高中物理第2章波和粒子21拨开黑体辐射的疑云22涅盘凤凰再飞翔沪科版3-5.

学案1 拨开黑体辐射的疑云学案2 涅槃凤凰再飞翔[学习目标定位] 1.了解黑体与黑体辐射，知道辐射本领与波长的关系；了解能量子的概念及提出的过程.2.知道光电效应现象及其实验规律.3.掌握爱因斯坦光电效应方程及其意义.4.了解康普顿效应及其意义．1．各种色光的频率：从红到紫的频率依次变大．2．光的波长λ与频率ν的关系：c＝λν，式中c为光速．3．黑体与黑体辐射(1)热辐射：物体在任何温度下，都会发射电磁波，温度不同，所发射的电磁波的频率、强度也不同．(2)黑体：能完全吸收投射到其表面的电磁波而不产生反射的物体，也称之为绝对黑体．(3)黑体辐射的实验规律如图1所示．图1①随着温度的升高，黑体辐射各种波长电磁波的辐射本领都增大；②随着温度的升高，辐射本领的最大值向波长较短的方向移动．4．能量子(1)定义：黑体的空腔壁是由大量振子组成的，其能量E只能是某一最小能量值hν的整数倍，即E＝nhν(n＝1,2,3，…)．这样的一份最小能量hν叫做能量子，ν是振子的频率，h叫做普朗克常量．(2)能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值．5．光电效应(1)光电效应：在光的照射下物体发射电子的现象叫做光电效应，发射出来的电子叫光电子．(2)光电效应的实验规律：①对于各种金属都存在着一个极限频率，当入射光的频率高于这个极限频率时，才能产生光电效应；②光电子的最大动能随着入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关；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入射光射到金属表面时，光电子的产生几乎是瞬时的，不超过1×10－9 s.6．爱因斯坦光电效应方程(1)光子说：光在空间传播时是不连续的，而是一份一份的，一份叫做一个光量子，简称光子．光子的能量E＝hν.(2)爱因斯坦光电效应方程：hν＝W＋E km，其中W为电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功．7．康普顿效应(1)康普顿效应美国物理学家康普顿发现在散射的X射线中，除有与入射线波长相同的射线外，还有波长比入射线波长更长的射线，这个波长变化的现象叫做康普顿效应．(2)康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量外还具有动量，进一步为光的粒子性提供了证据．(3)光子的动量：表达式：p＝hλ.一、光电效应产生的条件[问题设计]在课本的“探究光电效应产生的条件”实验中：(1)用紫外线灯照射锌板擦净的一面，验电器的箔片张角有何变化？(2)在紫外线灯和锌板间插入一块玻璃，验电器的箔片张角有何变化？(3)用白炽灯照射锌板擦净的一面，验电器的箔片张角有何变化？设法增加白炽灯的亮度，情况有无变化？答案(1)验电器的张角变小，说明在紫外线灯照射下锌板上电子减少了．(2)验电器张角变小，速率明显变慢．因为紫外线不能穿过玻璃板而可见光却能．由此说明金属板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见光．(3)验电器张角不变．说明可见光不能使锌板发生光电效应．[要点提炼]1．光电效应的实质：光现象转化为,电现象．2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．3．金属都存在一个极限频率，只有入射光的频率高于该金属的极限频率时，光电效应才能发生．图2例1如图2所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( )A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用红光照射锌板，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与验电器连接，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，锌板中由于缺少电子，于是带正电，选项A、D正确．红光不能使锌板发生光电效应．答案AD二、光电效应的实验规律[问题设计]图3如图3所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K用铯做成．电源加在K 和A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调．(1)加在光电管两极间电压为零时，用紫光照射阴极K，回路中有电流吗？改变入射光强度，光电流大小如何变化？(2)保持入射光的强度不变，更换滤色片以改变入射光频率，使光由紫光→蓝光→绿光→红光，会看到什么现象？这说明什么？(3)在紫光照射下，加上反向电压，直至电流为0.改变光强做两次，记录下各个遏止电压的值；改用蓝光和绿光再各做一次，也记录下遏止电压的值．你发现什么规律？遏止电压U 与光电子的最大动能E km什么关系？从实验记录数据你又能得出什么结论？(可以结合课本“实验探究：研究光电效应的规律”中表1的数据分析)答案(1)有．光越强，光电流越大．(2)紫光、蓝光、绿光照射下有光电流，红光则没有．