高二物理选修3-5 17. 1 能量量子化 课件 （44张ppt人教版）

(共44张PPT)
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1.考查点:
高考主要考查黑体黑体辐射强度与波长的关系及能 量量子化。
2.题型及难度: 一般不单独命题,若考查多以选择题形式出现,难度较易,仅限于识记层面.
17. 1 能量量子化
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:
“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” (开尔文)
但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，
就在上面提到的文章中他还讲到：
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安 乌云 ，……”
新课导学
这两朵乌云是指什么呢？
黑体辐射实验
迈克尔逊-
莫雷实验
普朗克量子力学的诞生
相对论问世
量子力学
相对论
微观领域
高速领域




经典力学
1.热辐射
(1)定义: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,所以叫做热辐射.太阳、白炽灯中光的发射即热辐射。
(2)特点:热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。
拓展延伸：
(1)任何物体在任何温度下都会发生热辐射,这是由于物体中分子、原子受到激发而发射电磁波。
(2)热辐射是热能转化为电磁能的过程。
(3)除了热辐射外,物体表面还会吸收和反射外界射来的
电磁波(如图所示),除光源外,我们看到的物体的颜色就是
反射光的颜色。
一、黑体与黑体辐射
2.黑体与黑体辐射
(1)黑体定义:在热辐射的同时,物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。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)黑体辐射特点: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。
3.对黑体的理解
黑体是一种理想化模型,作为热辐射研究的标准物体,黑体能使入射的电磁波全部被吸收,既没有反射,也没有透射(但黑体仍然要向外辐射电磁波).自然界不存在真正的黑体,但许多物体可以近似视为黑体。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”。
一、黑体与黑体辐射
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 完全吸收入射的各种波长的电磁波,不反射
例1. 关于对热辐射的认识，下列说法中正确的是（　　）
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
一、黑体与黑体辐射
B
变式. 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
一、黑体与黑体辐射
C

1.黑体辐射实验规律
温度一定时:黑体 辐射强度 随波长的分布有个极大值。
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。
特别提醒：
黑体热辐射规律比一般物体的热辐射规律更简单,它辐射的电磁波强度按波长的分布只跟黑体温度有关。
二、黑体辐射的实验规律
辐射强度
单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能

例2.（多选）在实验室或工厂的高温炉子上开一个小孔，小孔可以看到黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射波长的关系图象，则下列说法正确的是（　 　）
A．T1 ＞ T2
B． T1 ＜ T2
C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低
D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动
二、黑体辐射的实验规律
AD
1.能量子定义
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---h=6.626×10-34J·s
(一般取h=6.63×10-34J·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不是连续的,只能取分立值,为能量子 ? 的整数倍.即 E= n ? (n 叫做量子数)。

三、普朗克能量量子化假说
4.能量子假说的意义
宏观世界里的能量是连续的,而微观世界里的能量是不连续的,不是任意值,是量子化的,是分立的。普朗克的能量子假说,使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量 h 是自然界中最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征,架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁。
量子





经典
能量
三、普朗克能量量子化假说
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1.常考点:
光电效应实验规律、光电效应方程的应用及有关图像问题
2.题型及难度:
多以选择题形式考查,难度中等

17. 2 光的粒子性
1.光电效应现象
19世纪末赫兹用实验验证了麦克斯韦的电磁场理论,明确了光的电磁说,同时赫兹也最早发现了光电效应现象。
(1)演示:如图所示,用紫外线灯照射锌板,与锌板相连
的验电器就带正电,这说明锌板在光的照射下发射了电子。
(2)定义:在光(包括不可见光)的照射下物体发射电子的现象叫做光电效应。
发射出来的电子叫做光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。
深度理解: (1)光电效应的实质:光现象转化为电现象;
(2)使锌板发射电子的光是紫外线灯发出的紫外线.

