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(全國通用版)2018-2019高中物理 第十七章 波粒二象性 第一節(jié) 能量量子化 第二節(jié) 光的粒子性學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 第一節(jié) 能量量子化 第二節(jié) 光的粒子性 〔情 景 切 入〕 1990年,德國物理學(xué)家普朗克提出了一個大膽的假設(shè):粒子的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍。這一假說不僅解決了熱輻射問題,同時也改變了人們對微觀世界的認識。 光在愛因斯坦的眼里成了“粒子”,電子、質(zhì)子等在德布羅意看來具有了波動性…… 光到底是什么?實物粒子真的具有波動性嗎?讓我們一起進入這種神奇的微觀世界,去揭開微觀世界的奧秘吧。 〔知 識 導(dǎo) 航〕 本章內(nèi)容涉及微觀世界中的量子化現(xiàn)象。首先從黑體和黑體輻射出發(fā),提出了能量的量子化觀點,進而通過實驗研究光電效應(yīng)現(xiàn)象,用愛因斯坦的光子說對光電效應(yīng)的實

2、驗規(guī)律做出合理解釋,明確了光具有波粒二象性,進而將波粒二象性推廣到運動的實物粒子,提出了德布羅意波的概念,經(jīng)分析和研究得出光波和德布羅意波都是概率波以及不確定性關(guān)系的結(jié)論。 本章內(nèi)容可分為三個單元:(第一~二節(jié))主要介紹了能量量子化和光的粒子性;第二單元(第三節(jié))介紹了粒子的波動性;第三單元(第四~五節(jié))介紹了概率波和不確定性關(guān)系。 本章的重點是:普朗克的能量量子化假設(shè)、光電效應(yīng)、光電效應(yīng)方程、德布羅意波。本章的難點是:光電效應(yīng)的實驗規(guī)律和波粒二象性。 〔學(xué) 法 指 導(dǎo)〕 1.重視本章實驗的理解。本章知識理論性很強,涉及的新概念較多,也比較抽象,但它們作為物理量都有其實驗事實基礎(chǔ),所以

3、在學(xué)習(xí)時要結(jié)合實驗來理解它們,就不會覺得那么抽象。 2.注意體會人類認識微觀粒子本性的歷史進程。人類認識微觀粒子本性的進程是波浪形的,在曲折中前進,舊的理論總是被新發(fā)現(xiàn)、新的實驗事實否定,為解釋新實驗事實又提出新的理論。光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)證明了光是一種粒子,但光的干涉和衍射又證明了光是一種波,因此光是一種波——電磁波,同時光也是一種粒子——光子。也就是說光具有波粒二象性。光在空間各點出現(xiàn)的概率是受波動規(guī)律支配的,因此光是一種概率波。 3.學(xué)習(xí)本章知識會用到以前學(xué)過的知識,如光的干涉、衍射,彈性碰撞、動量定理和動能定理等,因此可以有針對性地復(fù)習(xí)過去的這些知識,對順利學(xué)習(xí)本章內(nèi)容會有幫助。

4、  學(xué) 習(xí) 目 標 ※ 認識黑體和黑體輻射的概念 ※ 理解能量子的概念,掌握計算能量子的方法 ※ 知道光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 ※※ 掌握愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 ※ 了解康普頓效應(yīng)及光子的動量  知 識 導(dǎo) 圖 知識點1 黑體與黑體輻射 1.熱輻射 (1)定義:我們周圍的一切物體都在輻射__電磁波__,這種輻射與物體的__溫度__有關(guān),所以叫熱輻射。 (2)特征:熱輻射強度按波長的分布情況隨物體的__溫度__而有所不同。 2.黑體 (1)定義:如果某種物體在任何溫度下能夠完全吸收入射的__各種波長的電磁波__而不發(fā)生反射,這種物體就是絕對黑體,簡稱黑

5、體。 (2)黑體輻射的特征:黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的__溫度__有關(guān)。 3.黑體輻射的實驗規(guī)律 黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的__溫度__有關(guān),如圖所示。 (1)隨著溫度的升高,各種波長的輻射強度都__增加__; (2)隨著溫度的升高,輻射強度的極大值向波長__較短__的方向移動。 知識點2 能量子 1.定義 普朗克認為,帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的__整數(shù)倍__,當帶電微粒輻射或吸收能量時,也是以這個最小能量值為單位__一份一份__地輻射或吸收的,這個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是電磁波的

