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1、1 能量量子化：物理學(xué)的新紀(jì)元 2 光的粒子性 皰丁巧解牛 知識(shí)·巧學(xué) 一、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)，所以叫做熱輻射. 深化升華 物體在任何溫度下都會(huì)發(fā)射電磁波，溫度不同，所發(fā)射的電磁波的頻率、強(qiáng)度也不同. (2)熱輻射的特性：輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨物體的溫度而有所不同.當(dāng)物體溫度較低時(shí)(如室溫)，熱輻射的主要成分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波(在紅外線區(qū)域)，不能引起人的視覺(jué)；當(dāng)溫度升高時(shí)，熱輻射中較短波長(zhǎng)的成分越來(lái)越強(qiáng)，可見(jiàn)光所占份額增大，如燃燒的炭塊會(huì)發(fā)出醒目的紅光. 深化升華 輻射的能量中包含各種

2、波長(zhǎng)的電磁波；物體溫度越高，單位時(shí)間從物體表面單位面積上輻射的能量越大；在輻射的總能量中，各種波長(zhǎng)所占的百分比不同. 誤區(qū)提示 不要認(rèn)為只有熱的物體才發(fā)生熱輻射，不要將熱輻射和熱傳遞中的輻射相提并論. 2.絕對(duì)黑體(簡(jiǎn)稱黑體) 在熱輻射的同時(shí)，物體表面還會(huì)吸收和反射外界射來(lái)的電磁波，如果一個(gè)物體能夠完全吸收投射到其表面的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體. 要點(diǎn)提示 所謂“黑體”是指能夠全部吸收所有頻率的電磁輻射的理想物體.絕對(duì)的黑體實(shí)際上是不存在的，但可以用某種裝置近似地代替. 深化升華 ①黑體是一個(gè)理想化的物理模型；②黑體看上去不一定是黑的，有些可看作黑

3、體的物體由于自身有較強(qiáng)的輻射，看起來(lái)還會(huì)很明亮，如煉鋼爐口上的小孔，一些發(fā)光體(如太陽(yáng)、白熾燈絲)也被當(dāng)作黑體來(lái)處理. 二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 1.對(duì)于一般材料的物體，輻射的電磁波除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān).而黑體的輻射規(guī)律最為簡(jiǎn)單，黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)；隨著溫度的升高，一方面黑體輻射各種波長(zhǎng)電磁波的本領(lǐng)都有所增加，另一方面輻射本領(lǐng)的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng). 2.熱輻射的“紫外災(zāi)難” 1900年英國(guó)物理學(xué)家瑞利從經(jīng)典電磁理論出發(fā)推導(dǎo)出的熱輻射公式，其預(yù)測(cè)的結(jié)果在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)吻合，而在短波部分偏差較大，不但不符，而且當(dāng)波長(zhǎng)趨于零時(shí)，輻

4、射竟變成無(wú)窮大，這顯然是荒謬的.由于波長(zhǎng)很小的輻射處在紫外線波段，故而由理論得出的這種荒謬結(jié)果被認(rèn)為是物理學(xué)理論的災(zāi)難，當(dāng)時(shí)稱為“紫外災(zāi)難”. 三、能量量子假說(shuō) 1.物體熱輻射所發(fā)出的電磁波是通過(guò)內(nèi)部的帶電諧振子向外輻射的，諧振子所發(fā)出的電磁波是通過(guò)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(gè)能量量子，其中ν是諧振子的振動(dòng)頻率，h是一個(gè)常數(shù)，稱為普朗克常量. 2.普朗克常量：h=6.63×10-34 J·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(shí)驗(yàn)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. 辨析

5、比較 在宏觀世界里，一個(gè)物理量的取值通常是連續(xù)的，但在微觀世界里，物理量的取值很多時(shí)候是不連續(xù)的，只能取一些分立的值. 聯(lián)想發(fā)散 傳統(tǒng)的電磁理論認(rèn)為光是一種電磁波，能量是連續(xù)的，能量大小決定于波的振幅和光照時(shí)間，普朗克為了克服經(jīng)典物理學(xué)對(duì)黑體輻射現(xiàn)象解釋的困難而提出了能量子假說(shuō). 四、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 1.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究 如圖17-1-1所示，用紫外光照射一塊擦亮的與驗(yàn)電器相連接的鋅板，會(huì)發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器的金屬箔張開(kāi)一個(gè)角度，說(shuō)明光的照射使鋅板帶了電.用絲綢擦過(guò)的玻璃棒接觸鋅板，驗(yàn)電器張角更大，說(shuō)明原來(lái)不帶電的鋅板在紫外線照射下帶上了正電，表明電子在紫外線照射下逸出了鋅板表面.

