1、13.1 波粒二象性3.1.1 能量量子化3.1.2 光的粒子性学习目标 核心提炼1.了解黑体辐射及能量子概念，知道黑体辐射的实验规律。2.了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法。3.知道光电效应方程及其意义，感受科学家在面对科学疑难时的创新精神。4.了解康普顿效应及其意义。2 个概念黑体辐射 能量子2 个实验规律黑体辐射 光电效应一、黑体与黑体辐射1.热辐射：我们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。2.黑体：指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。3.一般材料物体的辐射规律：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。4
2、.黑体辐射的实验规律：图 1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 1 所示。(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加。(2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。思考判断2(1)只有高温物体才能辐射电磁波。( )(2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。( )(3)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。( )答案 (1) (2) (3)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 的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值 叫作能量子。2.能量子大
3、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。思考判断(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。( )(2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。( )答案 (1) (2)三、光电效应的实验规律1.光电效应：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。2.光电子：光电效应中发射出来的电子。3.光电效应的实验规律(1)存在着饱和光电流：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
4、，单位时间内发射的光电子数越多。(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，从光照射到产生光电流的时间不超过 109 s。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)。思考判断(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( )(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。( )(3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。( )答案 (1) (2) (3)四、爱因斯坦的光子说与光电效应
5、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3的能量子组成的，频率为 的光的能量子为 h ，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： h Ek W0或 Ek h W0。(2)物理意义：金属中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。思考判断(1)“光子”就是“光电子”的简称。( )(2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。( )(3)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多。( )答案 (1) (2) (3)五、康普顿效应和光
6、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，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，深入揭示了光的粒子性的一面。4.光子的动量(1)表达式： p 。h(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，有些光子散射后波长变大。思考判断(1)光子的动量与波长成反比。( )(2)光子发生散射时，其动
7、量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。( )(3)光子发生散射后，其波长变大。( )答案 (1) (2) (3)黑体辐射的规律要点归纳1.一般物体与黑体的比较热辐射特点 吸收、反射特点一般 辐射电磁波的情况与温度、材料的种类 既吸收又反射，其能力与材料的种类及4物体 及表面状况有关 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2.随着温度的升高，黑体辐射的各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。精典示例例 1 (多选)黑体辐射的实验规律如图 2 所示，由图可知( )图 2A.随温度升高，各种波长的辐射强度都增加
8、B.随温度降低，各种波长的辐射强度都增加C.随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D.随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动解析 由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来。答案 ACD针对训练 1 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
9、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答案 C能量子的理解和计算要点归纳1.物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。2.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。3.能量子的能量 h ， ，其中 h 是普朗克常量， 是电磁波的频率。5精典示例例 2 人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为 530 nm 的绿光时，只要每秒钟有 6 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为 6.63103
10、4 Js，光速为3.0108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是( )A.2.31018 W B.3.81019 WC.7.01010 W D.1.21018 W解析 因只要每秒有 6 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。所以察觉到绿光所接收的最小功率 P ，式中 E6 ，又 h h ，可解得 PEt cW2.310 18 W。66.6310 34310853010 9答案 A针对训练 2 (多选)对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是( )A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍C.吸收的能量可以是连续的D.辐射和吸收的
11、能量是量子化的解析 带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值能量子 的整数倍或一份一份地辐射或吸收的，是不连续的。故选项 A、B、D 正确，C 错误。答案 ABD光电效应现象及其实验规律要点归纳1.光电效应的实质：光现象 电现象。 转 化 为 2.光电效应中的光包括不可见光和可见光。3.光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子。4.能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关。5.发生光电效应时，产生的光电子数与入射光的频率无关，与入射光的强度有关。6.光电效应与光的电磁理论的矛盾按光的电磁理论，应有：(1)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关。(2)不存在截止
