第1、2节+能量量子化+光的粒子性+ 学案 Word版含答案

第1、2节能量量子化__光的粒子性
1.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。黑体辐射电磁波的强度只与黑体的温度有关。
2．能量子：不可再分的最小能量值ε，ε＝hν。
3．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，叫光电效应。爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。
4．光电效应现象和康普顿效应均说明了光具有粒子性。
一、热辐射
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。
2．一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。
二、黑体
1．定义
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。
2．辐射的实验规律
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。
三、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ε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ε叫做能量子。
2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。
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。
四、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，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：光电效应几乎是瞬间发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过10－9 s。
4．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。不同金属的逸出功不同。
五、爱因斯坦的光子说与光电效应方程
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，频率为ν的光的能量子为hν，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：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν—W0。
(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，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。
1．自主思考——判一判
(1)黑体一定是黑色的。(×)
(2)热辐射只能产生于高温物体。(×)
(3)能产生光电效应的光必定是可见光。(×)
(4)经典物理学理论不能合理解释康普顿效应。(√)
(5)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(√)
(6)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。(√)
2．合作探究——议一议
(1)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是否相同？
提示：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，逸出的光电子的最大初动能是不同的。
(2)太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？
提示：在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播。
对黑体和黑体辐射的理解
1．黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况，但如果做一个闭合的空腔，在空腔表面开一个小孔，小孔就可以模拟一个黑体，如图所示。这是因为从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从空腔射出。
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，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。
3．黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关。
4．一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点
热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。
热辐射特点
吸收、反射的特点
一般
物体
辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、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的波长等因素有关
黑体
辐射电磁波的强弱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
1．[多选]对黑体的认识，下列说法正确的是(　　)
A．黑体只吸收电磁波，不辐射电磁波
B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及其表面状况无关
C．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
D．黑体是一种理想化模型，实际物体没有绝对黑体
解析：选BD　黑体不仅吸收电磁波，而且也向外辐射电磁波，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，与材料的种类及其表面状况无关，B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，而空腔不是黑体，C错误；任何物体都会反射电磁波，只吸收不反射电磁波的物体实际是不存在的，故黑体是一种理想化的模型，D正确。
2．[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：选ACD　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。
光电效应中的五组概念
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．光电子的初动能与光电子的最大初动能
(1)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。
(2)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
光子的能量即一个光子的能量，其值为ε＝hν(ν为光子的频率)，可见光子的能量由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到单位面积上的总能量，等于光子能量hν与入射光子数n的乘积，即光强等于nhν。