6、圖17-1-1 2.定義：在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng). 3.光電子：在光電效應(yīng)中，逸出來(lái)的電子叫做光電子. 深化升華 (1)光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象電現(xiàn)象；(2)定義中光包括不可見(jiàn)光；(3)圖17-1-1所示的實(shí)驗(yàn)中，使鋅板發(fā)射出電子的光是紫外線. 4.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 (1)實(shí)驗(yàn)探究 ①實(shí)驗(yàn)原理和裝置如圖17-1-2所示. 圖17-1-2 學(xué)法一得 光照強(qiáng)度可以通過(guò)改變光罩上出射孔的數(shù)目或大小來(lái)改變；光電頻率可以用不同的濾色片來(lái)改變. ②在頻率不變的情況下，改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，觀察光電流的大小變化情況. 在光照強(qiáng)度一定的情況下，更換濾色片來(lái)改變?nèi)?/p>

7、射光的頻率，觀察光電流大小的變化情況. 深化升華 光電流：陰極在光照條件下發(fā)射出的光電子被陽(yáng)極收集，在回路中形成電流，稱為光電流.為了把光子盡可能多地收集到陽(yáng)極，以增強(qiáng)光電流，通常在光電管的兩極上加上正向電壓，增加正向電壓可以使光電流增大. 探究結(jié)論:入射光的頻率較高時(shí)，會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，光電流隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大. 入射光的頻率較低時(shí)，無(wú)論光照強(qiáng)度多強(qiáng)，都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng). (2)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 ①存在著飽和電流.入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多. 聯(lián)想發(fā)散 入射光強(qiáng)度，指的是單位時(shí)間內(nèi)入射在金屬單位面積上的光子總能量，在入射光頻率不變的情況下，光強(qiáng)與光子數(shù)成正

8、比.換用不同頻率的光，即使光強(qiáng)度相同，光子數(shù)目也不同，因而逸出的光電子數(shù)目也有區(qū)別. 誤區(qū)警示 并不是正向電壓越大，光電流越大.在光照條件不變的情況下，電流較小時(shí)光電流隨著電壓的增大而增大；但當(dāng)電流增大到一定值后，所有光電子都被陽(yáng)極吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大. ②存在著遏止電壓和截至頻率 a.遏止電壓.定義：在強(qiáng)度和頻率一定的光照射下，回路中的光電流會(huì)隨著反向電壓的增加而減小，并且當(dāng)反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，光電流將會(huì)減小到零，我們把這時(shí)的電壓稱為遏止電壓.用符號(hào)U表示. 深化升華 遏止電壓與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，與入射光的頻率有關(guān)，入射光頻率越大，遏止電壓越大. b.截至頻

9、率(也叫極限頻率) 對(duì)于每一種金屬，只有當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率ν0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電流，我們將ν0稱為極限頻率，其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為極限波長(zhǎng). 極限頻率對(duì)應(yīng)于某種金屬，不同金屬的極限頻率是不同的，但對(duì)于同種金屬的極限頻率是確定的. 深化升華 任何一種金屬都有一個(gè)極限頻率，入射光頻率必須高于這個(gè)極限頻率，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率的不能發(fā)生光電效應(yīng)，能否發(fā)生光電效應(yīng)，不取決于光強(qiáng)，只取決于頻率. c.效應(yīng)具有瞬時(shí)性.入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9 s. 深化升華 (1)照射光頻率決定著：①是否產(chǎn)生光電效應(yīng)；②發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大初動(dòng)能. (2