12、频率，任何频率的光都能产生光电效应。(3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于 109 s。精典示例例 3 一验电器与锌板相连(如图 3 所示)，用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指6针保持一定偏角。图 3(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将_(填“增大” 、 “减小”或“不变”)。(2)使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转。那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针_(填“有”或“无”)偏转。解析 (1)当用紫外线灯照射锌板时，锌板发生光电效应，锌板放出光电子而带上正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，故指针
13、发生了偏转。当带负电的金属小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小。(2)使验电器指针回到零，用钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外线比黄光的频率还要低，更不可能使锌板发生光电效应。能否发生光电效应与入射光的强弱无关。答案 (1)减小 (2)无针对训练 3 (多选)如图 4 所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过。其原因可能是( )图 4A.入射光太弱 B.入射光波长太长C.光照时间太短 D.电源正、负极接反解析 金属存在截止频率，超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出。射出的光电
14、子的动能随频率的增大而增大，动能小时不能克服反向电压，也不会有光电流。入射光的频率低于截止频率，不能产生光电效应，与光照强弱无关，选项 B 正确，A 错误；电路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，选项 D 正确；光电效应的产生与光照时间无关，选项 C 错误。答案 BD光电效应方程的理解与应用要点归纳71.光电效应方程实质上是能量守恒方程(1)能量为 h 的光子被电子所吸收，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。(2)如果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，根据能量守恒
15、定律可知： Ek h W0。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 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。精典示例例 4 如图 5 所示，当开关 K 断开时，用光子能量为 2.5 eV 的一束光照射阴极 P，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于 0.6 V 时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于 0.6 V 时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为( )图 5A.1.9 eV B.0.6 eVC.2.5 eV D.3.1 eV解析 由题意知光电子的最大初动能为Ek eU
16、c0.6 eV所以根据光电效应方程 Ek h W0可得W0 h Ek(2.50.6)eV1.9 eV答案 A81.逸出功 W0对应着某一极限频率 c，即 W0 h c，只有入射光的频率 c时才有光电子逸出，即才能发生光电效应。2.对于某一金属( c一定)，入射光的频率决定着能否产生光电效应及光电子的最大初动能，而与入射光的强度无关。 针对训练 4 (多选)如图 6 所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能 Ek与入射光频率 的关系图象，由图象可知( )图 6A.该金属的逸出功等于 EB.该金属的逸出功等于 h cC.入射光的频率为 c时，产生的光电子的最大初动能为 ED.入射光的频率为 2
17、c时，产生的光电子的最大初动能为 2E解析 题中图象反映了光电子的最大初动能 Ek与入射光频率 的关系，根据爱因斯坦光电效应方程 Ek h W0，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率 c时，光电子的最大初动能 Ek0，此时有 h c W0，即该金属的逸出功等于 h c，选项 B 正确；根据图线的物理意义，有 W0 E，故选项 A 正确，C、D 错误。答案 AB1.能正确解释黑体辐射实验规律的是( )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解释D.牛顿提出的能量微粒说解析 根据黑体辐射的实验规律，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都增加；另一方面
18、，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意的解释，故选项 B 正确。答案 B2.(多选)关于普朗克“能量量子化”的假设，下列说法正确的是( )A.认为带电微粒辐射或吸收能量时，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9D.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吸收能量时，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。答案 AD3.关于光电效应，下列说法正确的是( )A.当入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应B.只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应C
19、.光电效应现象中存在极限频率，导致含有光电管的电路存在饱和电流D.入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多解析 光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率，与入射光的强度无关，饱和电流的大小与极限频率无关，与入射光的强度有关；入射光的光强一定时，频率越高，光子的能量值越大；入射光中的光子的数目越少，单位时间内逸出的光电子数就越少。答案 A4.分别用波长为 和 的单色光照射同一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为2312，以 h 表示普朗克常量， c 表示真空中的光速，则此金属板的逸出功为( )A. B. hc2 3hc2C. D.3hc4 2hc解析 根据光电效应方程
20、得 Ek1 h W0cEk2 h W0c23又 Ek22 Ek1联立得 W0 ，选项 A 正确。hc2答案 A101.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是( )解析 黑体辐射规律：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有所增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，A 图正确。答案 A2.某激光器能发射波长为 的激光，发射功率为 P， c 表示光速， h 为普朗克常量，则激光器每秒发射的光量子数为( )A. B. Phc hP cC. D.PhccPh解析 每个光量子的能量 h ，每秒钟发射的总能量为 P，则 n 。hc P Phc答案 A3
21、.(多选)光电效应实验的装置如图 1 所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法正确的是( )图 1A.用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B.用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转C.锌板带的是负电荷D.使验电器指针发生偏转的是正电荷解析 将擦得很亮的锌板连接验电器，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电。进一步研究表明锌板带正电，这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来，锌板中缺少电子，于是带正电，选项 A、D 正11确。红光不能使锌板发生光电效应。答案 AD4.某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长的
22、光的强度如图 2 所示。表中给出了一些材料的极限波长，用该光源发出的光照射表中材料( )图 2材料 钠 铜 铂极限波长(nm) 541 268 196A.仅钠能产生光电子 B.仅钠、铜能产生光电子C.仅铜、铂能产生光电子 D.都能产生光电子解析 当光的波长小于金属的极限波长时，被照射金属发生光电效应。又光源发出的光的波长约为 50 nm 到 450 nm 之间，故可使三种金属均发生光电效应，D 项正确。答案 D5.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图 3 所示。则可判断出( )图 3A.甲光的频率大于乙光的频率B.