6、頻率,h稱為__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 在微觀世界中能量是__量子化__的,或者說微觀粒子的能量是__分立__的。 知識點3 光電效應(yīng) 1.光電效應(yīng) 照射到金屬表面的光,能使金屬中的__電子__從表面逸出的現(xiàn)象。如圖所示。 2.光電子 光電效應(yīng)中發(fā)射出來的__電子__。 3.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 (1)存在著飽和光電流:在光的顏色不變的情況下,入射光越強,__飽和__電流越大。這表明對于一定顏色的光,入射光越強,單位時間內(nèi)發(fā)射的__光電子數(shù)__越多。 (2)存在著遏止電壓和截止頻率:光電

7、子的最大初動能與入射光的__頻率__有關(guān),而與入射光的__強弱__無關(guān),當入射光的頻率低于__截止頻率__時不能發(fā)生光電效應(yīng)。 (3)光電效應(yīng)具有瞬時性:光電效應(yīng)幾乎是__瞬時__發(fā)生的,從光照射到產(chǎn)生光電流的時間不超過__10-9__s。 知識點4 愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 1.光子 光不僅在發(fā)射和吸收時能量是__一份一份__的,而且光本身就是由一個個不可分割的能量子__組成的,頻率為ν的光的能量子為hν,h為普朗克常量。這些能量子后來被稱為光子。 2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程 在光電效應(yīng)中,金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是__hν__,這些能量的一部分用來克服金屬的__逸出功__

8、W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek,即 hν=__Ek+W0__或Ek=__hν-W0__ 知識點5 康普頓效應(yīng) 1.光的散射 光在介質(zhì)中與__物質(zhì)微粒__相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射。 2.康普頓效應(yīng) 美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時,發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中,除了與入射波長λ0相同的成分外,還有__波長大于λ0__的成分,這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。 知識點6 光子的動量 1.表達式 p=____ 2.說明 在康普頓效應(yīng)中,入射光子與晶體中電子碰撞時,把一部分動量轉(zhuǎn)移給__電子__,光子的動量__變小__,因此,有些光子散射后波長變_

9、_長__。 預(yù)習(xí)反饋 『判一判』 (1)只有高溫的物體才會熱輻射。(×) (2)熱輻射的輻射強度按波長的分布情況隨溫度的變化而有所不同。(√) (3)微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍。(√) (4)能量子的能量不是任意的,其大小與電磁波的頻率成正比。(√) (5)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。(×) (6)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強弱有關(guān)。(×) (7)入射光照射到金屬表面上時,光電子幾乎是瞬時發(fā)射的。(√) (8)光子發(fā)生散射時,其動量大小發(fā)生變化,但光子的頻率不發(fā)生變化。(×) (9)光子發(fā)生散射后,其波長變大。(√) 『選一選』 (

10、多選)(北京市臨川育人學(xué)校2017~2018學(xué)年高二下學(xué)期期中)如圖所示,電路中所有元件完好,當光照射到光電管上時,靈敏電流計中沒有電流通過,可能的原因是( BD ) A.入射光強度較弱 B.入射光波長太長 C.光照射時間太短 D.電源正負極接反 解析:光電管能否產(chǎn)生光電效應(yīng)與入射光的強度、光照時間沒有關(guān)系,當入射光波長小于金屬的極限波長時,即入射光頻率大于金屬的極限頻率時,金屬才能產(chǎn)生光電效應(yīng),A、C錯誤;若入射光波長大于金屬的極限波長時,金屬不能產(chǎn)生光電效應(yīng),靈敏電流計中沒有電流通過,B正確;電源正負極接反時,光電管加上反向電壓,光電子做減速運動,可能到達不了陽極

11、,電路中不能形成電流,D正確。 『想一想』 很多地方用紅外熱像儀監(jiān)測人的體溫,只要被測者從儀器前走過,便可知道他的體溫是多少,你知道其中的道理嗎? 答案:根據(jù)熱輻射規(guī)律可知,人的體溫的高低,直接決定了這個人輻射的紅外線的頻率和強度。通過監(jiān)測被測者輻射的紅外線的情況就知道這個人的體溫。 探究一 對黑體及黑體輻射的理解  S 1 有經(jīng)驗的煉鋼工人,通過觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色,就可以估計出爐內(nèi)的大體溫度,這是根據(jù)什么道理? 提示:黑體輻射與溫度有關(guān)。 G  1.對黑體的理解 絕對的黑體實際上是不存在的,但可以用某裝置近似地代替。如圖所示,如果在一個空腔壁上開一個小孔,