10、)照射光強(qiáng)度決定著單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的電子數(shù). 五、電磁理論解釋的困難 1.電磁理論對(duì)光照強(qiáng)度的解釋：在光的照射下，物體內(nèi)部的電子受到電磁波的作用做受迫振動(dòng).光越強(qiáng)，電磁波的振幅越大，對(duì)電子的作用越強(qiáng)，電子振動(dòng)得越劇烈，因而，電子就越容易從物體內(nèi)部逃逸出來(lái).即入射光的能量由光強(qiáng)決定. 2.電磁理論與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾 (1)光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，而不像電磁理論中應(yīng)由入射光的強(qiáng)度決定. (2)光電效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間極短，電子吸收光的能量是瞬時(shí)完成的，而不像電磁理論所預(yù)計(jì)的那樣能量要逐漸積累. 聯(lián)想發(fā)散 經(jīng)典電磁理論已經(jīng)不能解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，只能用新的理論來(lái)解釋光電效

11、應(yīng)現(xiàn)象. 3.逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功. 要點(diǎn)提示 不同金屬的逸出功不同. 六、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程 1.愛(ài)因斯坦的光子說(shuō) 1905年愛(ài)因斯坦在普朗克建立的量子理論的基礎(chǔ)上利用光子說(shuō)成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象及規(guī)律. 2.光子說(shuō) 看似連續(xù)的光實(shí)際上是由個(gè)數(shù)有限、分立于空間各點(diǎn)的光子組成的，每一個(gè)光子的能量為hν(h是普朗克常量，h=6.63×10-34 J·s,ν是光的頻率). 要點(diǎn)提示 光在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的. 3.光子 光本身就是由一個(gè)個(gè)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(lái)被稱

12、之為光子. 聯(lián)想發(fā)散 光子假說(shuō)是愛(ài)因斯坦把普朗克的能量量子化思想推廣到輻射場(chǎng)的能量量子化，其光子概念是量子化思想的一個(gè)質(zhì)的飛躍. 4.光電效應(yīng)方程 愛(ài)因斯坦認(rèn)為，一個(gè)入射光子的能量只能被一個(gè)電子獲得，這個(gè)電子能否從金屬中逸出，取決于兩個(gè)因素：一是電子獲得了多少能量，即入射光子的能量有多大；二是金屬對(duì)逸出電子的束縛導(dǎo)致電子逸出時(shí)消耗了多少能量.光電效應(yīng)中，從金屬表面逸出的電子消耗能量最少，因而有最大初動(dòng)能. 光電效應(yīng)方程：根據(jù)能量守恒定律，光電子的最大初動(dòng)能Ekm跟入射光子的能量hν和逸出功W的關(guān)系為hν=W+mv2或表示為hν=W+Ekm. 這個(gè)方程稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程. 愛(ài)因

13、斯坦光電效應(yīng)方程式中Ekm是光電子的最大初動(dòng)能，hν是入射光子的能量，W叫做金屬的逸出功，即從金屬表面逸出時(shí)克服表面引力所做的功(消耗的能量)，極限頻率滿足：hν0=W.不同金屬的W不同，因此不同金屬發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率ν0不同. 5.對(duì)光電效應(yīng)的解釋 (1)光電效應(yīng)存在截至頻率：光電效應(yīng)的條件是光子的能量ε=hν必須大于或至少等于逸出功W0，即νc=就是光電效應(yīng)的截至頻率. (2)入射光照射到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9 s：一個(gè)電子只能接收一個(gè)光子的能量，若光子能量大于逸出功，則電子吸收后立即逸出光電子，幾乎不需要時(shí)間；若光子能量小于逸出功，不能發(fā)生光電效

14、應(yīng)現(xiàn)象，無(wú)論照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不能逸出光電子. (3)光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流大.所以飽和電流與光強(qiáng)成正比. 深化升華 光子與電子的作用可以認(rèn)為是一對(duì)一的關(guān)系，即一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子.由于電子不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)可知，一個(gè)電子接收到兩個(gè)光子的可能性幾乎為零. 記憶要訣 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律可理解記憶：“放(出光電子)不放，看光限(入射光最低頻率)；放多少(光電子)，看光強(qiáng)；(光電子的)最大初動(dòng)能大小，看(入射光的)頻率；要放瞬時(shí)放.” 6.光強(qiáng) “如果入射光比較強(qiáng)，那就是單位時(shí)間內(nèi)入射光子數(shù)目多，因此產(chǎn)生的光電子也就多.”所以

