1量子概念的誕生2光電效應(yīng)與光的量子說(shuō)學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 脈 絡(luò)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(zhǎng)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(shuō)及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋(重點(diǎn))5掌握愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程并會(huì)用它來(lái)解決簡(jiǎn)單問(wèn)題(難點(diǎn))量 子 概 念 的 誕 生1熱輻射我們周?chē)囊磺形矬w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(zhǎng)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，物體熱輻射中隨溫度的升高，輻射的較短波長(zhǎng)的電磁波的成分越來(lái)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(lái)電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體(2)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一般材料的物體，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)黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)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(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)(3)維恩和瑞利的理論解釋建立理論的基礎(chǔ)：依據(jù)經(jīng)典理論的知識(shí)尋求黑體輻射的理論解釋維恩公式：在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)非常接近，在長(zhǎng)波區(qū)則與實(shí)驗(yàn)偏離很大瑞利公式：在長(zhǎng)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(dòng)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Ennh(n1,2,3，)，即能量E只能取h的整數(shù)倍，最小的一份能量h稱為能量子，式中是諧振動(dòng)的頻率，h是一個(gè)常數(shù)，稱為普朗克常量h6.626 068 76(52)1034 Js.(2)普朗克理論的意義利用能量子的假設(shè)，普朗克推導(dǎo)出了實(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(wèn)題普朗克在1900年把能量子列入物理學(xué)，正確地破除了“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，黑體輻射電磁波的強(qiáng)度越大()3微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍()4能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比()5光滑水平桌面上勻速運(yùn)動(dòng)的小球的動(dòng)能也是量子化的()1黑體是指黑顏色的物體嗎？【提示】黑體不是指黑顏色的物體，是指能完全吸收電磁波的物體2為了得出同實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，普朗克提出了什么樣的觀點(diǎn)？【提示】普朗克提出了量子化的觀點(diǎn)量子化是微觀世界的基本特點(diǎn)，其所有的變化都是不連續(xù)的1對(duì)黑體的理解絕對(duì)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411所示，如果在一個(gè)空腔壁上開(kāi)一個(gè)小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個(gè)小孔就成了一個(gè)絕對(duì)黑體圖4112一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(zhǎng)等因素有關(guān)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)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(shí)，黑體輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的分布有一個(gè)極大值(2)隨著溫度的升高各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)如圖412所示圖4124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(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，成為物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)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1黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖413所示，由圖可知()圖413A隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加B隨溫度降低，各種波長(zhǎng)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(zhǎng)較短的方向移動(dòng)D隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的方向移動(dòng)E溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)【解析】由圖可知，隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，當(dāng)溫度降低時(shí)，上述變化都將反過(guò)來(lái)，故A、C、D正確，B、E錯(cuò)誤【答案】ACD2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(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)E黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波【解析】根據(jù)熱輻射定義知A對(duì)；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(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)，B、C錯(cuò)、D對(duì)；根據(jù)黑體定義知E對(duì)【答案】ADE3氦氖激光器發(fā)射波長(zhǎng)為6 328 的單色光，試計(jì)算這種光的一個(gè)光子的能量為多少？若該激光器的發(fā)光功率為18 mW，則每秒發(fā)射多少個(gè)光子？【解析】根據(jù)愛(ài)因斯坦光子學(xué)說(shuō)，光子能量Eh，而c，所以：E J3.141019 J.因?yàn)榘l(fā)光功率已知，所以1 s內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)為：n個(gè)5.731016個(gè)【答案】3.141019 J5.731016個(gè)電磁波的輻射和吸收(1)比較輻射、吸收首先要分清是黑體還是一般物體(2)隨著溫度的升高，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)(3)能量子假說(shuō)的意義：可以非常合理地解釋某些電磁波的輻射和吸收的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象光 電 效 應(yīng) 與 光 的 量 子 說(shuō)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(lái)的電子3光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)對(duì)于給定的光電陰極材料，都存在一個(gè)發(fā)生光電效應(yīng)所需的入射光的最小頻率0，叫做光電效應(yīng)的截止頻率，亦稱為極限頻率只有超過(guò)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(shí)，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(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系(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109 s)發(fā)射出來(lái)4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，頻率為的光的能量子為h，這些能量子稱為光子5光電效應(yīng)方程(1)對(duì)光電效應(yīng)的說(shuō)明在光電效應(yīng)中，金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是h，其中一部分用來(lái)克服金屬的逸出功W，另一部分為光電子的初動(dòng)能Ek.