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。
5．光的强度与饱和光电流
饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。
[典例]　[多选]在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应。下列说法正确的是(　　)
A．增大入射光的强度，光电流增大
B．减小入射光的强度，光电效应现象消失
C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应
D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大
[思路点拨]　
(1)入射光的频率必须大于金属的极限频率才能发生光电效应。
(2)当发生光电效应时，入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大。
[解析]　增大入射光的强度，单位时间内照射到单位面积上的光子数增加，光电流增大，A项正确。减小入射光的强度，只是光电流减小，光电效应现象是否消失与光的频率有关，而与光的强度无关，B项错误。改用频率小于ν的光照射，但只要光的频率大于极限频率ν0仍然可以发生光电效应，C项错误。由爱因斯坦光电效应方程hν－W逸＝mv2得：光频率ν增大，而W逸不变，故光电子的最大初动能变大，D项正确。
[答案]　AD
对光电效应问题的三点提醒
(1)能否发生光电效应与入射光的频率有关。
(2)饱和光电流的大小与入射光的强度有关。
(3)光电子的最大初动能与入射光的频率及金属逸出功有关。　　　　
1．[多选]光电效应实验的装置如图所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下面说法中正确的是(　　)
A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转
B．用绿色光照射锌板，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：选AD　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，A、D选项正确。绿光不一定能使锌板发生光电效应。
2．某激光器能发射波长为λ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．
C. D．λPhc
解析：选A　每个光量子的能量ε＝hν＝，每秒钟发射的总能量为P，则n＝＝。
3．入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减小，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
解析：选C　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；入射光强度减弱，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极限频率，即使入射光的强度减小，也一定能发生光电效应，D错误。
光电效应方程及其应用
1．光电效应方程Ek＝hν－W0的四点理解
(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。
①能量为ε＝hν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。
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，根据能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0。
(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Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率。
(4)Ek-ν曲线。如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线。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。
2．光电效应的研究思路
(1)两条线索：
(2)两条对应关系：
→→→
→→
(3)三点提醒：
①能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。
②光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。
③逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。
[典例]　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I＝0.56 μA。
(1)求每秒内由K极发射的光电子数；
(2)求光电子到达A极时的最大动能；
(3)如果电势差U不变，而照射光的强度增加到原值的三倍，此时光电子到达A极时最大动能是多大？(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)
[思路点拨]　
(1)光电管阴极的逸出功W与极限波长λ0的关系为W＝。
(2)每秒内由K极发射的电子全部参与导电时对应饱和光电流。
(3)光电子的最大初动能大小与入射光的强度大小无关。
[解析]　(1)每秒内由K极发射的光电子数
n＝＝个＝3.5×1012个。
(2)由光电效应方程可知
Ek0＝hν－W0＝h－h＝hc
在A、K间加电压U时，光电子到达阳极时的动能
Ek＝Ek0＋eU＝hc＋eU
代入数值，得Ek＝6.012×10－19 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度无关，如果电势差U不变，则光电子到达A极的最大动能不变，Ek＝6.012×10－19 J。
[答案]　(1)3.5×1012个　(2)6.012×10－19 J
(3)6.012×10－19 J
1．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ν的变化而变化的Ek-ν图像，如图所示。已知钨的逸出功是3.28 eV，锌的逸出功是3.34 eV，若将两者的图像分别用实线与虚线画在同一个Ek-ν图上，则下图中正确的是(　　)
解析：选A　根据光电效应方程Ek＝hν－W可知，Ek-ν图像的斜率为普朗克常量h，因此题图中两线应平行，故C、D错；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子动能为零)时的入射光频率，即截止频率，由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的入射光的频率越高，所以能使金属锌发生光电效应的截止频率较高，所以A对，B错。
2．[多选](2017·全国卷Ⅲ)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是(　　)
A．若νa>νb，则一定有UaB．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb
C．若UaD．若νa>νb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb
解析：选BC　设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又Ek＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，A项错误；又有hν－Ek＝W，W相同，则D项错误。
1．很多地方用红外线热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走，便可知道他的体温是多少，关于其原理，下列说法正确的是(　　)
A．人的体温会影响周围空气温度，仪器通过测量空气温度便可知道人的体温
B．仪器发出的红外线遇人反射，反射情况与被测者的温度有关
C．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较短波长的成分强
D．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较长波长的成分强
解析：选C　根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，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，人的体温的高低，直接决定了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，就可知道这个人的体温，故C正确，A、B、D错误。
2．[多选]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(　　)
A．普朗克常量可表示为
B．若更换材料再实验，得到的图线的k不改变，b改变
C．所用材料的逸出功可表示为eb
D．b由入射光决定，与所用材料无关
解析：选BC　根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，以及Ekm＝eUc得：Uc＝－，图线的斜率k＝，解得普朗克常量h＝ke，故A错误；纵轴截距的绝对值b＝，解得逸出功W0＝eb，故C正确；b等于逸出功与电荷电量的比值，而逸出功与材料有关，则b与材料有关，故D错误；更换材料再实验，由于逸出功变化，可知图线的斜率不变，纵轴截距改变，故B正确。
3．两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，第一束光在某段时间内打在物体上的光子数与第二束光在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4，则这两束光的光子能量和波长之比分别为(　　)
A．4∶5　4∶5　　　　　 　B．5∶4　4∶5
C．5∶4　5∶4 D．4∶5　5∶4
解析：选D　两束能量相同的色光，都垂直地照射到物体表面，在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4，根据E＝NE0可得光子能量之比为4∶5，再根据E0＝hν＝h，光子能量与波长成反比，故光子波长之比为5∶4。故D正确。
4．人眼对绿光最为敏感，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6.63×10－34 J·s，光速为3.0×108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是(　　)
A．2.3×10－18 W B．3.8×10－19 W
C．7.0×10－10 W D．1.2×10－18 W
解析：选A　因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝，式中E＝6ε，又ε＝hν＝h，可解得P＝6× W＝2.3×10－18 W。
5．光子有能量，也有动量，动量p＝，它也遵守有关动量的规律。如图所示，真空中，有“∞”形装置可绕通过横杆中点的竖直轴OO′在水平面内灵活地转动，其中左边是圆形黑纸片(吸收光子)，右边是和左边大小、质量相同的圆形白纸片(反射光子)。当用平行白光垂直照射这两个圆面时，关于装置开始时的转动情况(俯视)，下列说法中正确的是(　　)
A．顺时针方向转动 B．逆时针方向转动
C．都有可能 D．不会转动
解析：选B　根据动量定理Ft＝mvt－mv0，由光子的动量变化可知黑纸片和光子之间的作用力小于白纸片和光子之间的作用力，所以装置开始时逆时针方向转动，B选项正确。
6．如图所示是研究光电效应的实验装置，下列说法正确的是(　　)
A．光电效应中，从金属表面逸出的光电子就是光子
B．图中为使电流表的示数减小为零应将触头P向b端移动
C．用频率为ν1的光照射光电管，改变触头P的位置当电流表示数减为零时电压表示数为U1，用频率为ν2的光照射光电管，改变触头P的位置当电流表示数减为零时电压表示数为U2，可得普朗克常量h＝(e为电子的电荷量)
D．光电效应说明光具有粒子性，康普顿效应说明光具有波动性
解析：选C　光电效应中，从金属表面逸出的光电子是电子，与光子不同，A错误；根据电路图，逸出电子受到电场阻力时，电流表示数才可能为零，因只有K的电势高于A的，即触头P向a端滑动，才能实现电流表示数减小为零，B错误；根据光电效应方程得，Ek1＝hν1－W0＝eU1，Ek2＝hν2－W0＝eU2，联立两式解得h＝，C正确；光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性，D错误。
7.如图所示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度
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
解析：选B　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度有关，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。
8.[多选]如图所示，两平行金属板A、B板间电压恒为U，一束波长为λ的入射光射到金属板B上，使B板发生了光电效应，已知该金属板的逸出功为W，电子的质量为m，电荷量为e，已知普朗克常量为h，真空中光速为c，下列说法中正确的是(　　)
A．入射光子的能量为h
B．到达A板的光电子的最大动能为h－W＋eU
C．若增大两板间电压，B板没有光电子逸出
D．若减小入射光的波长一定会有光电子逸出
解析：选ABD　根据E＝hν，而ν＝，则光子的能量为h，故A正确；光电子逸出的最大动能Ekm＝h－W，根据动能定理，Ekm′－Ekm＝eU，则到达A板的光电子的最大动能为Ekm′＝h－W＋eU，故B正确；若增大两板间电压，不会影响光电效应现象，仍有光电子逸出，故C错误；若减小入射光的波长，那么频率增大，一定会有光电子逸出，故D正确。
9.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)，如图所示。则可判断出(　　)
A．甲光的频率大于乙光的频率
B．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对应的截止频率
D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能
解析：选B　当光电管两端加上反向遏止电压且光电流恰好为零时，有Ek－0＝eUc，对同一光电管(逸出功W0相同)使用不同频率的光照射，有Ek＝hν－W0，两式联立得，hν－W0＝eUc，丙光的反向遏止电压最大，则丙光的频率最大，甲光、乙光频率相同，A、C错误；又由λ＝可知λ丙<λ乙，B正确；由Ek＝hν－W0可知丙光对应的最大初动能最大，D错误。