15、，有些人就認(rèn)為，入射光強(qiáng)度指的是單位時(shí)間內(nèi)入射光子數(shù)目的多少，其實(shí)這種觀點(diǎn)有些不妥，應(yīng)該知道，入射光的強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)沿光傳播方向上單位橫截面積所通過(guò)的能量，即l=nhν，其中n和ν的含義分別為單位時(shí)間內(nèi)沿光傳播方向上單位截面積通過(guò)的光子數(shù)和光子的頻率，光的強(qiáng)度不但與n有關(guān)，也與ν有關(guān). 聯(lián)想發(fā)散 在光的頻率不變的條件下，也就是說(shuō)對(duì)同種光而言，如果入射光的強(qiáng)度發(fā)生變化，那只是入射光子數(shù)n在變，因而光電子的最大初動(dòng)能不變，然而對(duì)于不同種光來(lái)說(shuō)，由光電效應(yīng)方程：Ekm=hν-W可知，在逸出功W一定的情況下，光電子的最大初動(dòng)能只隨著入射光的頻率的增大而增大. 7.光子說(shuō)的重要意義 (1)光子

16、說(shuō)能很好地解釋光電效應(yīng). (2)光由大量的微粒即光子構(gòu)成，證實(shí)光確實(shí)具有粒子性. 聯(lián)想發(fā)散 愛(ài)因斯坦對(duì)理論物理的研究貢獻(xiàn)很大，成果很多，但只有其提出的光子假說(shuō)獲得了諾貝爾獎(jiǎng). 七、康普頓效應(yīng) 1.康普頓效應(yīng) (1)X射線散射實(shí)驗(yàn)原理 如圖17-1-3所示，X射線管發(fā)出波長(zhǎng)為λ0的X射線，通過(guò)小孔形成一束射線，投射到散射物石墨上，X射線在石墨上被散射，用X射線光譜儀可以測(cè)得被散射X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度. 圖17-1-3 X射線實(shí)驗(yàn)原理 (2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1918—1922年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的X射線中，除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有波長(zhǎng)

17、比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線.人們把這種波長(zhǎng)變化的現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng). 光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫做光的散射. 2.康普頓效應(yīng)的理論與解釋 (1)美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究X射線通過(guò)金屬、石墨等物質(zhì)的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了有與入射波長(zhǎng)λ0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于λ0的成分，人們把這種波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng). (2)經(jīng)典電磁理論的困難：散射前后光的頻率不變，因而散射光的波長(zhǎng)與入射光的波長(zhǎng)應(yīng)該相同，不應(yīng)出現(xiàn)λ＞λ0的散射光. (3)愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)：光子具有能量ε=hν，光子具有動(dòng)量p==. (4)康普頓用光子說(shuō)成功解釋了康普頓效應(yīng)：他認(rèn)為散

18、射后X射線波改變，是X射線光子和物質(zhì)中電子碰撞的結(jié)果，由于光子的速度是光速，非常大，而物質(zhì)中的電子速度相對(duì)很小，因此可以看作電子靜止，碰撞前后動(dòng)量和能量都守恒，碰撞前后電子動(dòng)量和能量增加，光子的動(dòng)量和能量減小，故散射后光的波長(zhǎng)變長(zhǎng). (5)康普頓效應(yīng)進(jìn)一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛(ài)因斯坦光子說(shuō)的正確性. 深化升華 ①康普頓提出的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，從而進(jìn)一步說(shuō)明了光具有粒子性；②發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)取決于入射光的波長(zhǎng).當(dāng)波長(zhǎng)較短的X射線或γ射線入射時(shí)，產(chǎn)生康普頓效應(yīng)；當(dāng)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見(jiàn)光或紫外線入射時(shí)，主要產(chǎn)生光電效應(yīng). 八、光子的動(dòng)量 光子不僅具有能量，而且還具有動(dòng)量，其大小

