《学霸笔记 同步精讲》第6章 波粒二象性 1.量子论初步　2.光电效应（课件）高中物理教科版选择性必修3

(共55张PPT)
1.量子论初步　2.光电效应
第六章
2026
课 标 定 位
1.知道热辐射、黑体和黑体辐射的概念,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。
素 养 阐 释
物理观念:热辐射、黑体与黑体辐射、辐射能谱密度、能量子、光电效应、截止频率、逸出功。
科学思维:根据图像总结规律。
科学探究:利用光电管探究光电效应的规律。
科学态度与责任:通过学习了解科学家认识光的本质的历程,体会科学家的科学探究精神。
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
自主预习·新知导学
一、热辐射、黑体与黑体辐射
1.热辐射:一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量,且辐射强度随波长的分布与物体的温度有关,这种辐射称为热辐射。
2.黑体与黑体辐射。
(1)黑体:如果某物体能够全部吸收外来的电磁波而不发生反射,这种物体就称为绝对黑体,简称黑体。
(2)黑体辐射:黑体向外辐射电磁波的现象叫黑体辐射。
(3)辐射能谱密度:辐射的电磁波在单位体积内、单位波长(或单位频率)区间内的电磁波能量叫作辐射能谱密度,单位是J/(m3·nm)或J/(m3·Hz)。
(4)黑体辐射的实验规律。
黑体辐射能量按波长分布的情况只与黑体的温度有关,如图所示。
①随着温度的升高,各种波长的辐射能谱密度都增加;
②随着温度的升高,辐射能谱密度的极大值向波长较短的方向移动。
二、量子论的诞生
1.能量子。
普朗克认为,带电谐振子的能量E只能是某一最小能量值hν的整数倍,这个不可再分的最小能量值hν叫作能量子。
2.能量子大小。
ε=hν,其中ν是谐振动的频率,h是一个常量,称为普朗克常量,通常取h=6.63×10-34 J·s。
3.能量子的意义。
标志着量子论的诞生。
三、光电效应及其规律
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称为光电子。
3.光电效应的实验规律。
(1)存在截止频率:对于给定的阴极材料,都存在一个发生光电效应所需的入射光的最小频率ν0 ,这个最小频率ν0叫作光电效应的截止频率。
(2)存在饱和电流:在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流趋于一个饱和值,称为饱和电流。光的强度越大,饱和光电流越大。
(3)存在最大初动能:光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系,与照射到阴极上的光的强度无关。
(4)光电效应具有瞬时性:光电效应几乎是瞬时(约10-9 s)发生的。
4.阅读教材P132叙述光的波动说在解释光电效应现象上遇到的挑战。
提示:根据光的波动理论,在发生光电效应时不可能是瞬时产生的,不可能存在截止频率,不可能存在最大初动能。这与光电效应规律相矛盾。
四、爱因斯坦的光电效应理论
1.光子。
爱因斯坦认为,光本身就是不连续的,而是由单个的能量子组成的,这些能量子称为光子。每个光的能量为ε=hν,ν为光子的频率,h为普朗克常量。
2.逸出功。
在光电效应中电子从金属表面逸出时所需做的功W,叫作逸出功(光电子逸出金属表面所需的能量的最小值)。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)热的物体向外辐射电磁波,冷的物体只吸收电磁波。(　　)
(2)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,与材料的种类及表面状况无关。(　　)
(3)只要光照强度足够大,金属一定产生光电效应。(　　)
(4)若入射光的频率比较小时,只要照射足够长的时间,也能够使金属产生光电效应。(　　)
√
×
×
×
(5)同一频率的光照射不同金属,如果都能产生光电效应,则逸出功越大的金属产生的光电子的最大初动能也越大。(　　)
(6)不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时,光电子的最大初动能相同。(　　)
(7)发生光电效应时,电路中饱和电流的大小取决于入射光的强度。(　　)
×
×
√
2.由能量量子化假说可知,能量是一份一份的,不是连续的,在宏观概念中,举一些我们周围不连续的实例。
提示:人的个数,自然数,汽车的数量等。
合作探究·释疑解惑
知识点一
对黑体及黑体辐射的理解
【问题引领】
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
提示:黑体辐射与温度有关。
【归纳提升】
1.对黑体的理解
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。
2.一般物体与黑体的比较
物体 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光波长等因素有关
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。
(1)热辐射不一定要高温,任何温度的物体都发出一定的热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。
(2)黑体是一个理想化的物理模型,实际不存在。
(3)黑体看上去不是一定是黑的,只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的;有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射,看起来还会很明亮,例如:炼钢炉口上的小孔。