12、那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和吸收,最終不能從空腔射出,這個小孔就成了一個絕對黑體。 2.一般物體與黑體的比較 熱輻射特點 吸收、反射特點 一般 物體 輻射電磁波的情況與溫度有關(guān),與材料的種類及表面狀況有關(guān) 既吸收,又反射,其能力與材料的種類及入射光波長等因素有關(guān) 黑體 輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān) 完全吸收各種入射電磁波,不反射 特別提醒:(1)熱輻射不一定要高溫,任何溫度的物體都發(fā)出一定的熱輻射,只是溫度低時輻射弱,溫度高時輻射強。 (2)黑體是一個理想化的物理模型,實際不存在。 (3)黑體看上去不是一定是黑的,只有當自

13、身輻射的可見光非常微弱時看上去才是黑的;有些可看作黑體的物體由于有較強的輻射,看起來還會很明亮,例如:煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也被看作黑體來處理。 D  典例1 關(guān)于對黑體的認識,下列說法正確的是( C ) A.黑體只吸收電磁波,不反射電磁波,看上去是黑的 B.黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀況有關(guān) C.黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關(guān),與材料的種類及表面狀況無關(guān) D.如果在一個空腔壁上開一個很小的孔,射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面經(jīng)多次反射和吸收,最終不能從小孔射出,這個空腔就成了一個黑體 解題指導(dǎo):

14、黑體完全吸收電磁波而不反射,同時其本身也輻射電磁波;黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關(guān),與其他因素?zé)o關(guān)。 解析:黑體自身輻射電磁波,不一定是黑的,A錯誤;黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān),B錯誤,C正確;小孔只吸收電磁波,不反射電磁波,因此小孔成了一個黑體,而不是空腔,D錯誤。, 〔對點訓(xùn)練1〕 關(guān)于黑體輻射的強度與波長的關(guān)系,下圖正確的是( B ) 解析:根據(jù)黑體輻射的實驗規(guī)律:隨溫度升高,各種波長的輻射強度都有增加,故圖線不會有交點,選項C、D錯誤;另一方面,輻射強度的極大值會向波長較短方向移動,選項A錯誤,B正確。 探究二 能量量子化  S 

15、2 由能量量子化假說可知,能量是一份一份的,而不是連續(xù)的,在宏觀概念中,舉一些我們周圍不連續(xù)的實例。 提示:人的個數(shù),自然數(shù),汽車等。 G  1.能量子 物體熱輻射所發(fā)出的電磁波是通過內(nèi)部的帶電諧振子向外輻射的,諧振子的能量是不連續(xù)的,只能是hν的整數(shù)倍,hν稱為一個能量量子,其中ν是諧振子的振動頻率,h是一個常數(shù),稱為普朗克常量。 2.普朗克常量 h=6.63×10-34J·s 3.意義 可以非常合理地解釋某些電磁波的輻射和吸收的實驗現(xiàn)象。 4.量子化現(xiàn)象 在微觀世界中物理量分立取值的現(xiàn)象稱為量子化現(xiàn)象。 5.量子化假設(shè)的意義 普朗克的能量子假設(shè),使人類對微觀世界的

16、本質(zhì)有了全新的認識,對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征。 D  典例2 氦氖激光器發(fā)射波長為6328的單色光,試計算這種光的一個光子的能量為多少?若該激光器的發(fā)光功率為18mW,則每秒鐘發(fā)射多少個光子? 解題指導(dǎo):求解本題的關(guān)鍵有兩點:一是能根據(jù)已知條件求得每一個光子的能量,另外必須明確激光器發(fā)射的能量由這些光子能量的總和組成。 答案:3.14×10-19J 5.73×1016個 解析:根據(jù)愛因斯坦光子學(xué)說,光子能量E=hν,而 λν=c,所以:E==J=3.14×10-19J。 因為發(fā)光功率已知,所以1s內(nèi)發(fā)