19、為：p==. 典題·熱題 知識(shí)點(diǎn)一 熱輻射 例1 煉鋼工人通過(guò)觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色，就可以估計(jì)出爐內(nèi)的溫度，這是根據(jù)什么道理？ 解析：根據(jù)熱輻射的規(guī)律可知，當(dāng)物體的溫度升高時(shí)，熱輻射中較短波長(zhǎng)的成分越來(lái)越強(qiáng)，可見(jiàn)光所占份額增大，溫度越高紅光成分減少，頻率比紅光大的其他顏色的光，為橙、黃、綠、藍(lán)、紫等光的成分就增多，因此可根據(jù)爐內(nèi)光的顏色大致估計(jì)爐內(nèi)的溫度. 知識(shí)點(diǎn)二 能量子 例2 光是一種電磁波，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)的大致范圍是400—700 nm，400 nm、700 nm電磁輻射的能量子的值各是多少？ 解析：根據(jù)公式ν=和ε=hν可知： 400 nm對(duì)應(yīng)的能量子ε1=h=6.63×1

20、0-34× J≈4.97×10-19 J 700 nm對(duì)應(yīng)的能量子ε2=h=6.63×10-34× J≈2.84×10-19 J. 方法歸納 能量子的值非常小，在宏觀世界里一般觀測(cè)不到能量子的效應(yīng)，可近似認(rèn)為能量是連續(xù)的，因此經(jīng)典物理學(xué)能很好地解釋宏觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但當(dāng)人們的視野深入到原子以下的微觀世界中時(shí)，就必須考慮能量的量子化. 例3 一燈泡功率P=1 W，均勻地向周圍輻射平均波長(zhǎng)λ=10-6 cm的光，求距燈泡10 km處，垂直于光的傳播方向上，1 cm 2面積上每秒通過(guò)的光子數(shù). 解析：把燈泡看成點(diǎn)光源，若不考慮光在傳播過(guò)程中的能量損失，則燈泡輻射的光子向各個(gè)方向的數(shù)目是均等

21、的，1 s內(nèi)所有輻射的光子都通過(guò)半徑為10 km以燈泡為球心的球體表面，即可求出單位面積上平均通過(guò)的光子數(shù). 以光源為中心的每個(gè)球面上每秒鐘通過(guò)的能量為E=Pt=1×1 J=1 J. 設(shè)距光源s cm處在垂直于光線的1 cm2面積上每秒鐘通過(guò)的能量為Es，則Es=.因?yàn)槊總€(gè)光子的能量為E0=，所以垂直于光線的1 cm2面積上每秒鐘通過(guò)的光子數(shù)為：n===≈4.0×103(個(gè)). 方法歸納 理解掌握光子說(shuō)的內(nèi)容，正確構(gòu)建物理模型，將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為理想化模型是解決實(shí)際問(wèn)題的基本方法. 例4 太陽(yáng)光垂直射到地面上時(shí)，地面上1 m2接收的太陽(yáng)光的功率為1.4 kW，其中可見(jiàn)光部分約占45%.

22、 (1)假設(shè)認(rèn)為可見(jiàn)光的波長(zhǎng)約為0.55 μm，日地間距離R=1.5×1011 m.普朗克恒量h=6.6×10-34 J·s，估算太陽(yáng)每秒輻射出的可見(jiàn)光光子數(shù)為多少. (2)若已知地球的半徑為6.4×106 m，估算地球接收的太陽(yáng)光的總功率. 解析：設(shè)想一個(gè)以太陽(yáng)為球心，以日、地距離為半徑的大球面積包圍著太陽(yáng).大球面接收的光子數(shù)等于太陽(yáng)輻射的全部光子數(shù)；地球背著陽(yáng)光的半個(gè)球面沒(méi)有接收太陽(yáng)光，地球向陽(yáng)的半個(gè)球面面積也不都與太陽(yáng)光垂直.接收太陽(yáng)光輻射且陽(yáng)光垂直的有效面積是以地球半徑為半徑的圓面面積. (1)設(shè)地面上垂直陽(yáng)光每平方米面積上每秒接收的可見(jiàn)光光子數(shù)為n，則有 P×45%=nh