【典型例题】
【例题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
解析:黑体自身辐射电磁波,不一定是黑的,A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,B错误,C正确;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此小孔成了一个黑体,而不是空腔,D错误。
【变式训练1】 普朗克在研究黑体辐射的基础上,提出了量子理论。下列关于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(　　)
答案:D
解析:黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量,温度越高,辐射越强,故A、C错误。黑体辐射的波长分布情况也随温度而变,如温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,在500 ℃以至更高的温度时,则顺次发射可见光以至紫外辐射。即温度越高,辐射的电磁波的波长越短,故B错误,D正确。
【问题引领】
知识点二
光电效应
当我们走到自动门附近时,在电子眼探测到我们到来时,门就会自动打开,这种传感器可以对光做出响应。当光的强度发生变化时,传感器产生的电流大小将发生改变,与相应的电路耦合,就可以触发将门打开,你知道其中的道理吗
提示:这种传感器代表了光电效应的一种应用。
【归纳提升】
1.光电效应的四个规律
(1)任何一种金属都有一个截止频率ν0,入射光的频率必须大于ν0,才能产生光电效应,与入射光的强度及照射时间无关。
(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只与入射光的频率有关。
(3)当产生光电效应时,单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关。
(4)光电效应的发生几乎是瞬时的,发生的时间一般不超过10-9 s。
2.光电效应中几个易混淆的概念
(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功,才具有最大初动能。光电子的初动能小于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ε=hν(ν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。
3.光电效应与经典电磁理论的矛盾
(1)矛盾之一:遏止电压由入射光频率决定,与光的强弱无关
在光电效应实验中,若在A、K间加上一反向电压,且此电压能刚好使电路中的光电流变为0,则此电压可称为遏止电压。按照光的经典电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压应与光的强弱有关,而实验表明:遏止电压由入射光的频率决定,与光强无关。
(2)矛盾之二:存在截止频率
按照光的经典电磁理论,不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够的能量从而逸出表面,不应存在截止频率。而实验表明:不同金属有不同的截止频率,入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。
(3)矛盾之三:具有瞬时性
按照光的经典电磁理论,如果光很弱,电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明:无论入射光怎样微弱,光电效应几乎是瞬时的。
【典型例题】
【例题2】 (多选)一束绿光照射某金属发生了光电效应,则下列说法正确的是(　　)
A.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子数增加
B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加
C.若改用紫光照射,则可能不会发生光电效应
D.若改用紫光照射,则逸出的光电子的最大初动能增加
答案:AD
解析:光电效应的规律表明:入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能的大小,当入射光频率增加时,产生的光电子最大初动能也增加,而照射光的强度增加,会使单位时间内逸出的光电子数增加,又知紫光频率高于绿光,故选项A、D正确。
入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能的大小,能否发生光电效应与入射光的强弱无关。
【变式训练2】 利用光电管研究光电效应实验的电路图如图所示,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,电流表不一定有电流通过
B.用红外线照射,电流表一定无电流通过
C.用频率为ν的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片移到最右端时,电流表一定无电流通过
D.用频率为ν的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片向左端移动时,电流表示数可能不变
答案:D
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,电流表一定有电流通过,选项A错误;因不知阴极K的极限频率,所以用红外线照射,可能发生光电效应,电流表可能有电流通过,选项B错误;由于发生了光电效应,即使A、K间的电压UAK=0时,电流表中也有电流通过,选项C错误;当滑动变阻器的滑片向左端移动时,阳极吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当所有光电子都到达阳极时,电流达到最大,即饱和电流,若在移动前,电流已经达到饱和电流,那么增大UAK,光电流不会增大,选项D正确。