17、射的光子數(shù)為: n==個=5.73×1016個。, 〔對點訓(xùn)練2〕 人眼對綠光最為敏感,正常人的眼睛接收到波長為530nm的綠光時,只要每秒有6個綠光的光子射入瞳孔,眼睛就能察覺,普朗克常量為6.63×10-34J·s,光速為3.0×108m /s,則人眼能察覺到綠光時所接收到的最小功率是( A ) A.2.3×10-18W B.3.8×10-19W C.7.0×10-10W D.1.2×10-18W 解析:每秒有6個綠光的光子射入瞳孔,所以察覺到綠光所接收到最小功率為 P==W= 2.3×10-18W。 探究三 光電效應(yīng)  S 3 如圖所示,把一塊鋅板連接在驗電器上,用紫

18、外線燈照射鋅板,觀察到驗電器的指針發(fā)生了變化,這說明鋅板帶了電。你知道鋅板是怎樣帶上電的嗎? 提示:鋅板在紫外線燈的照射下發(fā)生了光電效應(yīng),發(fā)射出光電子,因此鋅板會顯示正電性,驗電器會因帶正電荷而使金屬箔片張開一定角度。 G  對光電效應(yīng)方程的理解 1.光電子的動能 方程Ek=hν-W0中,Ek為光電子的最大初動能,就某個光電子而言,其離開金屬時的動能大小可以是零到最大值范圍內(nèi)的任何數(shù)值。 2.方程實質(zhì) 方程Ek=hν-W0實質(zhì)上是能量守恒方程。 3.產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件 方程Ek=hν-W0包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件, 即要產(chǎn)生光電效應(yīng),須Ek=hν-W0>0,亦即hν>W0

19、,ν>,而νc=就是金屬的極限頻率。 4.截止頻率νc 方程Ek=hν-W0表明,光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν存在線性關(guān)系(如圖所示),與光強有關(guān)。圖中橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率,縱軸上的截距是逸出功的負值,圖線的斜率為普朗克常量。 5.逸出功 方程Ek=hν-W0中的逸出功W0為從金屬表面逸出的電子克服束縛而消耗的最少能量,不同金屬的逸出功是不同的。 6.光電效應(yīng)規(guī)律中的兩條線索、兩個關(guān)系 (1)兩條線索 (2)兩個關(guān)系 光強→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大; 光子頻率高→光子能量大→產(chǎn)生光電子的最大初動能大。 特別提醒:(1)逸出功和截止頻率

20、均由金屬本身決定,與其他因素?zé)o關(guān)?!? (2)光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大,但不是正比關(guān)系。 D  典例3 (多選)在做光電效應(yīng)的實驗時,某金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng),實驗測得光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示,由實驗圖線可求出( ABC ) A.該金屬的極限頻率和極限波長 B.普朗克常量 C.該金屬的逸出功 D.單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù) 解題指導(dǎo):分析、推導(dǎo)得出圖像的斜率及在圖像橫、縱坐標軸上的截距所對應(yīng)的物理量,從而理解它們的物理意義,才能有效提高自身應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力。 解析:依據(jù)光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0可知,當Ek=0時

21、,ν=ν0,即圖像中橫坐標的截距在數(shù)值上等于金屬的極限頻率。圖線的斜率k=??梢妶D線的斜率在數(shù)值上等于普朗克常量。 根據(jù)圖像,假設(shè)圖線的延長線與Ek軸的交點為C,其截距大小為W0,有k=。 而k=h,所以W0=hν0。 即圖像中縱坐標軸的截距在數(shù)值上等于該金屬的逸出功。, 〔對點訓(xùn)練3〕 (黑龍江綏化市肇東一中2015~2016學(xué)年高二下學(xué)期期中)如圖所示,用綠光照射一光電管,能產(chǎn)生光電效應(yīng)。欲使光電子從陰極逸出時的初動能增大,應(yīng)該( B ) A.改用紅光照射 B.改用紫光照射 C.增大光電管上的加速電壓 D.增大綠光的強度 解析:由Ek=hν-W逸出知增加最大初動能,只

22、要入射光的頻率變大就行了。紅光的頻率比綠光小,故A錯誤;紫光的頻率比綠光的大,故B正確。增大光電管的加速電壓,不影響陰極逸出時的初動能,故C錯誤;增加綠光照射強度只是增大了光電流強度,D錯誤。故選B。 探究四 康普頓效應(yīng)  S 4 太陽光從小孔射入室內(nèi)時,我們從側(cè)面可以看到這束光;宇航員在太空中會發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目,其他方向的天空卻是黑的,為什么? 提示:在地球上光發(fā)生了散射;太空中沒有懸浮顆粒,光不能發(fā)生散射。 G  1.光子說對康普頓效應(yīng)的解釋 (1)假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞。光子和電子相碰撞時,光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少,于是散射光的波長大

