着遏止电压和截止频率:光电子的最大初动能与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。(3)光电效应具有瞬时性:光电效应几乎是瞬时发生的。4.逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值。不同金属的逸出功B(A.相同B.不同)。五、爱因斯坦的光子说与光电效应方程1.光子说:光不仅在放射和汲取时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不行分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,这些能量子被称为光子。2.爱因斯坦的光电效应方程:(1)表达式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。(2)物理意义:金属中电子汲取一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。六、康普顿效应和光子的动量1.光的散射:光与介质中的物质微粒发生散射,变更传播方向,这种现象叫作光的散射。2.康普顿效应:美国物理学家康普顿在探讨石墨对X射线的散射时,发觉在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成格外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。3.康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子除了具有能量之外,还具有动量,深化揭示了光的粒子性的一面。4.光子的动量:(1)表达式:p=。(2)说明:在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子的动量变小。因此,这些光子散射后波长变大。关键实力·素养形成一黑体和黑体辐射1.对黑体的理解:肯定的黑体事实上是不存在的,但可以用某装置近似地代替。如图所示,假如在一个空腔壁上开一个小孔,那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和汲取,最终不能从空腔射出,这个小孔就成了一个肯定黑体。2.一般物体与黑体的比较:热辐射特点汲取、反射特点一般物体辐射电磁波的状况与温度有关,与材料的种类及表面状况有关既汲取又反射,其实力与材料的种类及入射波长等因素有关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完全汲取各种入射电磁波,不反射3.黑体辐射的试验规律:(1)温度肯定时,黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。(2)随着温度的上升:①各种波长的辐射强度都有增加;②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。如图所示。【思索·探讨】医疗测温枪,运用时只要把“枪口”对准待测物体,“枪尾”的显示屏上就能用数字干脆显示那个物体的温度,应用于传染性疾病发生地区,在非典时期、禽流感时期等具有特别用途。你知道其中的道理吗?提示:依据热辐射规律可知,人的体温的凹凸,干脆确定了这个人辐射的红外线的频率和强度。通过监测被测者辐射的红外线的状况就知道这个人的体温。【典例示范】(2024·江苏高考)“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作便利等优点。它是依据黑体辐射规律设计出来的,能将接收到的人体热辐射转换成温度显示。若人体温度上升,则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变更状况是()A.I增大,λ增大 B.I增大,λ减小C.I减小,λ增大 D.I减小,λ减小【解析】选B。黑体辐射的试验规律如图特点是,随着温度上升,各种波长的辐射强度都增加,所以人体热辐射的强度I增大;随着温度的上升,辐射强度的峰值向波长较短的方向移动,所以λ减小。故选B。【素养训练】1.下列关于热辐射和黑体辐射说法不正确的是()A.一切物体都在辐射电磁波B.一般物体辐射电磁波的状况只与温度有关C.随着温度的上升,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D.黑体能够完全汲取入射的各种波长的电磁波【解析】选B。一切物体都在辐射电磁波,故A正确。物体辐射电磁波的状况不仅与温度有关,还与其他因素有关,故B错误;黑体辐射强度的极大值随温度上升向波长较短的方向移动,故C正确;能100%地汲取入射到其表面的电磁波,这样的物体称为黑体,故D正确;此题选择不正确的选项,故选B。2.红外线热像仪可以监测人的体温,当被测者从仪器前走过时,便可知道被测者的体温是多少,关于其中原理,下列说法正确的是()A.人的体温会影响四周空气温度,仪器通过测量空气温度便可知道人的体温B.仪器发出的红外线遇人反射,反射状况与被测者的温度有关C.被测者会辐射红外线,辐射强度以及按波长的分布状况与温度有关,温度高时辐射强且较短波长的成分强D.