(共36张PPT)
1.普朗克黑体辐射理论
2.光电效应
第四章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.认识黑体、黑体辐射、能量子。
2.了解光电效应及其实验规律,以及光电效应与电磁理论的矛盾。
3.知道爱因斯坦光电效应方程及其应用。
通过黑体辐射以及光电效应的学习,树立量子化的物理观念,培养科学思维意识和科学探究精神。
自主预习 新知导学
一、黑体与黑体辐射
1.黑体: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:黑体虽然不反射电磁波,却可以向外辐射电磁波,这样的辐射叫作黑体辐射。
3.黑体辐射的实验规律:
(1)随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有 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。
(3)很多地方用红外热像仪监测人的体温,只要被测者从仪器前走过,便可知道他的体温是多少,你知道其中的道理吗
答案：根据热辐射规律可知,人的体温的高低,直接决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情况就能知道这个人的体温。
二、能量子
1.概念:组成黑体的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 。这个不可再分的最小能量值ε叫作 能量子 。
2.能量子的表达式:ε= hν 。其中ν是带电微粒的振动频率,h称为普朗克常量。一般取h=6.63×10-34 J·s。
3.能量的量子化:微观粒子的能量是 量子化 的,或者说微观粒子的能量是 分立 的。
三、光电效应
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。这个现象称为光电效应,这种电子常称为 光电子 。
2.光电效应的实验规律:
(1)存在截止频率:入射光的频率低于截止频率时 不能 (选填“能”或“不能”)发生光电效应。
(2)存在饱和电流:在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流 越大 。
(3)存在遏止电压:使光电流减小到0 的反向电压 Uc称为遏止电压。
(4)光电效应具有 瞬时 性:光电效应几乎是瞬时发生的。
(5)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱是否有关
答案：光电效应的发生只与入射光的频率有关,与入射光的强弱无关。
四、光电效应经典解释中的疑难
1.逸出功:要使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的 最小 值叫作这种金属的逸出功,用W0表示。不同金属的逸出功的大小 不相同 。
2.光电效应中的一些重要现象无法用 经典电磁理论 解释。
五、爱因斯坦的光电效应理论
1.光子:认为光本身就是由一个个不可分割的 能量子 组成的,频率为ν的光的能量子为 hν ,其中,h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。
2.爱因斯坦光电效应方程: Ek=hν-W0 。
六、康普顿效应和光子的动量
1.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λ0相同的成分外,还有波长 大于 λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。
2.光子的动量: 。
七、光的波粒二象性
光既具有 波动性 ,又具有 粒子性 。换句话说,光具有波粒二象性。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。( )
(2)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。( )
(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)“光子”就是“光电子”的简称。( )
(6)逸出功的大小与入射光无关。( )
(7)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。( )
(8)光子的动量与波长成反比。( )
√
√
√
√
×
×
×
×
2.有经验的炼钢工人,通过观察炼钢炉内的颜色,就可以估计出炉内的大体温度,这是根据什么道理
答案：黑体辐射与温度有关。
3.不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时,光电子的初动能是否相同
答案：由于同一金属的逸出功相同,而不同频率的光的光子能量不同,由光电效应方程可知,发生光电效应时,逸出的光电子的初动能是不同的。
合作探究 释疑解惑
知识点一
普朗克黑体辐射理论
【问题引领】
1.黑体是指黑颜色的物体吗
2.为了得出同实验相符的黑体辐射公式,普朗克提出了什么样的观点
提示：1.黑体不是指黑颜色的物体,是指能完全吸收电磁波的物体。
2.普朗克提出了量子化的观点。量子化是微观世界的基本特点,指物理量的值是不连续的。
【归纳提升】
1.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
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。
2.能量子的有关问题
对能量子的理解:物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的,谐振子的能量是不连续的,只能是hν的整数倍。
【典型例题】
【例题1】 (多选)黑体辐射的实验规律如图所示,由图可知( )
A.随温度升高,各种波长的辐射强度都增加
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,故A、C、D正确,B错误。
ACD
科学思维 (1)随着温度的升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