23、于入射光的波長。 (2)康普頓效應(yīng)進一步揭示了光的粒子性,也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性。 2.光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)的對比 (1)光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)都說明了光具有粒子性。 (2)波長較短的X射線或γ射線產(chǎn)生康普頓效應(yīng),波長較長的可見光或紫外光產(chǎn)生光電效應(yīng)。 D  典例4 科學(xué)研究證明,光子有能量也有動量,當光子與電子碰撞時,光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子。假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為λ,碰撞后的波長為λ′,則碰撞過程中( C ) A.能量守恒,動量守恒,且λ=λ′ B.能量不守恒,動量不守恒,且λ=λ′ C.能量守恒,動量守恒,且λ<λ′ D.能量守恒,動量守恒,且λ>λ

24、′ 解題指導(dǎo):能量守恒和動量守恒是自然界的普遍規(guī)律,適用于宏觀世界也適用于微觀世界。 解析:光子與電子碰撞時遵循動量和能量兩個守恒規(guī)律。光子與電子碰撞前光子的能量E=hν=h,當光子與電子碰撞時,光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子,光子的能量E′=hν′=h,由E>E′,可知λ<λ′,選項C正確。, 〔對點訓(xùn)練4〕 康普頓效應(yīng)證實了光子不僅具有能量,也有動量。下圖給出了光子與靜止電子碰撞后,電子的運動方向,則碰后光子可能沿方向__1__運動,并且波長__變長__(填“不變”、“變短”或“變長”)。 解析:因光子與電子的碰撞過程動量守恒,所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前動量的方

25、向一致,可見碰后光子運動的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通過碰撞,光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,能量減少,由E=hν知,頻率變小,再根據(jù)c=λν知,波長變長。 光電效應(yīng)中幾個易混淆的概念 1.光子與光電子 光子指光在空間傳播時的每一份能量,光子不帶電,光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子,其本質(zhì)是電子,光子是光電效應(yīng)的因,光電子是果。 2.光電子的動能與光電子的最大初動能 光照射到金屬表面時, 光子的能量全部被電子吸收,電子吸收光子的能量,可能向各個方向運動,需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量,剩余部分為光電子的初動能;只有金屬表面的電子直接向外飛出時,只需

26、克服原子核的引力做功,才具有最大初動能。光電子的初動能小于等于光電子的最大初動能。 3.光子的能量與入射光的強度 光子的能量即每個光子的能量,其值為E=hν(ν為光子的頻率),其大小由光的頻率決定。入射光的強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量;入射光的強度等于單位時間內(nèi)光子能量與入射光子數(shù)的乘積。 4.光電流和飽和光電流 金屬板飛出的光電子到達陽極,回路中便產(chǎn)生光電流,隨著所加正向電壓的增大,光電流趨于一個飽和值,這個飽和值是飽和光電流,在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。 案例 用同一束單色光,在同一條件下,先后照射鋅片和銀片,都能產(chǎn)生光電效應(yīng),這兩個過程

27、中,對下列四個量,一定相同的是__A__,可能相同的是__C__,一定不相同的是__BD__。 A.光子的能量 B.金屬的逸出功 C.光電子動能 D.光電子最大初動能 解析:光子的能量由光的頻率決定,同一束單色光頻率相同,因而光子能量相同,逸出功等于電子脫離原子核束縛需要做的最小的功,因此只由材料決定,鋅片和銀片的逸出功一定不相同。由Ek=hν-W,照射光子能量hν相同,逸出功W不同,則電子最大初動能也不同,由于光電子吸收光子后到達金屬表面的路徑不同,途中損失的能量也不同,因而脫離金屬時的動能可能分布在零到最大初動能之間,所以,兩個不同光電效應(yīng)的光電子中,動能是可能相等的。 1.(

28、山東省煙臺市2016~2017學(xué)年高三模擬)近年來軍事行動中,士兵都配帶“紅外夜視儀”,在夜間也能清楚地看清目標,主要是因為( B ) A.“紅外夜視儀”發(fā)射出強大的紅外線,照射被視物體 B.一切物體均在不停地輻射紅外線 C.一切高溫物體均在不停地輻射紅外線 D.“紅外夜視儀”發(fā)射出X射線,被照射物體受到激發(fā)而發(fā)出紅外線 解析:一切物體都在不停地向外輻射紅外線,不同物體輻射出來的紅外線不同,采用“紅外夜視儀”可以清楚地分辨出物體的形狀、大小和位置,不受白天和夜晚的影響,即可確認出目標從而采取有效的行動。故只有B項正確。 2.(多選)(山東青州實驗中學(xué)2016~2017學(xué)年高二下學(xué)期