被测者会辐射红外线,辐射强度以及按波长的分布状况与温度有关,温度高时辐射强且较长波长的成分强【解析】选C。依据热辐射规律可知,随着温度的上升,各种波长的辐射强度都增加;随着温度的上升,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。人的体温的凹凸,干脆确定了这个人辐射的红外线的频率和强度,通过监测被测者辐射的红外线的状况就可知道这个人的体温,故C正确。3.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体辐射试验规律的是()【解析】选A。黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量,温度越高,辐射越强越大,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故B、C、D错误,A正确。【补偿训练】1.关于热辐射的相识,下列说法中正确的是()A.热的物体向外辐射电磁波,冷的物体只汲取电磁波B.温度越高,物体辐射的电磁波越强C.辐射强度按波长的分布状况只与物体的温度有关,与材料种类及表面状况无关D.常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色【解析】选B。一切物体都不停地向外辐射电磁波,且温度越高,辐射的电磁波越强,A错误,B正确;选项C是黑体辐射的特性,C错误;常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色,D错误。2.如图所示为t1、t2温度时的黑体辐射强度与波长的关系,则两温度的关系为 ()A.t1=t2 B.t1>t2C.t1<t2 D.无法确定【解析】选B。依据黑体辐射的试验规律可知,随着温度的上升,一方面,各种波长的辐射强度都增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。故选项B正确。二能量的量子化和光电效应1.能量子和量子数:(1)内涵:振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,E=nε,当带电微粒辐射或汲取能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或汲取,这个不行再分的最小能量值ε叫作能量子,n就是量子数。(2)特点:辐射或汲取能量时以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或汲取,即只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态,而不行能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。2.能量子的能量公式:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。h=6.626×10-34J·s。3.能量子假说的意义:(1)普朗克的能量子假说,使人类对微观世界的本质有了全新的相识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征,架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁。4.光电效应的五组概念:(1)光子与光电子:光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电;光电子是金属表面受到光照耀时放射出来的电子,其本质是电子,光子是光电效应的因,光电子是果。(2)光电子的初动能与光电子的最大初动能。①光照耀到金属表面时,光子的能量全部被电子汲取,电子汲取了光子的能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能。②只有金属表面的电子干脆向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。(3)光子的能量与入射光的强度:光子的能量即每个光子的能量,其值为ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率确定。入射光的强度指单位时间内照耀到金属表面单位面积上的总能量,入射光的强度等于单位时间内光子能量hν与入射光子数n的乘积。即光强等于nhν。(4)光电流和饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流,在肯定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。(5)光的强度与饱和光电流:饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照耀金属产生光电效应而言的。对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简洁的正比关系。【思索·探讨】在其次十一届的高交会上,薛定谔计算机的现身让许多人都感到震撼,这是中国第一款数字“量子计算机”,薛定谔量子计算机在量子纠缠和量子测量误差方面处于领先地位。