2024-2025学年高中物理第四章波粒二象性12量子概念的诞生光电效应与光的量子说教案教科版选修3-5

PAGE19-1量子概念的诞生2光电效应与光的量子说一、热辐射、黑体与黑体辐射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．黑体指能够完全汲取入射的各种波长的电磁波而不发生全反射的物体．3．一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．4．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．(1)随着温度的上升，各种波长的辐射强度都增加．(2)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．在火炉旁边有什么感觉？投入炉中的炭块颜色怎样改变？说明白什么问题？提示：我们靠近火炉时，立刻会感到热，这是由于炉中燃烧的炭块在向外辐射能量．我们视察投入炉中炭块的颜色，当温度较低时，炭块呈暗红色，随着温度的不断上升，它变得赤红，橙红，到最终由黄色变成白色，这表明炭块是以电磁波的形式向外辐射能量，而且在不同温度下辐射强度按电磁波波长有不同的分布．二、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叫做能量子．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．三、光电效应的试验规律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．爱因斯坦对光电效应的说明(1)存在着饱和光电流：在光的颜色不变的状况下，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，从光照耀到产生光电流的时间不超过10－9s.4．逸出功使电子脱离某种金属所做功的最小值．不同金属的逸出功不同．将锌板与验电器连在一起，然后用紫外线灯照耀锌板，会发觉一个奇异的现象，验电器的指针发生了偏转，这一现象说明锌板在紫外线照耀下带电了．为什么会这样呢？提示：这一现象就是闻名的光电效应现象，进一步的探讨表明，在光照的状况下，从锌板上有电子逸出，锌板带上了正电荷．四、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＝eq\f(1,2)mv2＋A.(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A，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek.考点一黑体辐射的规律(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)对黑体辐射的理解：任何物体都具有不断辐射、汲取、反射电磁波的本事．辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有肯定的谱分布．这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称为热辐射．(3)一般物体与黑体的比较：(4)对热辐射的理解①在任何温度下，任何物体都会放射电磁波，并且其辐射强度按波长的分布状况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一种特性．在室温下，大多数物体辐射的是不能引起视觉的波长较长的电磁波——红外光；但当物体被加热到500℃左右时，起先发出暗红色的可见光．随着温度的不断上升，辉光渐渐亮起来，而且热辐射中较短波长的成分越来越多，即能引起视觉的电磁波越来越多，大约在1500℃时变成光明的白炽光．这说明同一物体在肯定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不匀称的，而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高．②在肯定温度下，不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同．例如，将钢加热到约800℃时，就可视察到光明的红色光，但在同一温度下，熔化的水晶却不辐射可见光．【例1】(多选)下列叙述正确的是()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．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D．黑体能够完全汲取入射的各种波长的电磁波依据热辐射的定义及黑体辐射的试验规律干脆推断即可．【解析】依据热辐射的定义，A正确；因为一般物体辐射电磁波的状况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，故B错误，C正确；依据黑体的定义知D正确．【答案】ACD总结提能黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简洁，黑体辐射强度只与温度有关．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射规律的是(A)解析：依据黑体辐射的规律，温度越高，辐射强度越大，辐射出的波频率高的比例增大，即波长小的波比例增大，故选A.考点二能量子的理解和计算1．能量子：超越牛顿的发觉(1)普朗克的量子化假设：①能量子：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．