(2)能量子假说的意义:可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象。
【变式训练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情况只与温度有关
C.一般物体辐射电磁波的情况只与材料有关
D.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
解析：根据热辐射定义知A对。根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料种类和表面状况有关,而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关,B、C错,D对。
AD
【问题引领】
知识点二
光电效应的实验规律
1.发生光电效应一定要用不可见光吗
2.在光电效应中,只要光强足够大,就能发生光电效应吗
提示：1.不一定。发生光电效应的照射光,可以是可见光,也可以是不可见光,只要入射光的频率大于截止频率就可以了。
2.不是。能不能发生光电效应由入射光的频率决定,与入射光的强弱无关。
【归纳提升】
1.当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。截止频率与金属自身的性质有关。能不能发生光电效应由入射光的频率决定,与入射光的强弱无关。
2.在光的频率不变的情况下,入射光越强, 饱和电流越大。对于一定频率(颜色)的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。
3.使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。对于同一种金属,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。
4.光电效应具有瞬时性。当频率超过截止频率νc时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会立即产生光电流。
【典型例题】
【例题2】 (多选)利用光电管研究光电效应的实验如图所示,用频率为ν的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( )
A.用紫外线照射,电流表中一定有电流通过
B.用红光照射,电流表中一定无电流通过
C.用红外线照射,电流表中可能有电流通过
D.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器
的滑片移到A端时,电流表中一定无电流通过
解析：因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,选项A正确。因不知阴极K的截止频率,所以用红光照射时,也可能发生光电效应,所以选项B错误,选项C正确。即使UAK=0,电流表中也可能有电流通过,所以选项D错误。
AC
科学思维 关于光电效应的两点提醒
(1)发生光电效应时需满足:照射光的频率大于金属的截止频率,即ν>νc,或光子的能量ε>W0。
(2)光电子的最大初动能只与照射光的频率及金属的逸出功有关,而与照射光的强弱无关,光的强弱决定了逸出光电子数目的多少。
【变式训练2】 (多选)如图所示,电路中所有元件完好,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( )
A.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,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。入射光的频率太低,即波长太长,不能产生光电效应,与入射光的强弱无关,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,若该电压超过遏止电压,也没有光电流产生,D正确。光电效应的产生与光照时间无关,C错误。
BD
【问题引领】
知识点三
爱因斯坦的光电效应理论 康普顿效应
研究光电效应规律的电路如图所示。
1.闭合开关S后,滑动变阻器滑片逐渐向右滑动的
过程中,电压表和电流表的示数如何变化
2.闭合开关S后,若保持入射光的频率不变,光强度
增大,则电流表示数如何变化
提示：1.电压表示数增大,电流表的示数若没有达
到饱和电流则增大,若达到饱和电流,则不发生变化。
2.增大。
【归纳提升】
1.光电效应方程Ek=hν-W0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的大小可以是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
能量为E=hν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束缚,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。若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,根据能量守恒定律可知:Ek=hν-W0。
3.Ek-ν曲线:光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线如图所示。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。
4.光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关,p= 。
画龙点睛 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Ek=hν-W0>0,亦即 恰好是光电效应的截止频率。
【典型例题】
【例题3】 如图所示,当开关S断开时,用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K,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( )