量子这个概念最早是谁提出来的?提示:量子是现代物理的重要概念,最早是普朗克在探讨黑体辐射时,于1900年提出的。【典例示范】激光器是一个特别的光源,它发出的光便是激光,红宝石激光器放射的激光是不连续的一道一道的闪光,每道闪光称为一个光脉冲,现有一红宝石激光器,放射功率为1.0×1010W,所放射的每个光脉冲持续的时间Δt=1.0×10-11s,波长为793.4nm,问每列光脉冲的长度L是多少?其中含有光子数n是多少?【解析】以Δt、L、c分别表示光脉冲的持续时间、长度和光速,由题意可知该光脉冲的长度L=cΔt=3.0×10-3m。以P和E表示红宝石激光器的放射功率和光脉冲的能量,则有E=PΔt以λ和ν表示红宝石激光的波长和频率,则有c=λν因此得到每个红宝石激光的光子的能量为hν=所以该光脉冲含有的光子数n==≈3.99×1017个。答案:3.0×10-3m3.99×1017个【素养训练】1.光子的能量与其()A.频率成正比 B.波长成正比C.速度成正比 D.速度平方成正比【解析】选A。依据E=hν=可知,光子的能量与频率成正比,与波长成反比;光子的速度为c,为定值,故选A。2.(多选)三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3(λ1>λ2>λ3)。分别用这三束光照耀同一种金属。已知用光束2照耀时,恰能产生光电子。下列说法正确的是()A.用光束1照耀时,不能产生光电子B.用光束3照耀时,不能产生光电子C.用光束2照耀时,光越强,单位时间内产生的光电子数目越多D.用光束2照耀时,光越强,产生的光电子的最大初动能越大【解析】选A、C。依据波长与频率的关系:λ=,因λ1>λ2>λ3,那么ν1<ν2<ν3;由于用光束2照耀时,恰能产生光电子,因此用光束1照耀时,不能产生光电子,而光束3照耀时,肯定能产生光电子,故A正确,B错误;用光束2照耀时,光越强,单位时间内产生的光电子数目越多,而由光电效应方程:Ekm=hν-W,可知,光电子的最大初动能与光的强弱无关,故C正确,D错误;故选A、C。3.某电台放射功率为10kW,在空气中波长为200m的电磁波。(结果均保留1位有效数字)求:(1)该电台每秒钟从天线放射多少个光子?(h=6.63×10-34J·s,取6.63×3=20)(2)若放射的光子四面八方视为匀称的,求在离天线2.5km处,直径为2m的环状天线每秒接收的光子数和天线的接收功率?【解析】(1)每个光子的能量ε=hν==1×10-27J则每秒钟电台放射上述波长光子数n==1×1031个(2)设环状天线每秒接收光子数为n′个,以电台放射天线为球心,则半径为R的球面积S=4πR2而环状天线的面积S′=πr2所以n′=n整理得n′=4×1023个接收功率P′=n′ε代入数据,整理得P′=4×10-4W答案:(1)1×1031个(2)4×1023个,4×10-4W【补偿训练】(多选)一个单色光照到某金属表面时,有光电子从金属表面逸出,下列说法中正确的是()A.无论增大入射光的频率还是增加入射光的强度,金属的逸出功都不变B.只增大入射光的强度,光电子的最大初动能将增加C.只增大入射光的频率,光电子的最大初动能将增大D.只增大入射光的强度,单位时间内逸出的光电子数目将增多【解析】选A、C、D。金属的逸出功是金属的自身固有属性,所以无论增大入射光的频率还是增加入射光的强度,金属的逸出功都不变,故A正确;依据光电效应方程可知Ek=hν-W0,光电子的最大初动能由入射光的频率和金属逸出功确定,只增大入射光的强度,相当于增加单位时间内入射光的光子数目,光子的频率并没有变更,逸出功也没有变更,故最大初动能不变,故B错误,C正确;光的强弱不影响光电子的能量,只影响单位时间内发出光电子的数目,只增大入射光的强度,单位时间内逸出的光电子数目将增多,故D正确。故选A、C、D。三光电效应方程和规律1.光电效应方程Ek=hν-W0:(1)式中的Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值。(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程。①能量为ε=hν的光子被电子汲取,电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。②假如克服吸引力做功最少为W0,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,依据能量守恒定律可知:Ek=hν-W0。(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件。若发生光电效应,则光电子的最大初动能必需大于零,即Ek=hν-W0>0,亦即hν>W0,ν>=νc,而νc=恰好是光电效应的截止频率。(4)Ek-ν曲线。如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变更曲线。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。2.