例如，可能是ε或2ε、3ε……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叫做能量子；②能量子公式：ε＝hν，ν是电磁波的频率，h是一个常量，称为普朗克常量，其值h＝6.63×10－34J·s；③能量的量子化：在微观世界中能量不能连续改变，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化．(2)能量子假说的试验证明：普朗克公式与试验结果比较，发觉它与试验结果“令人满足地相符”．如图所示，曲线是依据普朗克的公式作出的，小圆代表试验值．(3)普朗克的能量子假说的意义：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，对现代物理学的发觉产生了革命性的影响．2．能量的量子化微观粒子的能量与宏观世界的能量的相识不同．例如，一个宏观的弹簧振子，把小球推离平衡位置后起先振动，能量为E.其次次我们可以把它推得稍远一些，使它振动的能量稍多一些，例如1.2E或1.3E.推得更远，能量更大．弹簧振子的能量不是某一个最小值的整数倍．只要在弹性限度内，我们可以把小球推到任何位置，其能量可以是任何值．即对弹簧振子的能量，我们说能量值是连续的；而普朗克的假说则认为，微观粒子的能量是量子化的，或说微观粒子的能量是分立的．【例2】一盏电灯发光功率为100W，假设它发出的光向四周匀称辐射，光的平均波长λ＝6.0×10－7m，在距电灯10m远处，以电灯为球心的球面上，1mA．2×1017 B．2×1016C．2×1015 D．2×10231．每个光子的能量是多少？2．电灯每秒钟产生的光能是多少，这些光能包含多少个光子？【解析】光是电磁波，辐射能量也是一份一份进行的，100W灯泡每秒产生光能E＝100J，设电灯每秒发出的光子数为n，E＝nhν＝nheq\f(c,λ)，在以电灯为球心的球面上，1m2的面积每秒通过的光子(能量子)数n′＝eq\f(n,4πr2)，n′＝eq\f(Eλ,4πr2hc)＝eq\f(100×6.0×10－7,4×3.14×102×6.63×10－34×3×108)≈2×1017(个)．【答案】A总结提能此类题肯定要留意空间想象实力，并把画面想象出来．同时要留意关键字眼，如“每秒”“1m2太阳光垂直射到地面上时，地面上1m2(1)假设认为可见光的波长约为0.55μm，日地间距离R＝1.5×1011m．普朗克常量h＝6.6×10(2)若已知地球的半径为6.4×106答案：(1)4.9×1044个(2)1.8×1014kW解析：(1)设地面上垂直阳光的每平方米面积上每秒接收的可见光光子数为n，则有P×45%＝nheq\f(c,λ).解得：n＝eq\f(0.45λP,hc)＝eq\f(0.45×0.55×10－6×1.4×103,6.6×10－34×3×108)个·m－2＝1.75×1021个·m－2.则所求可见光光子数N＝n·4πR2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2＝4.9×1044(个)．(2)地球接收阳光的总功率P地＝Pπr2＝1.4×3.14×(6.4×106)2kW≈1.8×1014kW.考点三光电效应现象及其试验规律1．光电效应如图所示，用紫外线灯照耀锌板，与锌板相连的验电器就带正电，即锌板也带正电，这说明锌板在光的照耀下放射了电子．(1)定义：在光的照耀下物体的电子逸出的现象，叫做光电效应，逸出的电子叫做光电子．(2)光电效应的试验电路试验电路如图所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够放射光电子，电源加在K与A之间，其电压通过分压电路可调，正负极可以对调．电源按图示极性连接时，阳极A汲取阴极K放射的光电子，在电路中形成光电流，电流表可测量光电流．2．光电效应的试验规律(1)试验结果①饱和电流在入射光的强度与频率不变的状况下，I－U的试验曲线如图所示．曲线表明，当加速电压U增加到肯定值时，光电流达到饱和值Im.这是因为单位时间内从阴极K逸出的光电子全部到达阳极A.若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n，则饱和电流Im＝ne.式中e为一个电子的电荷量，另一方面，当电压U减小到零，并起先反向时，光电流并没有降为零，这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能．所以尽管有电场阻碍它们运动，仍有部分光电子到达阳极A.②遏止电压当反向电压等于Uc时，就能阻挡全部的光电子飞向阳极A，使光电流降为零，这个电压叫遏止电压，它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A.假如不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差，那么我们就能依据遏止电压Uc来确定电子的最大初速度和最大初动能，即Ekm＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝eUc.③光的频率相同时，光电子的最大初动能相同在用相同频率不同强度的光去照耀阴极K时，得到的I－U曲线如图1所示．它显示出对于不同强度的光，Uc是相同的．这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的．④截止频率(极限频率)用不同频率的光去照耀阴极K时，试验结果是：频率越高，Uc越大，如图2所示；并且ν与Uc呈线性关系，如图3所示．