A.1.9 eV B.0.6 eV
C.2.5 eV D.3.1 eV
解析：由题意知光电子的最大初动能为
Ek=eUc=0.6 eV
所以根据光电效应方程Ek=hν-W0可得
W0=hν-Ek=(2.5-0.6) eV=1.9 eV。
A
科学思维 利用光电效应规律解题应明确的两点
(1)光电流:光电效应现象中光电流存在饱和值(对应从阴极发射出的电子全部被阳极吸收),光电流未达到饱和值之前,其大小不仅与入射光的强弱有关,还与光电管两极间的电压有关。
(2)两个决定关系:逸出功W0一定时,入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能;入射光的频率一定时,入射光的强弱决定着单位时间内发射出来的光电子数。
【变式训练3】 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ν的关系如图所示。若该直线的斜率和纵截距分别为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 。
答案：ek –eb
解析：光电效应中,入射光子能量hν,克服逸出功W0后多余的能量转换为电子的动能,由eUc=hν-W0,整理得 ,所以普朗克常量h=ek,纵截距为b,即eb=-W0,所以逸出功W0=-eb。
课堂小结
随堂练习
1.(黑体辐射的规律)黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是( )
A.温度
B.材料
C.表面状况
D.以上都正确
解析：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,A正确。
A
2.(光电效应的规律)关于光电效应现象,下列说法正确的是( )
A.只有入射光的波长大于该金属的极限波长,光电效应才能发生
B.入射光越强,光电子的最大初动能越大
C.发生光电效应需要经过一段时间
D.保持入射光频率不变,发生光电效应时,入射光越强,单位时间内从金属内逸出的光电子数越多
解析：由ε=hν=h 知,当入射光波长大于极限波长时,不能发生光电效应,A错误。由Ek=hν-W0知,最大初动能与入射光频率有关,与入射光的强弱无关,B错误。光电效应几乎是瞬时发生的,C错误。对于一定频率的光,发生光电效应时,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。
D
3.(爱因斯坦光电效应方程的应用)下图是光电效应中光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像。从图中可知( )
A.Ek与ν成正比
B.入射光频率必须小于截止频率νc时,才能产生光电效应
C.对同一种金属而言,Ek仅与ν有关
D.Ek与入射光的强弱有关
解析：由Ek=hν-W0知,C正确,A、B、D错误。
C
本 课 结 束1.普朗克黑体辐射理论
2.光电效应
课后训练 巩固提升
基础巩固
1.关于热辐射的认识,下列说法正确的是( )
A.热的物体向外辐射电磁波,冷的物体只吸收电磁波
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情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
答案：B
解析：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。对于一般材料的物体,辐射强度按波长的分布除与物体的温度有关外,还与材料的种类和表面状况有关。常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色。
2.普朗克在1900年将“能量子”引入物理学,开创了物理学的新纪元。在下列宏观概念中,具有“量子化”特征的是( )
A.人的个数
B.物体所受的重力
C.物体的动能
D.物体的长度
答案：A
解析：依据普朗克量子化观点,能量是不连续的,是一份一份的变化的,属于“不连续的,一份一份”的概念的是A选项,故A正确,B、C、D错误。
3.已知某种单色光的波长为λ,在真空中光速为c,普朗克常量为h,则电磁波辐射的能量子ε的值为( )
A.h
B.
C.
D.以上均不正确
答案：A
解析：由波速公式c=λν可得ν=,由光的能量子公式得ε=hν=h,故选项A正确。
4.如图所示,用一定频率的单色光照射光电管时,电流表指针会发生偏转,则( )
A.电源右端应为正极
B.流过电流表G的电流大小取决于入射光的频率
C.流过电流表G的电流方向是由a到b
D.普朗克解释了光电效应并提出光子能量ε=hν
答案：C
解析：发生光电效应时,电子从光电管右端运动到左端,电流的方向与电子定向移动的方向相反,所以流过电流表G的电流方向是由a到b;此时电源左端为正极,故A错误,C正确。流过电流表G的电流大小取决于入射光的强度,与入射光的频率无关,故B错误。爱因斯坦解释了光电效应并提出光子能量ε=hν,故D错误。
5.(多选)已知能使某金属产生光电效应的截止频率为νc,则( )
A.当用频率为2νc的单色光照射该金属时,一定能产生光电子
B.当用频率为2νc的单色光照射该金属时,所产生的光电子的最大初动能为hνc
C.当入射光的频率ν大于νc时,若ν增大,则逸出功增大
D.当入射光的频率ν大于νc时,若ν增大一倍,则光电子的最大初动能也增大一倍
答案：AB
解析：因入射光的频率大于或等于截止频率时会产生光电效应,所以A正确。因为金属的截止频率为νc,所以逸出功W0=hνc,再由Ek=hν-W0得,Ek=2hνc-hνc=hνc,B正确。逸出功是光电子恰好逸出时需要做的功,对于同种金属是恒定的,故C错误。由Ek=hν-W0=hν-hνc=h(ν-νc)可得,当ν增大一倍时,≠2,故D错误。
6.分别用波长为λ和λ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1∶2,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.
C.
D.