光电效应规律中的两条线索、两个关系:(1)两条线索:(2)两个关系:光强→光子数目多→放射光电子多→光电流大;光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。【思索·探讨】光电效应是物理学中一个重要而奇妙的现象,在光的照耀下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发觉,而正确的说明为爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深化探讨对发展量子理论起了根本性的作用。光电效应在现代科技中有哪些应用呢?提示:应用光电效应的产品有许多,主要是两个方面:太阳能电池和光电传感器,运用光电传感器的设备,常见的有:光控路灯,数码照相机,光敏电阻、二极管、三极管等。【典例示范】如图所示是某金属在光的照耀下,光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像,由图像可知,下列说法不正确的是()A.图线的斜率表示普朗克常量hB.该金属的逸出功等于EC.该金属的逸出功等于hν0D.入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为2E【解析】选D。依据光电效应方程Ek=hν-W0,知图线的斜率表示普朗克常量h,故A正确;依据光电效应方程Ek=hν-W0,当ν=0时,Ek=-W0,由图像知纵轴截距为-E,所以W0=E,即该金属的逸出功等于E,故B正确;图线与横轴交点的横坐标是ν0,该金属的逸出功等于hν0,故C正确;当入射光的频率为2ν0时,依据光电效应方程可知,Ek=h·2ν0-hν0=E,故D错误。【规律方法】利用光电效应方程解题的一般规律(1)依据光电效应方程,结合图线的纵轴截距求出金属的逸出功,或结合横轴截距得出金属的极限频率,从而得出逸出功。(2)依据光电效应方程求出入射光的频率变更时的光电子的最大初动能。【素养训练】1.(2024·北京高考)光电管是一种利用光照耀产生电流的装置,当入射光照在管中金属板上时,可能形成光电流。表中给出了6次试验的结果。组次入射光子的能量/eV相对光强光电流大小/mA逸出光电子的最大动能/eV第一组1234.04.04.0弱中强2943600.90.90.9第二组4566.06.06.0弱中强2740552.92.92.9由表中数据得出的论断中不正确的是()A.两组试验采纳了不同频率的入射光B.两组试验所用的金属板材质不同C.若入射光子的能量为5.0eV,逸出光电子的最大动能为1.9eVD.若入射光子的能量为5.0eV,相对光强越强,光电流越大【解析】选B。由光电效应可知电子最大初动能Ekm和入射光频率ν以及逸出功W0的关系满意Ekm=hν-W0①,题中数据表添加一项逸出功后,如表所示,依据表格可知,不同频率光入射逸出功相同,由此可以推断是同一种金属材料,选项B错误;入射光子能量不同,所以频率不同,选项A正确;依据①式可知若入射光子能量为5.0eV,则逸出电子最大动能为1.9eV;只要能够发生光电效应,相对光强越强,光电流越大,选项C、D正确。组次入射光子的能量/eV相对光强光电流大小/mA逸出光电子的最大动能/eV逸出功W/eV第一组1234.04.04.0弱中强2943600.90.90.93.1eV3.1eV3.1eV第二组4566.06.06.0弱中强2740552.92.92.93.1eV3.1eV3.1eV2.美国物理学家密立根用精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量,这项工作成了爱因斯坦方程式在很小误差范围内的干脆试验证据。密立根的试验目的是:测量金属的遏止电压Uc、入射光频率ν,由此计算普朗克常量h,并与普朗克依据黑体辐射得出的h相比较,以检验爱因斯坦光电效应方程式的正确性。如图所示是依据某次试验作出的Uc-ν图像,电子的电荷量e=1.6×10-19C。试依据图像和题目中的已知条件:(1)写出爱因斯坦光电效应方程(用Ekm、h、ν、W0表示)。(2)由图像求出这种金属的截止频率νc。(3)若图像的斜率为k,写出普朗克常量h的表达式,并依据图像中的数据求出普朗克常量h。【解析】(1)光电效应方程:Ekm=hν-W0(2)由图像可知,当Uc=0时,该金属的截止频率:νc=4.27×1014Hz(3)由光电效应方程知:k=,可得h=ke,即:h=×1.6×10-19J·s=6.3×10-34J·s答案:(1)Ekm=hν-W0(2)4.27×1014Hz(3)h=ke6.3×10-34J·s【补偿训练】1.(多选)如图所示为一真空光电管的应用电路,其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014Hz,则以下推断正确的是()A.发生光电效应时,电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率B.发生光电效应时,电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度C.用λ=0.5μm的光照耀光电管时,电路中有光电流产生D.光照耀时间越长,电路中的光电流越大【解析】选B、C。