频率低于νc的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此，νc称为截止频率，对于不同的材料，截止频率不同．(2)试验规律①饱和电流Im的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比．②光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光线的强度无关(如图1所示，图中IO1、IO2、IO3表示入射光强度)，而只与入射光的频率有关．频率越高，光电子的初动能就越大(见图3)．③频率低于νc的入射光，无论光的强度多大，照耀时间多长，都不能使光电子逸出．④光的照耀和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内(<10－9s)视察不出这两者间存在滞后现象．【例3】利用光电管探讨光电效应试验，如图所示，用频率为ν1的可见光照耀阴极K，电流表中有电流通过，则()A．用紫外线照耀，电流表中不肯定有电流通过B．用红外线照耀，电流表中肯定无电流通过C．用频率为ν1的可见光照耀阴极K，当滑动变阻器的滑动触头移到a端，电流表中肯定无电流通过D．用频率为ν1的可见光照耀阴极K，当滑动变阻器的滑动触头向b端滑动时，电流表示数可能不变光电效应试验中发觉，入射光的频率越高，越易发生光电效应，且光电流达到最大值时，不会再增大．【解析】因为紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照耀时，电流表中肯定有电流通过，A错误．因为不知道阴极K的截止频率，所以用红外线照耀时，不肯定发生光电效应，B错误．即使UAK＝0，电流表中也有电流，C错误．当滑动触头向b端滑动时UAK增大，阳极A汲取光电子的实力增加，光电流会增大，当射出的全部光电子都能到达阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，光电流已经达到饱和电流，那么再增大UAK，光电流也不会增大，D正确．故正确答案为D.【答案】D总结提能理解好试验现象，理解好光电效应发生的条件是解题的关键．在演示光电效应的试验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照耀锌板时，验电器的指针张开了一个角度，如图所示，这时(B)A．锌板带正电，指针带负电B．锌板带正电，指针带正电C．锌板带负电，指针带负电D．锌板带负电，指针带正电解析：发生光电效应时有电子从锌板上跑出来，使锌板及验电器的指针都带正电，B正确．考点四光电效应方程的理解和应用1．光子说(1)内容：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，这些能量子称为光子．(2)公式：光子的能量ε＝hν，h为普朗克常量，ν为光的频率，h＝6.626×10－34J·s.2．光电效应方程(1)表达式：Ek＝hν－W0.(2)理解：①在光电效应中，金属中的电子汲取一个光子的能量hν，这些能量中的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek.②光电效应方程包含了产生光电效应的条件：Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>eq\f(W0,h)＝νc，而νc＝eq\f(W0,h)就是金属的截止频率．(3)最大初动能Ek发生光电效应时，电子克服金属原子核的引力逸出时，具有的动能大小不同，金属表面上的电子汲取光子后干脆逸出时具有的动能最大，称为最大初动能，用Ek表示．即逸出的电子动能在0～Ek之间．3．光电效应曲线(1)Ek－ν曲线①爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν成线性关系，与光强无关，如图所示，由光电效应方程知，当hν>W0时，Ek>0，即有电子逸出，截止频率νc＝eq\f(W0,h).②电子一次性汲取光子的全部能量，不须要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的．③光强较大时，包含的光子数较多，照耀金属时产生的光电子较多，因而饱和电流大，所以饱和电流与光强成正比．依据光电效应方程知：Ek＝hν－W0，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν呈线性关系，即Ek－ν图象是一条直线．上图是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的改变曲线．横轴上的截距是阴极金属的截止频率或极限频率；纵轴上的截距，是阴极金属的逸出功负值；斜率为普朗克常量．(2)I－U曲线右图所示的光电流强度I随光电管两极板间电压U的改变曲线中，Im为饱和光电流，Uc为遏止电压．(1)利用eUc＝eq\f(1,2)meveq\o\al(2,m)可得光电子的最大初动能Ekm.(2)利用Ek－ν图线可得极限频率νc和普朗克常量h.4．光子说对光电效应规律的说明(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地汲取光子的能量．而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为．假如光的频率低于截止频率，则光子供应应电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应．(2)当光的频率高于截止频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能Ek＝eq\f(1,2)meveq\o\al(2,c)＝hν－W0，其中W0为金属的逸出功，因此光的频率越高，电子的初动能越大．