答案：A
解析：根据光电效应方程得
Ek1=h-W0 ①
Ek2=h-W0 ②
又Ek2=2Ek1 ③
联立①②③得W0=,A正确。
7.频率为ν的光照射到一种金属表面上,有电子从金属表面逸出,当所加反向电压U的大小增大到3 V时,光电流刚好减小为0。已知这种金属的截止频率为νc=6.00×1014 Hz,电子电荷量e=1.60×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。求入射光的频率。
答案：1.32×1015 Hz
解析：光电子的最大初动能Ek=eUc ①
由爱因斯坦光电效应方程有 Ek=hν-hνc ②
联立①②得 ν=+νc=1.32×1015 Hz。
能力提升
1.关于黑体及黑体辐射,下列说法正确的是( )
A.黑体是真实存在的
B.普朗克引入能量子的概念,得出黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合得非常好,并由此开创了物理学的新纪元
C.随着温度升高,黑体辐射的各波长的强度有些会增强,有些会减弱
D.黑体辐射无任何实验依据
答案：B
解析：黑体并不是真实存在的,故A错误。普朗克引入能量子的概念,得出黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合得非常好,并由此开创了物理学的新纪元,故B正确。随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加,故C错误。黑体辐射是有实验依据的,故D错误。
2.入射光照射到某金属表面上发生光电效应,若入射光减弱,而频率保持不变,那么( )
A.从光照到金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
B.逸出的光电子的最大初动能将减小
C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数将减少
D.有可能不发生光电效应
答案：C
解析：发生光电效应几乎是瞬间的,所以A错误。入射光的频率不变,则逸出的光电子的最大初动能也就不变,B错误。入射光减弱,说明单位时间内入射光子数减少,则单位时间内从金属表面逸出的光电子数也减少,C正确。入射光照射到某金属上发生光电效应,说明入射光频率大于这种金属的截止频率,即使入射光减弱,也一定能发生光电效应,D错误。
3.下图为一真空光电管的应用电路,关于电路中光电流的饱和值,下列说法正确的是( )
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弱
C.发生光电效应时,电路中光电流的饱和值取决于光电管所加的正向电压的大小
D.发生光电效应时,电路中光电流的饱和值取决于入射光的光照时间
答案：B
解析：在光电管中若发生了光电效应,单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强弱有关,光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关,故B正确,A、C、D错误。
4.铝的逸出功为4.2 eV,现用波长200 nm的光照射铝的表面。已知h=6.63×10-34 J·s,求:
(1)光电子的最大初动能;
(2)遏止电压;
(3)铝的截止频率。
答案：(1)3.225×10-19 J
(2)2.016 V
(3)1.014×1015 Hz
解析：(1)根据光电效应方程Ek=hν-W0有
Ek=-W0= J-4.2×1.6×10-19 J=3.225×10-19 J。
(2)由Ek=eUc可得 Uc= V=2.016 V。
(3)由hνc=W0得 νc= Hz=1.014×1015 Hz。
5.如图所示,一光电管的阴极用极限波长λ0=500 nm的钠制成。用波长λ=300 nm的紫外线照射阴极,光电管阳极A和阴极K之间的电势差U=2.1 V,饱和光电流的值(当阴极K发射的电子全部到达阳极A时,电路中的电流达到最大值,称为饱和光电流)I=0.56 μA。普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,真空中光速c=3.0×108 m/s,电子电荷量的绝对值e=1.6×10-19 C,结果均保留两位有效数字。
(1)求每秒由K极发射的光电子数目。
(2)求电子到达A极时的最大动能。
(3)如果电势差U不变,而照射光增强到原来的3倍,求此时电子到达A极的最大动能。
答案：(1)3.5×1012
(2)6.0×10-19 J
(3)6.0×10-19 J
解析：(1)每秒发射的光电子数n==3.5×1012。
(2)由光电效应方程可知Ek=hν-W0=h-h=hc
在A、K间加电压U时,电子到达阳极时的最大动能为
Ekm=Ek+eU=hc+eU=6.0×10-19 J。
(3)根据光电效应规律,光电子的最大初动能与入射光的强弱无关。如果电压U不变,则电子到达A极的最大动能不会变,仍为6.0×10-19 J。