(2)光電效應(yīng)方程EkhW.1任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)()2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)()3不同的金屬逸出功不同，因此金屬對(duì)應(yīng)的截止頻率也不同()4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()1不同頻率的光照射到同一金屬表面發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子的初動(dòng)能是否相同？【提示】由于同一金屬的逸出功相同，而不同頻率的光的光子能量不同，由光電效應(yīng)方程可知，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，逸出的光電子的初動(dòng)能是不同的2光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比嗎？【提示】不成正比光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增大而增大，但不是正比關(guān)系1愛(ài)因斯坦光子理論對(duì)光電效應(yīng)的解釋(1)解釋極限頻率的存在：光照射到金屬板時(shí)，光子將能量傳遞給電子，每個(gè)光子的能量為h，所以一個(gè)光子傳遞給一個(gè)電子的能量為h，電子要脫離原子核的引力，有一個(gè)最小能量，最小能量對(duì)應(yīng)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)入射光的最小頻率，即極限頻率如果小于這一頻率，即使增大光強(qiáng)，也不會(huì)使電子逸出這是因?yàn)樵龃蠊鈴?qiáng)，只是增加了吸收光子能量的電子數(shù)，單個(gè)電子吸收的光子能量仍為h，電子仍不能逸出(2)解釋光電效應(yīng)的瞬時(shí)性：電子吸收光子的能量時(shí)間很短，幾乎是瞬時(shí)的如果入射光頻率低于極限頻率，即使增加照射時(shí)間，也不能使電子逸出因?yàn)橐粋€(gè)電子吸收一個(gè)光子后，在極短的時(shí)間內(nèi)就可以把能量傳遞給其他粒子，所以電子不可能通過(guò)能量積累逸出金屬表面(3)解釋最大初動(dòng)能與頻率的關(guān)系：由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程hWmv2可知，電子從金屬中逸出所需克服束縛而消耗的能量的最小值為逸出功，從金屬表面逸出的電子消耗的能量最少，逸出時(shí)的動(dòng)能值最大，稱為最大初動(dòng)能就其他逸出的電子而言，離開(kāi)金屬時(shí)的動(dòng)能小于最大初動(dòng)能最大初動(dòng)能的大小與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，與光的頻率有關(guān)2光電效應(yīng)規(guī)律中的兩個(gè)關(guān)系(1)由hWmv2得mv2hW，逸出電子的最大初動(dòng)能Ekm(即mv2)與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系(2)產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，光的強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)逸出的電子數(shù)越多即如果形成光電流，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比4如圖414所示，用弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度，則下列說(shuō)法中正確的是 ()圖414A用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)B用紅光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)C鋅板帶的是負(fù)電荷D鋅板帶的是正電荷E使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷【解析】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(kāi)一個(gè)角度，說(shuō)明鋅板帶了電，進(jìn)一步研究表明鋅板帶正電這說(shuō)明在紫外線的照射下，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、D、E正確紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)【答案】ADE5對(duì)光電效應(yīng)的理解正確的是() 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：11010059】A金屬鈉的每個(gè)電子可以吸收一個(gè)或一個(gè)以上的光子，當(dāng)它積累的動(dòng)能足夠大時(shí)，就能逸出金屬B在光電效應(yīng)中，一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子C如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時(shí)所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應(yīng)D發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，光子的能量就越大，光電子的最大初動(dòng)能就越大E由于不同金屬的逸出功是不相同的，因此使不同金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光的最低頻率也不同【解析】按照愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)，光子的能量由光的頻率決定，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能越大；但要使電子離開(kāi)金屬，電子必須具有足夠的動(dòng)能，而電子增加的動(dòng)能只能來(lái)源于照射光的光子能量，且一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子，不能同時(shí)吸收多個(gè)光子，所以光子的能量小于某一數(shù)值時(shí)便不能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象；電子從金屬逸出時(shí)只有從金屬表面向外逸出的電子克服原子核的引力所做的功最小綜上所述，選項(xiàng)B、C、E正確【答案】BCE6已知能使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的截止頻率為0，則()A當(dāng)用頻率為20的單色光照射該金屬時(shí)，一定能產(chǎn)生光電子B當(dāng)用頻率為20的單色光照射該金屬時(shí)，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為h0C當(dāng)照射光的頻率大于0時(shí)，若增大，則逸出功增大D金屬的逸出功與照射光的頻率無(wú)關(guān)E當(dāng)照射光的頻率大于0時(shí)，若增大一倍，則光電子的最大初動(dòng)能也增大一倍【解析】根據(jù)截止頻率跟逸出功的關(guān)系：W0h0，光電效應(yīng)方程mvhW0，判斷A、B、D正確【答案】ABD7小明用金屬銣為陰極的光電管，觀測(cè)光電效應(yīng)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖415甲所示已知普朗克常量h6.631034 Js.圖415(1)圖甲中電極A為光電管的_(選填“陰極”或“陽(yáng)極”)；(2)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率之間的關(guān)系如圖乙所示，則銣的截止頻率c_Hz，逸出功W0_J；(3)如果實(shí)驗(yàn)中入射光的頻率7.001014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能Ek_J.【解析】(1)在光電效應(yīng)中，電子向A極運(yùn)動(dòng)，故電極A為光電管的陽(yáng)極(2)由題圖可知，銣的截止頻率c為5.151014 Hz，逸出功W0hc6.6310345.151014 J3.411019 J.(3)當(dāng)入射光的頻率為7.001014Hz時(shí)，由Ekhhc得，光電子的最大初動(dòng)能為Ek6.631034(7.005.15)1014 J1.231019 J.【答案】(1)陽(yáng)極(2)5.151014(5.125.18)1014均視為正確3.411019(3.393.43)1019均視為正確(3)1.231019(1.211.25)1019均視為正確利用光電效應(yīng)規(guī)律解題應(yīng)明確的兩點(diǎn)(1)光電流光電效應(yīng)現(xiàn)象中光電流存在飽和值(對(duì)應(yīng)從陰極發(fā)射出的電子全部被拉向陽(yáng)極的狀態(tài))，光電流未達(dá)到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，還與光電管兩極間的電壓有關(guān)，只有在光電流達(dá)到飽和值以后才和入射光的強(qiáng)度成正比(2)兩個(gè)決定關(guān)系逸出功W一定時(shí)，入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應(yīng)以及光電子的最大初動(dòng)能入射光的頻率一定時(shí)，入射光的強(qiáng)度決定著單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的光電子數(shù)