一、光电效应的实验规律
例1. 如图所示，一验电器与锌板相连，在A处用一紫外线灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角．



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 ．
一、光电效应的实验规律
减小或先减小后增大
2.光电效应实验
(1)实验目的
研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。
(2)光电效应的实验装置
如图所示,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的
两个电极,阴极K在受到光照时能够发射电子。电源加
在K与A之间的电压大小可以调整,正负极也可以对调,
当电源按图示极性连接时,阳极A吸收阴极K发出的电子,在电路中形成光电流。
一、光电效应的实验规律





































阳极
阴极





① 存在饱和电流
光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。
因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。





































阳极
阴极





实验表明：
入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。
一、光电效应的实验规律
(3)光电效应的实验结论
(3)光电效应的实验结论
在入射光强度和频率不变的情况下,I-U曲线如图所示,曲线表明,当加速电压U增大到一定值时,光电流达到饱和值,这是因为单位时间内从阴极K射出的电子全部到达阳极A,若单位时间从阴极K上逸出的光电子数目为n,则饱和电流 l m = ne ,式中e为电子电荷量.
一、光电效应的实验规律
：使光电流减小到零的反向电压
－


+ + + + + +
一 一 一
v
加反向电压，如右图所示：
光电子作减速运动。若速率最大的记为vC
最大的初动能
U=0时，I≠0，
因为电子有初速度
则I=0，式中UC为遏止电压

②存在遏止电压和截止频率
a.存在遏止电压UC



E
E

U

F
K
A
一、光电效应的实验规律




I
Is
Uc2
O
U
黄光（强）
黄光（弱）
光电效应伏安特性曲线
遏
止
电
压

饱
和
电
流




蓝光
Uc1
实验表明: 对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的. 光的频率? 改变时，遏止电压也会改变。
一、光电效应的实验规律
实验结论：光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。
(3)光电效应的实验结论
另外,当电压U减小到零,并开始施加反向电压时,光电流并没有减小到零,这表明从阴极逸出的电子具有初动能.所以尽管电场阻碍光电子运动,仍有部分光电子到达阳极A,但当反向电压等于Uc时,就能阻止所有的光电子飞向阳极A,使光电流降为零,此时的反向电压叫做遏止电压(也称截止电压),它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A.如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差,那么就能根据遏止电压U来确定电子的最大初速度和最大初动能,即
一、光电效应的实验规律
②存在截止频率:在用相同频率、不同强度的光去照射阴极K时,得到的I-U曲线如图所示(Io1、 Io2 、 Io3 表示入射光的强度),它显示了对于不同强度的光,UC 是相同的, Im是不同的,这说明相同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的,饱和电流 I 是不同的。此外,用相同强度、不同频率的光去照射阴极K时,实验结果是频率越高, UC 越大,如图甲所示;还得到了遏止电压UC 与入射光频率v的图线呈线性关系,如图乙所示频率低于 vc 的光不论光强多大,都不能产生光电子,因此vc 称为截止频率,对于不同材料,其截止频率不同。
一、光电效应的实验规律
（1）饱和电流和入射光的强度的关系
入射光越强，饱和电流越大。即饱和电流的大小和的强度成正比,也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比。
一、光电效应的实验规律
3.光电效应的实验规律
要点解读：
①光越强,包含的光子数越多,照射金属时产生的光电子就多,因而饱 和电流大;
②入射光的强度,指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量,在入射光频率不变的情况下,光强与光子数成正比;
③单位时间内发射出来的电子数由光强决定。
一、光电效应的实验规律
(2)光电子的最大初动能与入射光强度的关系
光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光的强度无关,只与入射光的频率有
关,频率越高,光电子的最大初动能越大。
(3)光电效应的产生与入射光的频率和光强的关系
①任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应;
②频率低于v的入射光,无论光的强度多大照射时间多长都不能使光电子逸出。
入射光强度
入射光频率

