高考物理选修3-5知识点归纳

波粒二象性

知识要点梳理

知识点一——黑体与黑体辐射

要点诠释：

1、热辐射

固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。

对热辐射的初步认识：

任何物体任何温度均存在热辐射。辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一种特性。对于一般材料的物体，温度越高，热辐射的波长越短、强度越强。

物体在室温时热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强。例如投在炉中的铁块由于不断加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。

热辐射强度还与材料的种类、表面状况有关。

热辐射的过程中将热能转化为电磁能。

2、黑体与黑体辐射

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称为绝对黑体，简称黑体。

不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。如果在一个空腔壁上开一个很小的

孔，如图所示，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面发生多次反射和吸收，最终不能从空腔

射出，这个小孔就成为了一个绝对黑体。

对上图中的空腔加热，空腔内的温度升高，小孔就成了不同温度下的导体，从小孔向外

的辐射就是黑体辐射。

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的

基础。实验表明黑体辐射强度按波长的分布只与黑体的

温度有关。

利用分光技术和热电偶等设备就能测出它所辐射的

电磁波强度按波长的分布情况。如下图画出了四种温度

下黑体热辐射的强度与波长的关系：

从中可以看出，随着温度的升高，一方面各种波长

的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向

波长较短的方向移动。

对实验规律的解析：

物体中存在着不停运动的带电微粒，每个带电微粒

的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。人们

很自然地要依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的解释。德国物理学家维恩在1896年、英国物理学家瑞利在1900年分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。

维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大；瑞利公式在长波

区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。而且当波长趋于零时，辐射竟变成无

穷大，这显然是荒谬的。由于波长很小的辐射处于紫外线波段，故而由理论得出的这种

荒谬结果被认为是物理学理论的灾难，当时被称为紫外灾难。

为了得出同实验符合的黑体辐射公式，1900年底，德国物理学家普朗克提出了能

量子的概念。

3、能量子

辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但

是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε. n为正整数，称为量子数。

对于频率为υ的谐振子最小能量为ε=hυ，其中υ是电磁波的频率，h是一个常量，后被称为普朗克常量，其值为h=6.626×10-34J·s。

注意：宏观世界中我们说的能量值是连续的，而普朗克的假设则认为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。

借助于能量子的假设，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，如图所示，与实验符合令人击掌叫绝。

知识点二——光电效应

要点诠释：

1、光电效应现象

在光（包括不可见光）的照射下从物体发射出电子的现象，叫光电效应。光电效应中发射出来的电子叫光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。

研究光电效应规律的实验装置如图，阴极K和阳极A 是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子。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。电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成了光电流。利用这个图示的电路就可以研究光电流和照射光的强度、光的频率（颜色）等物理量之间的关系。

2、光电效应规律

（1）存在着饱和光电流I s与入射光强度成正比。

a.在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增加，光电流趋于一个饱和值

b.入射光越强，饱和电流越大

如果用一定频率和强度的单色光照射阴极K，改变加在A和K两极间的电压U，测量光电流I的变化，则可得如图所示的伏安特性曲线。

实验表明：光电流I随正向电压U的增大而增大，并逐渐趋于其饱和值I s；而且饱和电流I s的大小与入射光强度成正比。

这一实验结果可以解释为，控制入射光的强度、频率不变时，从阴极K射出的电子的数目和初速度相同，当增加电压时射到阳极A的电子的速度增大，根据I＝nqvs可知电流增大，但速度增大不能无限地增大，最大速度是光速，所以电流存在饱和值。当光电流达到饱和时，阴极K上所有逸出的光电子全部飞到了阳极A上，即：Is= ne，其中n

是单位时间内阴极K上逸出的光电子数。

控制电压和光的频率不变，增大入射光的强度，n增大，饱和电流越大。因此光电效应的上述实验结果也可以表述为：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。

（2）存在着遏止电压和截止频率

a.当所加电压为零时，电流I并不为零只有施加反向电压，电流才有可能为零

由上图可见，A和K两极间的电压为零时，光电流并不为零，只有当两极间加了反向电压U=-U C<0时，光电流I 才为零，U C称为遏止电压(或截止电压)。

实验表明：对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时，遏止电压也会改变。这表明光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增加而增加。

b.当入射光的频率减小到某个值υ0时，即使不施加反向电压也没有光电流，表明已经没有光电子了

当入射光的频率减小到某一数值υ0时，U C减小到零，既不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了。若入射光频率再降低，则无论光的强度多大，都没有光电子产生，不发生光电效应。这个由阴极金属材料性质决定的频率υ0，称为金属的截止频率（或极限频率）。不同的金属极限频率不同，对于同一种金属，只有当入射光频率υ大于一定的极限频率υ0时，才会产生光电效应。

结论：光电子的能量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极限频率时不能发生光电效应。不同金属的极限频率不同。

（3）光电效应是瞬时发生的。

实验发现，只要入射光的频率υ>υ0，无论光多么微弱，从光照射阴极到光电子逸出，这段时间不超过10-9s。光电效应的发生时间如此之短，通常称它是瞬时发生的。

3、波动理论解释光电效应规律的疑难

但是按照波动理论，应得出如下结论：

①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏制电压UC 应该和光的强弱有关，但事实是在入射光的频率相同的情况下，改变入射光的强度，遏制电压不变；

②不管光的频率如何，只要光足够强，电子就可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率，但事实上存在截止频率，当入射光的频率小于截止频率时，无论入射光多么强，都不会看到光电效应；

③如果光很弱，按照经典电磁理论估算，电子需要几分钟或者十几分钟的时间才能获得逸出表面所需要的能量，这些结论都与实验结果相矛盾。

众多的疑难呼唤着新的思想，新的观念，新的理论。

知识点三——爱因斯坦的光电效应方程

要点诠释：

1、新理论的诞生——光子说

（1）背景

普朗克在研究热辐射规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能和实验事实相符。每一份能量叫做一个能量子，每个能量子的能量为ε=hυ。

受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正向粒子那样运动，这个粒子后来被称为“光子”

（2）内容

空间传播的光不是连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，每个光子的能量为ε=hυ。

（3）爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同

相同点：都认为能量是不连续的，而是一份一份的，每一份能量为ε=hυ。（能量量子化）

不同点：普朗克认为能量子仍以波的形式传播；爱因斯坦认为光子在空间的传波向粒子一样。

注意：爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是指实物粒子。

2、光子说对光电效应的解释

①光是由一个个光子组成，被光子“打中”的电子，这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子“打中”的电子，则一点能量也没有获得。

②得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累能量的过程。

③如果这个能量足够大，则电子就挣脱金属的束缚而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不足以挣脱金属的