(3)电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间马上摆脱束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的．(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多．【例4】(多选)下列对光电效应的说明，正确的是()A．金属内的每个电子要汲取一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属表面B．假如入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大D．由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同1．依据光子说的内容可知，光子的能量由谁确定，与光的强度是否有关？2．金属表面的电子成为光电子，要克服哪些力而做功，须要的能量从哪儿获得？【解析】依据爱因斯坦的光子说，光的能量是由光的频率确定的，与光强无关．入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大．但要使电子离开金属表面，必需使电子具有足够的动能，而电子的动能只能来源于入射光的光子能量，但每个电子只能汲取一个光子，不能汲取多个光子．因此当入射光的频率低于截止频率时，即使照耀时间足够长，也不会发生光电效应．使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功，不同金属的逸出功不同．故正确答案为B、D.【答案】BD总结提能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．现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa>λb>λc，用b光束照耀某种金属时，恰能发生光电效应．若分别用a光束和c光束照耀该金属，则可以断定(A)A．a光束照耀时，不能发生光电效应B．c光束照耀时，不能发生光电效应C．a光束照耀时，释放出的光电子数目最多D．c光束照耀时，释放出的光电子的最大初动能最小解析：由a、b、c三束单色光的波长关系λa>λb>λc，及波长、频率的关系知：三束单色光的频率关系为：νa<νb<νc.故当b光恰能使金属发生光电效应时，a光必定不能使该金属发生光电效应，c光必定能使该金属发生光电效应，A正确，B错误；又因为发生光电效应时释放的光电子数目与光照强度有关，光照越强，光电子数目越多，由于光照强度未知，所以光电子数目无法推断，C错误；而光电子的最大初动能与入射光频率有关，频率越高，最大初动能越大，所以c光照耀时释放出的光电子的最大初动能最大，D错误，故答案为A.重难疑点辨析光电效应问题的分析方法有关光电效应的问题主要有两个方面：一个是关于光电效应现象的推断，另一个就是运用光电效应方程进行简洁的计算．解题的关键在于驾驭光电效应规律，明确概念之间的确定关系．即有：2．应用爱因斯坦光电效应方程解题的步骤：(1)分析光电效应现象，依据须要建立光电效应方程，或画出光电效应方程所对应的图象．(2)依据eUc＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,c)求出最大初动能．(3)依据饱和光电流与照耀光频率的关系图象得到材料恰能产生光电效应时照耀光的频率ν0，由hν0＝W0可得逸出功．(4)联立以上各式求解未知物理量．【典例】用不同频率的紫外线分别照耀钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν改变的Ek－ν图象．已知钨的逸出功是3.28eV，锌的逸出功是3.24eV，若将二者的图线画在同一个Ek－ν坐标图中，用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的图是如图所示中的()【解析】依据光电效应方程Ek＝hν－W可知，Ek－ν图线的斜率代表了普朗克常量h，因此钨和锌的Ek－ν图线应当平行．图线的横轴截距代表了极限频率νc，而νc＝eq\f(W,h)，因此钨的νc大些．综上所述，B图正确．【答案】B本题最大的特点是利用数学图象解决物理问题．不能把物理问题转化为数学问题，再利用数学函数关系解决物理问题是最易出现的错误．只有在理解光电效应方程的基础上，把其数学关系式与数学函数图象结合起来，经分析、推导得出图象的斜率及在图象横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的实力．

1．能正确说明黑体辐射试验规律的是(B)A．能量的连续经典理论B．普朗克提出的能量量子化理论C．以上两种理论体系任何一种都能说明D．牛顿提出的能量微粒说解析：依据黑体辐射的试验规律，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，只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满足的说明，故选项B正确．2．(多选)关于普朗克“能量量子化”的假设，下列说法正确的是(AD)A．认为带电微粒辐射或汲取能量时，是一份一份的B．认为能量值是连续的C．认为微观粒子的能量是量子化的、连续的D．认为微观粒子的能量是分立的解析：普朗克的理论认为带电微粒辐射或汲取能量时，是一份一份的，微观粒子的能量是量子化的，是分立的，故选项A、D正确．3．(