在光电管中若发生了光电效应,单位时间内放射光电子的数目只与入射光的强度有关,光电流的饱和值只与单位时间内放射光电子的数目有关,据此可推断A、D错误,B正确;波长λ=0.5μm的光子的频率ν==Hz=6×1014Hz>4.5×1014Hz,可发生光电效应,所以选项C正确。2.(2024·全国卷Ⅱ)用波长为300nm的光照耀锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10-19J。已知普朗克常量为6.63×10-34J·s,真空中的光速为3.00×108m·s-1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为 ()A.1×1014Hz B.8×1014HzC.2×1015Hz D.8×1015Hz【解析】选B。依据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,当ν最小时hν0=W0,代入数值可得ν0≈8×1014Hz,选项B正确。四康普顿效应和光的波粒二象性一、康普顿效应1.假定X射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量削减,于是散射光的波长大于入射光的波长。2.康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明白爱因斯坦光子说的正确性。3.在光的散射中,光子在与其他微粒作用过程中遵循能量守恒定律和动量守恒定律。【思索·探讨】太阳光从小孔射入室内时,我们从侧面可以看到这束光;白天的天空各处都是亮的;宇航员在太空中会发觉尽管太阳光刺眼刺目,其他方向的天空却是黑的,为什么?提示:在地球上存在着大气,太阳光经微粒散射后传向各个方向,而在太空中的真空环境下光不散射只向前传播。二、光的波粒二象性1.对光的本性相识史:人类对光的相识经验了漫长的历程,从牛顿的光的微粒说,到托马斯·杨和菲涅耳的波动说,从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说。直到二十世纪初,对于光的本性的相识才提升到一个更高层次,即光具有波粒二象性。对于光的本性相识史,列表如下:学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦试验依据光的直线传播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中传播,是横波,光速等于电磁波的速度光电效应、康普顿效应光既有波动现象,又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的光是具有电磁本性的物质,既有波动性又有粒子性2.对光的波粒二象性的理解:试验基础表现说明光的波动性干涉和衍射(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述。(2)足够能量的光在传播时,表现出波的性质。(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的。(2)光的波动性不同于宏观观念的波。光的粒子性光电效应、康普顿效应(1)当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质。(2)少量或个别光子简洁显示出光的粒子性。(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的。(2)光子不同于宏观观念的粒子。【思索·探讨】光能发生干涉、衍射,这是波所特有的现象;光电效应、康普顿效应,又是粒子才有的性质,那么,光究竟是波还是粒子呢?提示:光既有波动性,又有粒子性,光有波粒二象性。【典例示范】科学探讨证明,光子有能量也有动量,的时候,光子的给了电子,假设光子和电子碰撞前的为λ,碰撞后的波长为λ′,则以下说法正确的是()A.碰撞过程中能量守恒,动量守恒,且λ=λ′B.碰撞过程中能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ′C.碰撞过程中能量守恒,动量守恒,且λ<λ′D.碰撞过程中能量守恒,动量守恒,且λ>λ′【审题关键】序号信息提取①碰撞过程动量守恒②能量转移,总能量守恒③波长公式λ=【解析】选C。光子与电子的碰撞过程中,系统不受外力,也没有能量损失,故系统动量守恒,系统能量也守恒,光子与电子碰撞后,电子能量增加,故光子能量减小,依据E=hν,光子的频率减小,依据λ=知,波长变长,即λ<λ′。【素养训练】1.下列关于光的本性的说法中正确的是()A.关于光的本性,牛顿提出了“微粒说”,惠更斯提出了“波动说”,爱因斯坦提出了“光子说”,综合他们的说法圆满地说明白光的本性B.光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波,也可以看成微观概念上的粒子C.光的干涉、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D.频率低、波长长的光,粒子性特征显著;频率高、波长短的光,波动性特征显著【解析】选C。牛顿的“微粒说”认为光是一种实物粒子,是宏观意义的粒子,而不是微观概念上的粒子,这事实上是不科学的。