23、乙光的波长大于丙光的波长C.乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能解析 该题考查了光电效应问题，应根据遏止电压判断频率。由 eUc mv2 h W 可知12 丙 甲 乙 ， 甲 乙 丙 ，所以选项 A、D 错误，B 正确；由于 h 0 W，所以选项 C 错误。答案 B6.用不同频率的紫外线分别照射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 变化的 Ek 图象。已知钨的逸出功是 3.28 eV，锌的逸出功是 3.24 eV，若将二者的图线画在同一个 Ek 坐标图中，用实线表示钨，虚线表示锌，则正确反12映这一过程的图是
24、( )解析 依据光电效应方程 Ek h W0可知， Ek 图线的斜率代表了普朗克常量 h，因此钨和锌的 Ek 图线应该平行。图线的横截距代表了极限频率 c，而 c ，因此钨的W0h c大些。故选项 B 正确。答案 B7.实验得到金属钙的光电子的最大初动能 Ekm与入射光频率 的关系如图 4 所示。下表中列出了几种金属的截止频率和逸出功，参照下表可以确定的是( )图 4金属 钨 钙 钠截止频率 0/1014 Hz 10.95 7.73 5.53逸出功 W0/eV 4.54 3.20 2.29A.如用金属钨做实验得到的 Ekm 图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大B.如用金属钠做实验得到的
25、Ekm 图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大C.如用金属钠做实验得到的 Ekm 图线也是一条直线，设其延长线与纵轴交点的坐标为(0， Ek2)，则 Ek2Ek1D.如用金属钨做实验，当入射光的频率 1时，可能会有光电子逸出解析 由光电效应方程 Ekm h W0可知 Ekm 图线是直线，且斜率相同，选项 A、B 错误；由表中所列的截止频率和逸出功数据可知选项 C 正确，D 错误。答案 C8.(多选)在图 5 甲所示的装置中，K 为一金属板，A 为金属电极，都密封在真空的玻璃管中，W 为由石英片封盖的窗口，单色光可通过石英片射到金属板 K 上， E 为输出电压可调的直流13电源，其负极与电极
26、 A 相连，A 是电流表，实验发现，当用某种频率的单色光照射 K 时，K会发出电子(光电效应)，这时，即使 A、K 之间的电压等于零，回路中也有电流。当 A 的电势低于 K 时，而且当 A 比 K 的电势低到某一值 Uc时，电流消失， Uc称为遏止电压，当改变照射光的频率 ，遏止电压 Uc也将随之改变，其关系如图乙所示，如果某次实验我们测出了画出这条图线所需的一系列数据，又知道了电子电量，则( )图 5A.可得该金属的极限频率B.可求得该金属的逸出功C.可求得普朗克常量D.可求得电子的质量E.电源按图示极性连接时，阴极 K 和阳极 A 之间所加的电压为正向电压解析 由题意结合光电效应方程可知图
27、象乙中当遏止电压 Uc0 时，入射光频率即极限频率，故选项 A 正确；当遏止电压 Uc0 时，入射光子的能量即等于逸出功，故选项 B 正确；图乙的斜率即普朗克常量与电子电量的比值，故选项 C 正确；电子质量不可求得，故选项D 错误；电源按图示极性连接时，阴极 K 和阳极 A 之间所加的电压为反向电压，选项 E 错误。答案 ABC9.A、 B 两种光子的能量之比为 21，它们都能使某种金属发生光电效应。且所产生的光电子最大初动能分别为 EA、 EB。求 A、 B 两种光子的动量之比和该金属的逸出功。解析 光子能量 h ，动量 p ，且 h c得 p ，则 pA pB21， cA 照射时，光电子的
28、最大初动能 EA A W0同理 EB B W0。又 A2 B，解得 W0 EA2 EB。答案 21 EA2 EB10.某广播电台发射功率为 10 kW 在空气中波长为 187.5 m 的电磁波。(1)求该电台每秒钟从天线发射多少个光子？(2)若发射的光子四面八方视为均匀的，试求在离天线 2.5 km 处，直径为 2 m 的环状天线每秒钟接收的光子个数以及接收功率。14解析 (1)每个光子的能量E h 6.6310 34 J1.0610 27 J。hc 3108187.5则每秒钟电台发射上述波长光子数 n0 10 31个。PtE(2)设环状天线每秒接收光子数为 n 个，以电台发射天线为球心，则半
29、径为 R 的球面积S4 R2，而环状天线的面积 S r2，所以， n n04.010 23； r24 R2接收功率 P 收 P 总 410 4 W。nn0答案 (1)10 31个 (2)4.010 23个 410 4 W11.用波长为 的光照射金属的表面，当遏止电压取某个值 Uc时，光电流便被截止；当光的波长改变为原波长的 后，已查明使电流截止的遏止电压必须增大到原值的 倍，试计1n算原入射光的波长 。(已知该金属的逸出功为 W0)解析 由爱因斯坦光电效应方程得光电子的初动能 Ek h W0又 Ek eUc联立得 eUc h W0eU c nh W0联立得( 1) eUc h (n1)又 c 得 。hc（ n 1）（ 1） eUc答案 hc（ n 1）（ 1） eUc