说明入射光的频率低于某一极限频率时将不能产生光电效应．(3)用紫光照射，不管光强如何，遏止电压相同，由紫光逐次换成蓝光和绿光，遏止电压逐次减小，说明遏止电压随入射光频率的减小而减小．根据动能定理eU＝E km，遏止电压不同说明光电子的最大动能只与入射光频率有关，且随入射光频率的增大而增大．[要点提炼]1．光电效应的四条规律(1)极限频率的存在：入射光的频率必须高于ν0，才能产生光电效应，与光强度及照射时间无关．(2)光电子的最大动能随着入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关．(3)当产生光电效应时，光电流大小随入射光强度的增加而增大．(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，不超过1×10－9_s.2．掌握三个概念的含义(1)入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大动能．(2)入射光强度决定着单位时间内发射的光子数；(3)饱和光电流决定着单位时间内发射的光电子数．图4例2如图4所示，电路中各元件完好，光照射到阴极K.灵敏电流计没有示数，其可能原因是( )A．入射光强度太弱B．入射光的频率太小C．光照时间短D．电源正负极接反解析题图所示电路中形成电流需要具备两个条件：一是阴极K在光照射下有光电子逸出，二是溢出的光电子应该能在电路中定向移动到达阳极A.光电子的逸出取决于入射光的频率ν，只有入射光的频率大于极限频率ν0时才有光电子逸出，与入射光的强度和时间无关，A、C错，B对；光电子能否达到阳极A，取决于光电子的动能大小和两极间所加电压的正负和大小共同决定，一旦电源接反了且电压大于遏止电压，即使具有最大动能的光电子也不能达到阳极，即使发生了光电效应现象，电路中也不会有光电流，D对，所以正确选项为B、D.答案BD针对训练当用绿光照射光电管阴极K时，可以发生光电效应，则下列说法正确的是( ) A．增大绿光照射强度，光电子的最大动能增大B．增大绿光照射强度，电路中光电流增大C．改用比绿光波长大的光照射光电管阴极K时，电路中一定有光电流D．改用比绿光频率大的光照射光电管阴极K时，电路中一定有光电流答案 D解析光电流与光强有关，光越强光电流越大，故B对；最大动能与光强无关，故A错；当改用频率更大的光照射时，一定能发生光电效应现象，因此有光电流，故D 对． 三、爱因斯坦的光子说 [要点提炼]对光电效应方程h ν＝W ＋E km 的理解 1．光电效应方程实质上是能量守恒方程．能量为E ＝h ν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力，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W ，则电子离开金属表面时动能最大为E km ，根据能量守恒定律可知：E km ＝h ν－W . 2．光电效应方程说明了产生光电效应的条件．若发生光电效应，则光电子的最大动能必须大于零，即E km ＝h ν－W >0，亦即h ν>W ，ν>W h＝ν0，而ν0＝W h恰好是光电效应的极限频率．图53．E km －ν曲线．如图5所示是光电子最大动能E km 随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是极限频率或截止频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量． 例3 如图6所示，当电键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．合上电键，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( )图6A ．1.9 eVB ．0.6 eVC ．2.5 eVD ．3.1 eV解析 由题意知光电子的最大动能为E km ＝eU ＝0.60 eV所以根据光电效应方程E km ＝h ν－W可得W ＝h ν－E km ＝(2.5－0.6) eV ＝1.9 eV 答案A能量量子化,光的粒子性⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧黑体辐射的特性能量子：普朗克假说E ＝h ν光电效应⎩⎪⎨⎪⎧光现象转化电现象实质：电子吸收光子光电子实验规律光子说：E ＝h ν爱因斯坦光电效应方程⎩⎪⎨⎪⎧h ν＝E km＋W解释光电效应1．下列关于光子说对光电效应的解释正确的是( ) A ．金属表面的一个电子只能吸收一个光子B ．电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子C ．金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出D ．无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累了能量后，总能逸出成为光电子 答案 A解析 根据光电效应规律可知：金属中的一个电子只能吸收一个光子的能量，一个光子的能量也只能交给一个电子，故选项A 正确．电子吸收一个光子的能量后，动能立即增大，不需要积累能量的过程，故选项B 错误．