29、檢測)光電效應(yīng)實驗的裝置如圖所示,則下列說法中正確的是( AD ) A.用紫外線照射鋅板,驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) B.用紅色光照射鋅板,驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) C.鋅板帶的是負電荷 D.使驗電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷 解析:將擦得很亮的鋅板連接驗電器,用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線),驗電器指針張開一個角度, 說明鋅板帶了電。進一步研究表明鋅板帶正電,這說明在紫外光的照射下,鋅板中有一部分自由電子從表面飛出來,鋅板中缺少電子,于是帶正電,A、D選項正確,紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。 3.(多選)(浙江省湖州市2017~2018學(xué)年高二下學(xué)期期末)如圖所示,一光電管的陰極用極限頻

30、率為ν0的鈉制成。現(xiàn)用頻率為2.5ν0的紫外線照射陰極,電子電荷量為e,普朗克常量為h,則( AC ) A.滑片從最左端向右滑動過程,電流表示數(shù)會減小 B.滑片向左滑動過程,逸出功增大 C.可以計算出光電子遏制電壓為UC= D.若電流表示數(shù)為0時,則光電子離開陰極時動能為0 解析:由圖可知,光電管上所加的電壓為反向電壓,當滑片從最左端向右滑動過程,反向電壓變大,則到達A極的光電子數(shù)會減小,電流表示數(shù)會減小,選項A正確;金屬的逸出功由金屬本身決定,與外界條件無關(guān),選項B錯誤;逸出光電子的最大初動能Ekm=2.5hν0-h(huán)ν0=1.5hν0, 由Ekm=UCe=1.5hν0,解得U

31、C=,選項C正確;因光電管加反向電壓,若電流表示數(shù)為0,不能說明光電子離開陰極時動能為0,選項D錯誤。 4.(多選)(江蘇省鹽城市2016~2017學(xué)年高二下學(xué)期期中)用同一光電管研究a、b兩種單色光產(chǎn)生的光電效應(yīng),得到光電流I與光電管兩極間所加電壓U的關(guān)系如圖。則下列敘述正確的是( BD ) A.照射該光電管時a光使其逸出的光電子最大初動能大 B.b光光子能量比a大 C.極限頻率越大的金屬材料逸出功越小 D.光電管是基于光電效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件,可使光信號轉(zhuǎn)換成電信號 解析:由光電效應(yīng)方程mv=hν-W0,由題圖可得b光照射光電管時反向截止電壓大,則其逸出的光電子最大初動能大,

32、故A錯誤;由A的分析可得b光照射光電管時反向截止電壓大,使其逸出的光電子最大初動能大,所以b的頻率大,光子的能量大,故B正確;根據(jù)W0=hν0,可知,極限頻率越大其金屬材料逸出功越大,故C錯誤;光照射光電管,出現(xiàn)光電效應(yīng)現(xiàn)象,可使光信號轉(zhuǎn)換成電信號,故D正確。 基礎(chǔ)夯實 一、選擇題(1~5題為單選題,6、7題為多選題) 1.以下宏觀概念,哪些是“量子化”的( D ) A.木棒的長度 B.物體的質(zhì)量 C.物體的動量 D.學(xué)生的個數(shù) 解析:所謂“量子化”應(yīng)該是不連續(xù)的,一份一份的,故選項D正確。 2.溫度較低的恒星,在天空中呈現(xiàn)( A ) A.暗紅色 B.黃色 C

33、.白色 D.藍色 解析:恒星的顏色是由溫度決定的,溫度越低,顏色越偏紅,溫度越高,顏色越偏藍。故天空中呈現(xiàn)暗紅色,故A正確,B、C、D錯誤。 3.下列電磁波光子能量最強的是( B ) A.紫外線 B.X射線 C.可見光 D.紅外線 解析:紫外線、X射線、可見光、紅外線中X射線的波長最短、頻率最高,所以X射線光子的能量ε=hν最強,所以B正確;A、C、D錯誤。 4.白天的天空各處都是亮的,是大氣分子對太陽光散射的結(jié)果。假設(shè)一個運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后,電子向某一個方向運動,光子沿另一方向散射出去,則這個散射光子跟原來的光子相比( D ) A.頻率變大 B.頻率