23、解得：n==m-2=1.75×1021 m-2 則所求可見(jiàn)光光子數(shù) N=n·4πR2=1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2=4.9×1044(個(gè)). (2)地球接收陽(yáng)光的總功率 P地=Pπr2=1.4×3.14×(6.4×106)2 kW≈1.8×1017 kW. 方法歸納 本題求解關(guān)鍵要明確兩點(diǎn)：一是運(yùn)用能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，正確求得可見(jiàn)光子數(shù)；二是正確建立模型，即以太陽(yáng)為球心，日地距離為半徑的球面模型和以地球半徑為半徑的圓平面面積模型. 知識(shí)點(diǎn)三 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 例5 (經(jīng)典回放)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖17-1-4所示，則下面說(shuō)法中正確的是( )

24、 圖17-1-4 A.用紫外光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) B.用綠光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) C.鋅板帶的是負(fù)電荷 D.使驗(yàn)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(yàn)電器，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度，說(shuō)明鋅板帶了電，進(jìn)一步研究表明鋅板帶正電.這說(shuō)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(lái)，鋅板中缺少電子，于是帶正電，A、D選項(xiàng)正確.綠光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng). 答案：AD 知識(shí)點(diǎn)四 光電效應(yīng)的規(guī)律 例6 一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng)，則下列說(shuō)法正確的是( ) A.若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電

25、子數(shù)增加 B.若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電子最大初動(dòng)能增加 C.若改用紫光照射，則可能不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng) D.若改用紫光照射，則逸出的光電子的最大初動(dòng)能增加 解析：光電效應(yīng)的規(guī)律表明：入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應(yīng)以及發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能大小，當(dāng)入射光頻率增加時(shí)，產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能增加；而照射光的強(qiáng)度增加，會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加，紫光頻率高于綠光，故上述選項(xiàng)正確的是A、D. 答案：AD 誤區(qū)警示 對(duì)光的強(qiáng)度和光子能量的關(guān)系不清楚，對(duì)光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)的物理模型不明確，是出現(xiàn)錯(cuò)誤的主要原因，只有牢記發(fā)生光電效應(yīng)的條件及其規(guī)律才能很好地解決此類問(wèn)

26、題. 例7 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(gè)過(guò)程中，對(duì)下列四個(gè)量，一定相同的是_________________，可能相同的是___________________，一定不相同的是_________________. A.光子的能量 B.金屬的逸出功 C.光電子動(dòng)能 D.光電子最大初動(dòng)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，鋅片和銀片的光電效應(yīng)中，光電子的逸出功不一定不相同.由Ek=hν-W，照射光子能量h

27、ν相同，逸出功W不同，則電子最大初動(dòng)能也不同.由于光電子吸收光子后到達(dá)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(shí)的動(dòng)能可能分布在零到最大初動(dòng)能之間.所以，兩個(gè)不同光電效應(yīng)的光電子中，有時(shí)初動(dòng)能是可能相等的. 答案：A C BD 方法歸納 光頻率決定光子能量，金屬材料決定光電子的逸出功，光電子的最大初動(dòng)能由光頻率和金屬材料共同決定. 例8 如圖17-1-5所示，陰極K用極限波長(zhǎng)λ0=0.66 μm的金屬銫制成，用波長(zhǎng)λ=0.50 μm的綠光照射陰極K調(diào)整兩個(gè)極板電壓，當(dāng)A板電壓比陰極高出2.5 V時(shí)，光電流達(dá)到飽和，電流表示數(shù)為0.64 μA，求： 圖17-1-5

28、 (1)每秒陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極時(shí)的最大初動(dòng)能. (2)如果把照射陰極綠光的光強(qiáng)增大為原來(lái)的2倍，每秒陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極的最大初動(dòng)能. 解析：飽和電流的值I與每秒內(nèi)陰極發(fā)射的電子數(shù)的關(guān)系是I=ne. 電子從陰極K飛出的最大初動(dòng)能Ek=hν-W.電子從陰極K飛向陽(yáng)極A時(shí)，還會(huì)被電場(chǎng)加速，使其動(dòng)能進(jìn)一步增大. (1)當(dāng)陰極發(fā)射的光電子全部達(dá)到陰極A時(shí)，光電流達(dá)到飽和，由電流可知每秒到達(dá)陰極的電子數(shù)，即每秒發(fā)射的電子數(shù). n===4.0×1012(個(gè)). 根據(jù)愛(ài)因斯坦光電方程，光電子的最大初動(dòng)能為 mv2=hν-W=h-h=6.63×10-34×3×108