不存在一个电子吸收若干光子的现象，且只有当入射光的能量不低于该金属电子的逸出功时，才能发生光电效应，即入射光频率不低于金属的极限频率时才能发生光电效应，故选项C 、D 错误．图72.如图7所示是光电效应中光电子的最大动能E km与入射光频率ν的关系图像．从图中可知( )A．E km与ν成正比B．入射光频率必须大于或等于极限频率ν0时，才能产生光电效应C．对同一种金属而言，E km仅与ν有关D．E km与入射光强度成正比答案BC解析由E km＝hν－W知B、C正确，A、D错误．3．用同一束单色光，在同一条件下先后照射锌片和银片，都能产生光电效应，在这两个过程中，对于下列四个量，一定相同的是____，可能相同的是____，一定不同的是____．A．光子的能量B．光电子的逸出功C．光电子的动能D．光电子的最大动能答案 A C BD解析光子的能量由光的频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同．逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功，因此只由材料决定．锌片和银片的光电效应中，光电子的逸出功一定不相同．由E km＝hν－W，照射光子的能量hν相同，逸出功W不同，则电子最大动能也不同．由于光电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的动能可能分布在零到最大动能之间．所以，光电子的动能是可能相同的．4．(2014·广东·18)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答案AD解析 增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积的光电子数增加，则光电流将增大，故选项A 正确；光电效应是否发生取决于照射光的频率，而与照射强度无关，故选项B 错误．用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，选项C 错误；根据h ν－W 逸＝12mv 2可知，增加照射光频率，光电子的最大初动能也增大，故选项D 正确.[基础题]1．红、橙、黄、绿四种单色光中，光子能量最小的是( ) A ．红光 B ．橙光 C ．黄光D ．绿光答案 A解析 按照爱因斯坦的光子说，光子的能量E ＝h ν，h 为普朗克常量，说明光子的能量与光的频率成正比，而上述四种单色光中，绿光的频率最大，红光的频率最小，故光子能量最小的是红光，所以选项A 正确．2．2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化．他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点．下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中正确的是( ) 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与温度无关C ．黑体的热辐射实际上是电磁辐射D ．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假设 答案 ACD解析 根据热辐射的定义，A 正确；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与温度有关，B 错误，普朗克在研究黑体辐射时最早提出了能量子假设，他认为能量是一份一份的，一份是一个能量子，黑体辐射本质上是电磁辐射，故C 、D 正确． 3．关于光电效应的规律，下列说法中正确的是( )A ．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生B ．光电子的最大动能跟入射光强度成正比C．发生光电效应的反应时间一般都大于10－7 sD．发生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强度成正比答案 D解析由E＝hν＝h cλ知，当入射光波长小于极限波长时，才能发生光电效应，故A错．由E km＝hν－W知，最大动能由入射光频率决定，与光强度无关，故B错．发生光电效应的时间一般不超过10－9 s，故C错．4．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子．假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中( ) A．能量守恒，动量不守恒，且λ＝λ′B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′C．能量守恒，动量守恒，且λ<λ′D．能量守恒，动量守恒，且λ>λ′答案 C解析能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界．光子与电子碰撞时遵循这两个规律．光子与电子碰撞前光子的能量E＝hν＝h cλ，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量E′＝hν′＝hcλ′，由E>E′可知λ<λ′，选项C正确．5．如图1所示，画出了四种温度下黑体辐射的本领与波长的关系图像，从图像可以看出，随着温度的升高，则( )图1A．