【问题引领】
知识点三
爱因斯坦的光电效应方程
用光照射光电管且能产生光电效应时,如果给光电管加上反向电压,光电管中就没有电流了吗
提示:由于光电子具有一定的动能,当所加的电压较小时,光电管中仍然有电流,当电压大于等于遏止电压时,电路中无电流。
【归纳提升】
2.光电效应规律中的两条线索、两个关系
两条线索
(1)
(2)两个关系
光照强→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。
(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。
【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0.60 V时,电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.60 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
答案:A
光电子克服电场力做功,动能减少,电势能增加。
【变式训练3】 (多选)某金属在光的照射下,光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像如图所示,由图像可知(　　)
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hν0
C.入射光的频率为ν0时,产生的光电子的最大初动能为E
D.入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为2E
答案:AB
解析:题图反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系,根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W,可知当入射光的频率恰为该金属的截止频率ν0时,光电子的最大初动能Ek=0,此时有hν0=W,即该金属的逸出功等于hν0,选项B正确;根据图线的物理意义,有W=E,故选项A正确,C、D错误。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(能量量子化)对黑体辐射的研究中,我们发现,物质吸收或发射能量是不连续的,于是提出能量量子化的理论,那么这位科学家是(　　)
A.牛顿 B.开普勒
C.普朗克 D.阿基米德
答案:C
解析:普朗克提出能量量子化假设,故C正确,A、B、D错误。
2.(黑体辐射规律)“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点。它是根据黑体辐射规律设计出来的,能将接收到的人体热辐射转换成温度显示。若人体温度升高,则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情况是(　　)
A.I增大,λ增大 B.I增大,λ减小
C.I减小,λ增大 D.I减小,λ减小
答案:B
解析:根据黑体辐射实验的规律可知,随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度I都有增强,另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故若人体温度升高,则人体热辐射强度I增大,辐射强度极大值对应的波长λ减小,故B正确,A、C、D错误。
3.(光电效应规律)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。下列说法正确的是(　　)
A.保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和光电流变大
B.入射光的频率越高,光电子的最大初动能就越大,光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
C.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生
D.光电流的大小与入射光的光强无关
答案:A
4.(光电效应方程)(多选)在某次光电效应实验中,光电子的最大初动能Ek和入射光的频率ν的关系如图所示。该直线的斜率为k,横轴截距为ν0,则(　　)
A.所用材料的极限频率为ν0
B.斜率k的大小等于普朗克常量
C.最大初动能和入射光强度成正比
D.入射光频率为2ν0时,最大初动能为2kν0
答案:AB
解析:根据光电效应方程得Ek=hν-W=hν-hν0,知电子的最大初动能Ek与入射光频率ν不成正比,图线的斜率k表示普朗克常量,横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率,此时的频率等于金属的极限频率ν0,故A、B正确,C错误;入射光的频率为2ν0时,根据光电效应方程得光电子的最大初动能Ek=hν0,故D错误。
5.(光电效应方程)如图所示,阴极K用极限波长λ0=0.66 μm的金属铯制成,用波长λ=0.50 μm的绿光照射阴极K,调整两极板电压,当A板电压比阴极高2.5 V时,光电流达到饱和,电流表示数为0.64 μA。
(1)求每秒阴极发射的电子数和电子飞出阴极时的最大初动能。
(2)如果把照射到阴极的绿光光照强度增大为原来的2倍,求每秒钟阴极发射的电子数和电子飞出阴极时的最大初动能。
答案:(1)4.0×1012　9.6×10-20 J
(2)8.0×1012　9.6×10-20 J