34、不變 C.光子能量變大 D.波長變長 解析:運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞時,既遵守能量守恒,又遵守動量守恒。碰撞中光子將能量hν的一部分傳遞給了電子,光子的能量減少,波長變長,頻率減小,D選項正確。 5.(黑龍江綏化市肇東一中2015~2016學(xué)年高二下學(xué)期期中)愛因斯坦提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示,其中ν0為極限頻率。從圖中可以確定的是( D ) A.逸出功與ν有關(guān) B.Ekm與入射光強度成正比 C.ν<ν0時,會逸出光電子 D.圖中直線的斜率與普朗克常量

35、有關(guān) 解析:金屬的逸出功是由金屬自身決定的,與入射光頻率無關(guān),其大小W=hν,故A錯誤;根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ekm=hν-W,可知光電子的最大初動能Ekm與入射光的強度無關(guān),但入射光越強,光電流越大,只要入射光的頻率不變,則光電子的最大初動能不變,故B錯誤;要有光電子逸出,則光電子的最大初動能Ekm>0,即只有入射光的頻率大于金屬的極限頻率即ν>ν0時才會有光電子逸出。故C錯誤;根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ekm=hν-W,可知=h,故D正確。 6.在實驗室或工廠的高溫爐子上開一個小孔,小孔可看做黑體,由小孔的熱輻射特征,就可以確定爐內(nèi)的溫度,如圖所示,就是黑體的輻射強度與其輻射光波波長的

36、關(guān)系圖象,則下列說法正確的是( AD ) A. T1>T2 B. T1T2。本題正確選項為A、D。 7.(多選)(寧波諾丁漢大學(xué)附屬中學(xué)2017~2018

37、學(xué)年度高二下學(xué)期期中)如圖所示,兩平行金屬板A、B板間電壓恒為U,一束波長為λ的入射光射到金屬板B上,使B板發(fā)生了光電效應(yīng),已知該金屬板的逸出功為W,電子的質(zhì)量為m,電荷量為e,已知普朗克常量為h,真空中光速為c,下列說法中正確的是( ABD ) A.入射光子的能量為h B.到達A板的光電子的最大動能為h-W+eU C.若增大兩板間電壓,B板沒有光電子逸出 D.若減小入射光的波長一定會有光電子逸出 解析:根據(jù)E=hν,而ν=,則光子的能量為h,故A正確;光電子的逸出最大動能Ekm=h-W,根據(jù)動能定理,Ekm′-Ekm=eU,則到達A板的光電子的最大動能為h-W+eU,故B正確;

38、若減小入射光的波長,那么頻率增大,一定會有光電子逸出,故D正確;金屬板的逸出功與極限頻率有關(guān),與板間電壓無關(guān),故C錯誤。 二、非選擇題 8.有一個成語叫做“爐火純青”,原意說的是道士煉丹時候的溫度控制,溫度高低主要是靠看火焰的顏色,溫度低的時候,是偏紅的,溫度最高的時候,才呈現(xiàn)青色,所以爐火純青表示溫度已經(jīng)足夠高了。怎樣用熱輻射來解釋溫度與顏色的關(guān)系? 解析:黑體輻射與溫度之間有著密切的關(guān)系,熱輻射的光譜是連續(xù)光譜,輻射光譜的性質(zhì)與溫度有關(guān),在室溫下,大多數(shù)物體輻射不可見的紅外光。但當物體被加熱到500℃左右時,開始發(fā)出暗紅色的可見光,隨著溫度的不斷上升,輝光逐漸亮起來,而且波長較短的輻

39、射越來越多,大約在1500℃時就會變成明亮的白熾光。這說明同一物體在一定溫度下所輻射的能量,在不同光譜區(qū)域的分布是不均勻的,而且溫度越高,光譜中與能量最大的輻射相對應(yīng)的頻率也越高。因此,火焰顏色也隨之而改變。 能力提升 一、選擇題(1~2題為單選題,3~4題為多選題) 1.在自然界生態(tài)系統(tǒng)中,蛇與老鼠和其他生物通過營養(yǎng)關(guān)系構(gòu)成食物鏈,在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮重要的作用。蛇是老鼠的天敵,它是通過接收熱輻射來發(fā)現(xiàn)老鼠的。假設(shè)老鼠的體溫約37℃,它發(fā)出的最強的熱輻射的波長為λm。根據(jù)熱輻射理論,λm與輻射源的絕對溫度T的關(guān)系近似為Tλm=2.90×10-3m·K。 (1)老鼠發(fā)出最強的熱