各种波长的辐射本领都有增加B．只有波长短的辐射本领增加C ．辐射本领的最大值向波长较短的方向移动D ．辐射电磁波的波长先增大后减小答案 AC解析 根据黑体辐射的实验规律和辐射本领与波长的关系可判断A 、C 正确．6．硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能．若有N 个波长为λ0的光子打在光电池极板上，这些光子的总能量为(h 为普朗克常量)( )A ．h ·cλ0B ．Nh ·c λ0C ．N ·h λ0D ．2Nh λ0 答案 B解析 一个光电子的能量E ＝h ν＝h c λ0，则N 个光子的总能量N ·E ＝Nh cλ0.选项B 正确． 7．某金属的逸出功为2.3 eV ，这意味着( )A ．这种金属内部的电子克服原子核引力做2.3 eV 的功即可脱离表面B ．这种金属表层的电子克服原子核引力做2.3 eV 的功即可脱离表面C ．要使这种金属有电子逸出，入射光子的能量必须大于2.3 eVD ．这种金属受到光照时若有电子逸出，则电子离开金属表面时的动能至少等于2.3 eV 答案 B解析 逸出功指原子的外层电子脱离原子核克服引力所做的功．8．用绿光照射一光电管，产生了光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大动能增加，下列做法可取的是( )A ．改用红光照射B ．增大绿光的强度C ．增大光电管上的加速电压D ．改用紫光照射答案 D解析 由爱因斯坦光电效应方程h ν＝W ＋E km ，在逸出功一定时，只有增大光的频率，才能增加最大动能，与光的强度无关，故D 项正确．[能力题]9．已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0( )A ．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B ．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大动能为h ν0C ．当入射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大D ．当入射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大动能也增大一倍 答案 AB解析 因入射光的频率大于极限频率时产生光电效应，所以A 正确；因为金属的极限频率为ν0，所以逸出功W ＝h ν0，再由E km ＝h ν－W 得，E km ＝2h ν0－h ν0＝h ν0，B 正确；因为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 项错误；由E km ＝h ν－W＝h ν－h ν0＝h (ν－ν0)，可得当ν加倍时：E km ′E km ＝2ν－ν0ν－ν0≠2，故D 项错．图210.在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大动能E km 与入射光的频率ν的关系如图2所示，由实验图线可求出( )A ．该金属的极限频率B ．普朗克常量C ．该金属的逸出功D ．单位时间逸出的光电子数答案 ABC解析 依据光电效应方程E km ＝h ν－W 可知，当E km ＝0时，ν＝ν0，即图像中横轴的截距在数值上等于金属的极限频率．图线的斜率在数值上等于普朗克常量h .当ν＝0时，E km ＝－W ，即图像中纵坐标轴的截距在数值上等于金属的逸出功．11．(2013·浙江自选·14)小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意如图3甲所示．已知普朗克常量h ＝6.63×10－34 J·s图3(1)图中电极A 为光电管的____________(填“阴极”或“阳极”)；(2)实验中测得铷的遏止电压U c 与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc ＝____Hz ，逸出功W 0＝________J ；(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014 Hz ，则产生的光电子的最大初动能E k ＝________J.答案 (1)阳极(2)(5.12～5.18)×1014 (3.39～3.43)×10－19 (3)(1.21～1.25)×10－19 [探究与拓展题]12．铝的逸出功是4.2 eV ，现用波长为200 nm 的光照射铝的表面．求：(1)光电子的最大动能；(2)遏止电压；(3)铝的极限频率．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E km ＝h ν－W 有E km ＝hc λ－W ＝6.63×10－34×3.0×108200×10－9 J －4.2×1.6×10－19 J ＝3.225×10－19 J (2)由E km ＝eU 0可得U 0＝E km e ＝3.225×10－191.6×10－19 V ＝2.016 V. (3)h ν0＝W 知ν0＝W h ＝4.2×1.6×10－196.63×10 Hz ＝1.014×1015 Hz.。