决定着
发生光电效应时,单位时间内发射出来的光电子数

决定着
是否产生光电效应及发生光电效应时光电子的最大初动能
实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。
更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9 s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。
结论：光电效应在极短的时间内完成。
(4)光电效应的瞬时性





































阳极
阴极





一、光电效应的实验规律
一、光电效应的实验规律
例2. 当光照射在某种金属表面时，金属表面有电子逸出。如果该入射光的强度减弱，则（　　）
A．可能不再有电子逸出金属表面
B．单位时间内逸出金属表面的电子数减少
C．逸出金属表面的电子的最大初动能减小
D．从光入射到光电子逸出的时间间隔延长
B
一、光电效应的实验规律
变式. 现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa＞λb＞λc．用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应．若分别用a光束和c光束照射该金属，则可以断定（　　）
A．a光束照射时，不能发生光电效应
B．c光束照射时，不能发生光电效应
C．a光束照射时，释放出的光电子数目最多
D．c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小
A
1.光的电磁理论只能部分地解释光电效应
利用光的电磁理论(经典波动理论)能够解释:
(1)逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值；
(2)光越强,光电流越大。
2.光的电磁理论与光电效应现象的矛盾
二、光电效应的理论解释
按照光的电磁理论解释 光电效应实验结果
矛盾1 光能由振幅决定,与光频率无关。只要光强足够大(不论人射光的频率多大),总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应。 存在截止频率vc :
若v二、光电效应的理论解释
按照光的电磁理论解释 光电效应实验结果
矛盾2 光强越大,电子可获得的能量越多,光电子的最大初动能也应该越大,遏止电压也应越大,即出射电子的最大初动能应该由光强来决定。 光电子的最大初动能、遏止压都与光强无关,而与频率有关。
矛盾3 光强大时,电子能量积累的时间就短,光强小时,能量积累的时间就长。 具有瞬时性:当入射光照射到光电管阴极时,无论光强怎样,光电子几乎是瞬间产生的
2.光的电磁理论与光电效应现象的矛盾
3.爱因斯坦光电效应方程
(1)光子说:
爱因斯坦于1905年提出,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子。
光子的能量跟它的频率成正比,即 ,式中 h 叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s)
(2)光电效应方程:
Ek = –W0
其中 Ek= 为光电子的最大初动能, W0为金属的逸出功。
二、光电效应的理论解释
(3)对光电效应方程的理解
①式中Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可以是 0~ Ek 范围内的任何数值。
②光电效应方程表明,光电子的最大初动能与入射光的频率v呈线性关系(注意不是正比关系),与光强无关。
③光电效应方程包含了产生光电效应的条件,即 Ek = –W0 >0, 亦即> W0, >= c , 而c = 就是被照射金属的极限频率.
④光电效应方程实质上是能量守恒方程.
⑤逸出功W0 :电子从金属中逸出所需要克服束缚而消耗的能量的最小值,叫做金属的逸出功.光电效应中,从金属表面逸出的电子消耗能量最少.
二、光电效应的理论解释
4.光子说对光电效应现象的解释
(1)由于光的能量是一份一份的,那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量,而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为.如果光的频率低于金属的极限频率,则光子提供给电子的能量不足以使电子克服原子核的束缚,就不能发生光电效应.
(2)对于某一金属,逸出功是一定的,要产生光电效应,入射光的频率必须高于金属的极限频率(c = ),当光子的频率高于金属的极限频率时能量传递给电子后,电子摆脱束缚要消耗一部分能量,剩余的能量以光电子的动能形式存在,这样光电子的最大初动能 Ek ==–W0.
二、光电效应的理论解释
(3)电子吸收能量的过程极其短暂,吸收能量后瞬间挣脱束缚,所以光电效应的发生也几乎是瞬时的.
(4)发生光电效应时,单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比,光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多,那么逸出的光电子数目也就越多,所以光电流也就越大.
二、光电效应的理论解释
4.光子说对光电效应现象的解释
例3. 对光电效应的理解，以下说法正确的是（　　）
A．金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，
就能从金属逸出
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逸出时需要做的最小功，光电效应便不能发生了．但如换用波长更长的入射光子，则有可能发生光电效应
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的入射光的最
低频率也不相同
二、光电效应的理论解释
D
二、光电效应的理论解释
例4. 如图所示，当电键S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。此时光电子的最大初动能的大小为 。该阴极材料的逸出功为 。