惠更斯提出了“波动说”,光既具有粒子性,又具有波动性,即具有波粒二象性,才能圆满说明光的本性,故A错误;光具有波粒二象性,但不能把光看成宏观概念上的波,光的粒子性要求把光看成微观概念上的粒子,故B错误;干涉和衍射是波的特有现象,光的干涉、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,故C正确;频率低、波长长的光,波动性特征显著;频率高、波长短的光,粒子性特征显著,故D错误。2.康普顿效应证明白光子不仅具有能量,也具有动量。如图给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向,则碰后光子()A.可能沿1方向,且波长变小B.可能沿2方向,且波长变小C.可能沿1方向,且波长变长D.可能沿3方向,且波长变长【解析】选C。康普顿效应第一次从试验上证明白爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。光子和电子、质子这样的实物粒子一样,不仅具有能量,也具有动量,碰撞过程中能量守恒,动量也守恒。依据动量守恒,碰后光子不行能沿2、3方向,依据能量守恒,在散射波中,除了原波长的波以外,还出现波长增大的波,故C正确,A、B、D错误。3.光子有能量,也有动量,动量p=,它也遵守有关动量的规律。真空中有如图所示装置可绕通过横杆中点的竖直轴OO′在水平面内敏捷地转动,其中左边是圆形黑纸片(汲取光子),右边是和左边大小、质量相同的圆形白纸片(反射光子)。当用平行白光垂直照耀这两个圆面时,关于装置起先时的转动状况(俯视),下列说法中正确的是()A.顺时针方向转动 B.逆时针方向转动C.都有可能 D.不会转动【解析】选B。依据动量定理Ft=mvt-mv0,由光子的动量变更可知黑纸片和光子之间的作用力小于白纸片和光子之间的作用力,所以装置起先时逆时针方向转动,B选项正确。【补偿训练】1.关于光的波粒二象性的说法,正确的是()A.一束传播的光,有的光是波,有的光是粒子B.光波与机械波是同样的一种波C.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的D.光是一种波,同时也是一种粒子,光子说并未否定电磁说,在光子能量ε=hν中,频率ν仍表示的是波的特性【解析】选D。光是一种波,同时也是一种粒子,光具有波粒二象性,当光和物质作用时,是“一份一份”的,表现出粒子性;单个光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波动规律描述,表现出波动性。粒子性和波动性是光子本身的一种属性,光子说并未否定电磁说。2.人们对“光的本性”的相识,经验了漫长的发展过程。下列符合物理学史实的是()A.牛顿提出光是一种高速粒子流,并能说明一切光的现象B.惠更斯认为光是机械波,并能说明一切光的现象C.为了说明光电效应,爱因斯坦提出了光子说D.为了说明光的本性,麦克斯韦提出了光的波粒二象性【解析】选C。牛顿认为光是一种粒子流,他的观点支持了光的微粒说,能说明光的直线传播与反射现象,不能说明一切现象。故A错误。惠更斯认为光是一种机械波,能说明光的反射、折射和衍射,但不能说明光的直线传播和光电效应等现象,故B错误。为了说明光电效应爱因斯坦提出光子说,认为光的反射、传播和汲取不是连续的而是一份一份的,每一份就是一个光子,故C正确。麦克斯韦提出了光的电磁波说,认为光是一种电磁波,故D错误。故选C。【拓展例题】考查内容:光电效应与图像综合性问题【典例】在图甲所示的装置中,K为一个金属板,A为一个金属电极,都密封在真空玻璃管中,单色光可通过玻璃壳照在K上,E为可调直流电源。试验发觉,当用某种频率的单色光照耀K时,K会发出电子(光电效应),这时,即使A、K间的电压等于零,回路中也有电流,当A的电势低于K时,电流仍不为零,A的电势比K低得越多,电流越小,当A比K的电势低到某一值Uc(遏止电压)时,电流消逝。当变更照耀光的频率ν时,遏止电压Uc也将随之变更。假如某次试验我们测出的一系列数据如图乙所示,若知道电子的电荷量e,则依据图像可求出该金属的极限频率为多少?该金属的逸出功W0为多少?普朗克常量h为多少?【解析】由题图可知,数据对应的点几乎落在一条直线上,直线与ν轴的交点ν0即为该金属的极限频率。因此当照耀光的频率为ν0时,遏止电压Uc=0,说明在此频率下,金属板刚好发生光电效应。设光电子的最大初动能为Ek,依据光电效应方程有hν=W0+Ek当A比K的电势低到某一值Uc时,电流消逝,光电子的最大初动能全部用来克服电场力做功,由动能定理有eUc=Ek联立以上两式可得Uc=-由上式可知,Uc-ν图像斜率k=,在Uc轴上的截距为-。而由图可得,截距为-Uc。故有=,-Uc=-解得h=,W0=eUc。答案:ν0eUc课堂检测·素养达标1.(多选)下列说法中正确的是()A.普朗克在探讨黑体辐射问题时提出了能量子假说B.光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性C.黑体辐射,随着温度的上升,一方面各种波长的辐射强度都有增加,另一方面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D.