1、第 1 节能量量子化 第 2 节光的粒子性1.知道黑体、热辐射和黑体辐射的概念，了解黑体辐射的实验规律 2.了解普朗克提出的量子假说 3.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律 4.理解爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题 5.了解康普顿效应及其意义一、能量量子化1热辐射(1)定义：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的 温度有关，所以叫热辐射(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度不同而有所不同2黑体与黑体辐射实验规律(1)黑体：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体(2)黑体辐射的实验规
2、律对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况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随着温度的升高，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3能量子(1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的整数倍这个不可再分的最小能量值 叫做能量子(2)能量子大小：h ，其中 是电磁波的频率，h 称为普朗克常量h6.62610 34 Js(一般取 h6.6310 34 Js)(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这种现象叫能量的量子化二、光电效应
3、1光电效应(1)定义：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象，叫做光电效应逸出的电子叫光电子(2)实验规律存在着饱和电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多存在着遏止电压和截止频率：使光电流减小到 0 的反向电压 Uc 称为遏止电压光电子的能量只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发生光电效应光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到金属到产生电流的时间不超过 109 s.(3)逸出功：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2爱因斯坦的光电
4、效应方程(1)光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为 的光的能量子为 h(2)爱因斯坦光电效应方程表达式：hE kW 0 或 EkhW 0.物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 h，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.三、康普顿效应和光子的动量1光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变的现象2康普顿效应：康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时，发现在散射的 X 射线中，除了与入射波长 0 相同的成分外，还有波长大于 0 的成分，这个现象称为康
5、普顿效应3康普顿效应的意义：深入地揭示了光的粒子性的一面，表明光子除了具有能量之外还具有动量4光子的动量：p ，其中 h 为普朗克常量， 为光的波长h判一判 (1)黑体辐射电磁波的强度按波长分布，只与黑体的温度有关 ( )(2)普朗克有关能量子的假说认为微观粒子的能量是分立的( )(3)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应( )(4)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关( )(5)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的( )提示：(1) (2) (3) (4) (5)做一做 (多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看做黑体，由小孔的热辐射特征，就可以确定炉内的
6、温度如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象，则下列说法正确的是( )AT 1T2BT 1T2，本题正确选项为 A、D 想一想 康普顿效应说明了什么？为什么说康普顿效应反映了光子具有动量？提示：康普顿效应说明了光的粒子性解释光子波长变化的问题时运用了能量守恒定律和动量守恒定律，理论与实验符合很好对黑体与黑体辐射的理解1对黑体的理解(1)绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替如图所示，如果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吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体(2)黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看
7、上去才是黑的；有些可看做黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔一些发光的物体( 如太阳、白炽灯灯丝 )也被当做黑体来处理2一般物体与黑体的比较热辐射特点 吸收、反射特点一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关既吸收又反射，其能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吸收各种入射电磁波，不反射3.黑体辐射的实验规律(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值(2)随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加；辐射强度的极大值向波长较短的方向移动如图所示下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图
8、象中，符合黑体辐射实验规律的是( )解析 根据黑体辐射的实验规律：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加 ，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，可知选项 A 正确答案 A1.关于对黑体的认识，下列说法正确的是( )A黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的B黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关C黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关D如果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经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体解析：选 C黑体自身辐射电磁波 ，不一定是黑的，故选项 A
9、错误；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，故选项 B 错误，选项 C 正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔，故选项 D 错误对光电效应现象的理解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射时发射出来的电子，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：光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，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；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做
10、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 h( 为光子的频率) ，其大小由光的频率决定入射光的强度指单位时间内照射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与单位面积上入射光子数的乘积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，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关(多选)(2017衡水高二检测)对光电效应的理解正确的是( )A金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动