40、輻射的波長為( B ) A.7.8×10-5m B.9.4×10-6m C.1.16×10-4m D.9.7×10-8m (2)老鼠發(fā)生的最強的熱輻射屬于( C ) A.可見光波段 B.紫外波段 C.紅外波段 D.X射線波段 解析:(1)老鼠的體溫T=(273+37)K=310K 由題設(shè)條件λm與T的近似關(guān)系式:λmT=2.90×10-3m·K 得λm==m≈9.4×10-6m,B正確。 (2)可見光的波長范圍4.0×10-7~7.0×10-7m,λm大于此范圍,所以屬于紅外線,C正確。也可根據(jù)老鼠的體溫不高,不能輻射可見光進行判斷。 2.(湖北宜昌市葛州壩中學(xué)20

41、15~2016學(xué)年高二下學(xué)期期中)在光電效應(yīng)實驗中,飛飛同學(xué)用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光),如圖所示。則可判斷出( B ) A.甲光的頻率大于乙光的頻率 B.乙光的波長大于丙光的波長 C.乙光對應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率 D.甲光對應(yīng)的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能 解析:該題考查了光電效應(yīng)問題,應(yīng)根據(jù)截止電壓判斷頻率。由eUc=mv2=hν-W可知ν丙>ν甲=ν乙 λ甲=λ乙>λ丙,所以A、D錯誤,B正確;由于hν0=W,所以C錯誤。 3.(河北冀州中學(xué)2016~2017年學(xué)高二下學(xué)期期中)如圖所示是用光照

42、射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,由圖可知( AC ) A.該金屬的極限頻率為4.3×1014Hz B.該金屬的極限頻率為5.5×1014Hz C.該圖線的斜率表示普朗克常量 D.該金屬的逸出功為0.5eV 解析:由光電效應(yīng)方程Ekm=hν-W知圖線與橫軸交點為金屬的極限頻率,即ν0=4.3×1014Hz,A正確,B錯誤;該圖線的斜率為普朗克常量,C正確;金屬的逸出功W=hν0=6.63×10-34×4.3×1014/1.6×10-19eV≈1.8eV,D錯誤。 4.(江西省南康中學(xué)2016~2017學(xué)年高二下

43、學(xué)期期中)用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。當用光子能量為2.75eV的光照射到光電管上時發(fā)生了光電效應(yīng),電流表G的示數(shù)不為零;移動變阻器的觸頭c,發(fā)現(xiàn)當電壓表的示數(shù)大于或等于1.7V時,電流表示數(shù)為0,則下列說法正確的是( BD ) A.光電子的最大初動能始終為1.05eV B.光電管陰極的逸出功為1.05eV C.當滑動觸頭向a端滑動時,反向電壓增大,電流增大 D.改用能量為2.5eV的光子照射,移動變阻器的觸頭c,電流表G中也可能有電流 解析:由愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0可知,同種金屬的逸出功相同,所以光電子逸出后的初動能取決于獲得的能量,A錯誤;當電壓表示數(shù)大于

44、或等于1.7V時,電流表無示數(shù),說明遏止電壓為1.7V,由eU=mv2,可求得光電管的逸出功為1.05eV,B正確;若光的頻率不變,反向電壓大于遏止電壓后電路中就不再有電流,C錯誤;當入射光頻率超過截止頻率,且反向電壓小于遏止電壓,電路中就會有電流,D正確。 二、非選擇題 5.如圖所示,當電鍵S斷開時,用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上電鍵,調(diào)節(jié)滑動變阻器,發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.60V時,電流表讀數(shù)仍不為零;當電壓表讀數(shù)大于或等于0.60V時,電流表讀數(shù)為零。 (1)求此時光電子的最大初動能的大小。 (2)求該陰極材料的逸出功。 答案:(1)0.6eV (2)1.9eV 解析:設(shè)用光子能量為2.5eV的光照射時,光電子的最大初動能為Ek,陰極材料逸出功能為W0。 當反向電壓達到U=0.60V以后,具有最大初動能的光電子達不到陽極,因此eU=Ek 由光電效應(yīng)方程:Ek=hν-W0 由以上二式:Ek=0.6eV,W0=1.9eV。 20

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