29、×(-)J=9.5×10-20 J. (2)如果照射光的頻率不變，光強(qiáng)加倍，根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，陰極每秒發(fā)射的光電子數(shù)為n′=2n=0.8×1012個(gè). 光電子的最大初動(dòng)能仍然是mv2=9.5×10-20 J. 方法歸納 要正確解答此類問(wèn)題，一定要深刻理解光子說(shuō)和愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，從陰極飛出的光電子數(shù)量與光強(qiáng)有關(guān)，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率和金屬逸出功有關(guān)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān). 知識(shí)點(diǎn)五 光電效應(yīng)與光的色散的綜合 例9 一束平行光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后，分解為互相分離的三束光，分別照在相同的金屬板a、b、c上，如圖17-1-6所示，已知金屬板b有光電子放出，則可知( )

30、圖17-1-6 A.板a一定不放出光電子 B.板a一定能放出光電子 C.板c一定不放出光電子 D.板c一定能放出光電子 解析：從棱鏡對(duì)光的色散可知，光的頻率越大，在同一介質(zhì)的折射率越大，由題意：νa＜νb＜νc，同種材料極限頻率相同.由b板有光電子，則發(fā)生光電效應(yīng)，則c一定可放出光電子，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確.但射到a板上的光的頻率不能確定是否大于極限頻率，所以不能判斷能否發(fā)生光電效應(yīng)，所以選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤. 答案：D 方法點(diǎn)撥 通過(guò)光的折射找出三束光的頻率大小關(guān)系是解決本題的關(guān)鍵. 問(wèn)題·探究 實(shí)驗(yàn)論證探究 問(wèn)題根據(jù)如圖17-1-7所示的研究光電效應(yīng)的電路，

31、利用能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的兩種(或多種)已知頻率的光來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，怎樣測(cè)出普朗克常量？根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明實(shí)驗(yàn)步驟和應(yīng)該測(cè)量的物理量，寫出根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算普朗克常量的關(guān)系式. 圖17-1-7 探究過(guò)程:實(shí)驗(yàn)原理：將圖中電路圖電源正負(fù)極對(duì)調(diào)，滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭滑至最左端，當(dāng)頻率分別為ν1、ν2時(shí)，測(cè)出遏止電壓U1、U2，由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可得eU1=hν1-W0，eU2=hν2-W0，聯(lián)立以上兩式，解得：h=e.其中e為電子的電量，測(cè)出U1與U2就可以測(cè)出普朗克常量. 實(shí)驗(yàn)器材：光電管、滑動(dòng)變阻器、電流表、電壓表、電源、導(dǎo)線. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程：(1)將圖中電路圖電源正負(fù)對(duì)調(diào)，滑動(dòng)變阻器觸頭滑至最左端

32、，用頻率為ν1的光照射，此時(shí)電流表中有電流.將滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭緩慢右滑，同時(shí)觀察電流表，當(dāng)電流表示數(shù)為零時(shí)，停止滑動(dòng).記下伏特表的示數(shù)U1； (2)用頻率為ν1的光照射，重復(fù)(1)的操作，記下伏特表的示數(shù)U2； (3)應(yīng)用h=e計(jì)算h； (4)多次測(cè)量取平均值. 思想方法探究 問(wèn)題 光源的功率和光的強(qiáng)度是一回事嗎？ 探究過(guò)程：(1)光源的功率(P)——光源每單位時(shí)間內(nèi)輻射的光子的總能量，即P=Nhν. 式中N為光源單位時(shí)間內(nèi)輻射的光子數(shù). (2)光的強(qiáng)度(I)——在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的光子的總能量即I=N0hν，式中N0表示單位時(shí)間垂直通過(guò)單位面積的光子數(shù). 探究結(jié)論:光源的功率和光的強(qiáng)度，是兩個(gè)不同的概念.