0.6eV　
1.9eV
课堂小结
一、光电效应的基本规律
1.光电效应现象
2.光电效应实验规律
(2)存在遏止电压和截止频率
(1)存在饱和电流
(3)具有瞬时性
二、光电效应解释中的疑难
课堂小结
（3）光子说对光电效应的解释
（2）爱因斯坦的光电效应方程
三、爱因斯坦的光电效应方程
（1）光子：
四、康普顿效应
光子的动量
作业
1.先复习今天所讲基础内容；
2.完成1.2节大小本。
2.黑体辐射实验规律的理论理解
(1)维恩公式解释:1896年,德国物理学家维恩从热力学理论
出发,得到了一个公式,但它只是在短波部分与实验相符,
而在长波部分与实验存在明显的差异。
(2)瑞利公式解释:
1900年,英国物理学家瑞利从经典电磁理论出发,推导
出一个公式,其预测结果在长波部分与实验相符,但在短波
部分偏差较大,尤其在紫外线一端,当波长趋近于零时,辐射本领将趋于无穷大,这种情况被人们称为“紫外灾难”。
二、黑体辐射的实验规律
辐射强度

维恩线(短波符合)


瑞利--金斯线(长波符合)
紫
外
灾
难

o
实验值






/μm


































1
2
3
4
5
6
7
8
普朗克公式与实验结果比较发现,它与实验结果“令人满意地相符”.比较图线所示,曲线是根据普朗克的公式作出的,小圆圈代表实验值。
4.量子化假设的实验证实
三、普朗克能量量子化假说
1.光的散射
光在介质中与物质微粒的相互作用使光的传播方向发生改变的现象:叫做光的散射。
2.康普顿效应
在散射光中,除有与入射波长相同的成分外,还有波长大于的成分,这个现象称为康普顿效应。
3.光子说对康普顿效应的解释
假定x射线的光子与电子发生完全弹性碰撞,这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似.按照爱因斯坦的光子说可知,一个X射线光子不碰撞前碰撞后仅具有能量E= ,而且还有动量.如图所示,一个光子与静止的电子发生弹性碰撞,光子把部分能量转移给了电子,能量由减小为’,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。
三、康普顿效应
4.光子的动量
光子不仅具有能量,还具有动量,根据狭义相对论可知:E=mc2, m= 。
光子的能量 E = ,则光子的动量 p = mc = 。
根据波长与频率和波速的关系式 =, 可知光子的动量为P= 。
式中h为普朗克常量,为光波的波长.
注意:
(1)在光的散射中,光子不仅具有能量,也具有动量,在与其他微粒作用过程中遵守能量守恒定律和动量守恒定律。
(2)光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性。
三、康普顿效应
1.构造
光电管的种类很多,如图所示是具有代表性的一种,玻璃泡里的空气已被抽出,有时管内充有少量的惰性气体。管的内半壁涂有碱金属作为阴极K,管内另有一阳极A,使用时采用如图所示的电路。



四、光电管的构造和工作原理
2.工作原理
当光照射到阴极K上时,由于发生光电效应,就有电子从阴极上发射出来,在电场力作用下到达阳极A,因而电路中就有电流流过照射光的强度不同,阴极发射的电子数不同,电路中的电流就不同.所以,利用光电管可将光信号转化为电信号.光电管产生的光电流很弱,应用时可用放大器进行放大。
3.应用
利用光电管可以实现自动化控制,制作有声电影,实现无线电传真,光电扫描,自动计数等。
四、光电管的构造和工作原理