11、能足够大时，就能逸出金属B如果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，入射光的最低频率也不同解析 按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定 ，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，电子必须具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，且一个电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象；电子
12、从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小综上所述，选项 B、 D 正确答案 BD对光电效应现象的理解光电效应实验规律可理解记忆：“放(出光电子) 不放，比频率；若能放 ，瞬时放；放多少( 光电子) ， 看光强；( 光电子的) 最大初动能，看(入射光的)频率 ” 2.如图所示为一光电管电路，滑动变阻器滑动触头 P 位于 AB 上某点，用光照射光电管阴极，电表无偏转，要使电表指针偏转，可采取的措施有( )A加大照射光强度 B换用波长短的光照射C将 P 向 B 滑动 D将电源正负极对调解析：选 B由光电管电路图可知阴极 K 电势低，阳极 A 电势高，如果 K 极有电子飞出
13、，则它受到的电场力必向左，即将向左加速，然而现在 G 中电表指针无偏转，说明没有发生光电效应，这仅能说明照射光频率太低这与光强外加电压的大小及方向均无关可见要使指针发生偏转需增大照射光频率，即缩短照射光的波长故选 B对光电效应方程的理解和应用1对光电效应方程 Ekh W 0 的理解(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 0E k 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能量为 h 的光子被电子吸收，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如果克服吸引力做功最少为 W0，则电子离开金属
14、表面时动能最大为 Ek，根据能量守恒定律可知：E kh W 0.(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须大于零，即 EkhW 00，亦即hW0， c，而 c 恰好是光电效应的截止频率W0h W0h2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发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3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能力(1)最大初动能与
15、入射光频率的关系该图象对应的函数式 Ekh W 0，图象与横轴的交点坐标为极限频率，图象是平行的是因为图线的斜率就是普朗克常量(2)光电流与电压的关系图象从图象可看出同种光照射同种金属板对应的反向遏止电压相同而饱和光电流强度随入射光强度增大而增大；从图象可知，对于同种金属，入射光的频率越高，反向遏止电压越大(3)反向遏止电压与入射光频率的关系该图象的对应函数式为 Uc ，故从图象可以直接读出金属的极限频率，由极限h W0e频率可算出普朗克常量，由纵轴截距可推算出金属的逸出功命题视角 1 对光电效应方程的理解如图所示装置，阴极 K 用极限波长为 00.66 m 的金属制成若闭合开关S，用波长为
16、0.50 m 的绿光照射阴极，调整两个极板间的电压，使电流表的示数最大为 0.64 A(1)求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能(2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的 2 倍，求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能思路点拨 饱和电流的值 I 与每秒内阴极发射的电子数的关系是 Ine.电子从阴极 K飞出的最大初动能 Ekh W 0，电子从阴极 K 飞向阳极 A 时，还会被电场加速，使其动能进一步增大解析 (1)当阴极发射的光电子全部到达阳极时，光电流达到饱和由电流可知每秒到达阳极的电子数，即阴极每秒发射的光电子个数n 个4.010 12个Imte 0.64
17、10 611.610 19根据光电效应方程，光电子的最大初动能为Ekh W0h hc c0代入数据可得 Ek9.610 20 J.(2)如果照射光的频率不变，光强加倍，则每秒发射的光电子数加倍 ，饱和光电流增大为原来的 2 倍根据光电效应实验规律可得阴极每秒发射的光电子个数n2n8.010 12个光电子的最大初动能仍然为Ekh W09.610 20 J.答案 (1)4.010 12 个 9.610 20 J (2)8.010 12 个 9.6 1020 J命题视角 2 光电效应中图象问题的求解(多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能 Ek 与入射光
18、的频率 的关系如图所示，由实验图线可求出( )A该金属的极限频率和极限波长B普朗克常量C该金属的逸出功D单位时间内逸出的光电子数解析 依据光电效应方程 Ekh W 0可知，当 Ek0 时， 0，即图象中横坐标的截距在数值上等于金属的极限频率图线的斜率 k .可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量Ek 0根据图象，假设图线的延长线与 Ek轴的交点为 C，其截距大小为 W0，有 k .W00而 kh，所以，W 0h 0.即图象中纵坐标轴的截距在数值上等于金属的逸出功答案 ABC(1)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关(2)光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系(3)
19、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能力 3.(2015高考全国卷) 在某次光电效应实验中，得到的遏止电压 Uc 与入射光的频率 的关系如图所示若该直线的斜率和截距分别为 k 和 b，电子电荷量的绝对值为 e，则普朗克常量可表示为_，所用材料的逸出功可表示为_解析：根据光电效应方程 EkmhW 0及 EkmeU c得 Uc ，he W0e故 k，b ，得 hek，W 0eb .he W0e答案：ek eb对康普顿效应的理解1假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦的光子说，一个光子不仅具有能量Eh，而且还
20、有动量如图所示这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由 h 减小为 h，因此频率减小，波长增大同时，光子还使电子获得一定的动量这样就圆满地解释了康普顿效应2康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子假设光子与电子碰撞前的波长为 ，碰撞后的波长为 ，则碰撞过程中( )A能量守恒，动量守恒，且 B能量不守恒，动量不守恒，且 C能量守恒，动量守恒，且 思路点拨 对康普顿现象的理解，可以类比实物粒子的弹性碰撞解析 能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适
21、用于微观世界光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律光子与电子碰撞前光子的能量 hh ，当c光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量 hh ，由 ，可c知 ， 选项 C 正确答案 C光子不仅具有能量 Eh ，而且还具有动量，光子与物质中的微粒碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律 4.白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了 1927 年的诺贝尔物理学奖假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比( )A频率变大 B速度变小C光子能量变大 D波长变长解析：选 D光子与电子碰撞时，遵守动量守恒定律和能量守恒定律，自由电子被碰前静止，被碰后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小故选项 D 正确
