第1节 量子概念的诞生 第2节 光电效应与光量子假说.docx
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第1节量子概念的诞生第2节光电效应与光量子假说
第1节 量子概念的诞生
第2节 光电效应与光量子假说
学习目标
核心提炼
1.了解黑体辐射及能量子概念,知道黑体辐射的实验规律。
3个概念——黑体 黑体辐射 能量子
4个光电效应规律——截止频率 光强与光电流的关系 最大初动能与入射光频率的关系 瞬时性
1个光电效应方程——hν=
mv2+A
2.知道普朗克提出的能量子假说。
3.了解光电效应及其实验规律,感受以实验为基础的科学研究方法。
4.知道光电效应方程及其意义,感受科学家在面对科学疑难时的创新精神。
一、热辐射、黑体与黑体辐射
1.热辐射:
我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量,辐射强度随波长的分布与物体的温度有关。
2.黑体:
能够全部吸收外来电磁波而不发生反射的物体。
3.一般材料物体的辐射规律:
辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。
4.黑体辐射:
加热腔体,黑体表面就向外辐射电磁波的现象。
思考判断
(1)只有高温物体才能辐射电磁波。
( )
(2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。
( )
(3)温度越高,黑体辐射电磁波的强度越大。
( )
答案
(1)×
(2)√ (3)√
二、能量子
1.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ε的整数倍,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2.能量子大小:
ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常数。
h=6.626×10-34J·s(一般取h=6.63×10-34J·s)。
3.能量子提出的意义:
打破了一切自然过程都是连续变化的经典看法,第一次向人们展示了自然界的非连续特性。
思考判断
(1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。
( )
(2)能量子的能量不是任意的,其大小与电磁波的频率成正比。
( )
答案
(1)√
(2)√
三、光电效应
1.光电效应:
当光照射在金属表面上时,金属中的电子吸收光的能量而逸出金属表面的现象。
2.光电子:
光电效应中发射出来的电子。
3.光电效应的四个特征
(1)发生条件:
对于给定的光电阴极材料,都存在一个截止频率ν0,只有超过截止频率ν0的光,才能引起光电效应。
(2)光电流的大小:
由光强决定,光强愈大,光电流愈大。
(3)光电子的最大初动能:
与入射光的频率成线性关系。
(4)光电效应具有瞬时性:
光电效应中产生电流的时间不超过10-9s。
思考判断
(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。
( )
(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。
( )
(3)入射光照射到金属表面上时,光电子几乎是瞬时发射的。
( )
答案
(1)×
(2)× (3)√
四、爱因斯坦的光子说与光电效应方程
1.光子说:
光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,这些能量子被称为光子。
2.爱因斯坦的光电效应方程
(1)表达式:
hν=
mv2+A。
(2)物理意义:
金属板内的电子从入射光中吸收一个光子的能量hν之后,一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需做的功A,叫逸出功;另一部分转换为光电子的动能
mv2。
3.截止频率:
当最大初动能等于零时,金属表面不再有光电子逸出,这时入射光的频率就是截止频率ν0=
。
思考判断
(1)“光子”就是“光电子”的简称。
( )
(2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。
( )
(3)入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,照射出的光电子越多。
( )
答案
(1)×
(2)× (3)√
黑体辐射的规律
[要点归纳]
1.一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、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电磁波波长等因素有关
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
完全吸收各种入射电磁波,不反射
2.随着温度的升高,黑体辐射的各种波长的辐射强度都有增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
[精典示例]
[例1](多选)黑体辐射的实验规律如图1所示,由图可知( )
图1)
A.随温度升高,各种波长的辐射强度都增加
B.随温度降低,各种波长的辐射强度都增加
C.随温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D.随温度降低,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
解析 由题图可知,随温度升高,各种波长的辐射强度都增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,当温度降低时,上述变化都将反过来。
答案 ACD
[针对训练1]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
答案 C
能量子的理解和计算
[要点归纳]
1.物体在发射或接收能量的时候,只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态,而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。
2.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为:
物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化;在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。
3.能量子的能量ε=hν,其中h是普朗克常数,ν是电磁波的频率。
[精典示例]
[例2]人眼对绿光较为敏感,正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时,只要每秒钟有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉。
普朗克常数为6.63×10-34J·s,光速为3.0×108m/s,则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是( )
A.2.3×10-18WB.3.8×10-19W
C.7.0×10-10WD.1.2×10-18W
解析 因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉。
所以察觉到绿光所接收的最小功率P=
,式中E=6ε,又ε=hν=h
,可解得P=
W≈2.3×10-18W。
答案 A
[针对训练2](多选)对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是( )
A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收
B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C.吸收的能量可以是连续的
D.辐射和吸收的能量是量子化的
解析 带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍或一份一份地辐射或吸收的,是不连续的,故选项A、B、D正确,C错误。
答案 ABD
光电效应现象及其特征
[要点归纳]
1.光子的能量与入射光的强度:
光子的能量即每个光子的能量,其值为ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率决定。
入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。
2.光的强度与饱和光电流:
饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的,对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。
3.发生光电效应时,产生的光电子数与入射光的频率无关,与入射光的强度有关。
4.光电效应与光的电磁理论的矛盾
按光的电磁理论,应有:
(1)光越强,光电子的初动能越大,遏止电压与光的强弱有关。
(2)不存在截止频率,任何频率的光都能产生光电效应。
(3)在光很弱时,放出电子的时间应远大于10-9s。
特别提醒
(1)发生光电效应时,饱和光电流与入射光的强度有关。
(2)遏止电压只与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。
[精典示例]
[例3]用如图2所示的光电管研究光电效应的实验中,用某种频率的单色光a照射光电管阴极K,电流计G的指针发生偏转。
而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时,电流计G的指针不发生偏转,那么( )
图2
A.a光的波长一定大于b光的波长
B.增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转
C.用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流是由d到c
D.只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大
解析 因单色光b照射光电管的阴极K时,没有发生光电效应,故有νa>νb,由ν=
可知,λa<λb,选项A错误;因电子的运动方向由K极到A极,故通过G的电流方向为由c到d,选项C错误;只增加a光的强度,从K极发出的电子数增加,故通过电流表G的电流增大,选项D正确;电流表G的指针是否偏转与b光的强度大小无关,选项B错误。
答案 D
[针对训练3](多选)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。
下列说法正确的是( )
A.保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和光电流变大
B.入射光的频率变高,饱和光电流变大
C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大
D.遏止电压的大小与入射光的频率有关,与入射光的光强无关
解析 保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,单位时间内逸出光电子变多,饱和光电流变大,选项A正确;据爱因斯坦光电效应方程
mv2=hν-A可知,入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大,饱和光电流不变,选项B错误,C正确;由
mv2=eU遏可知遏止电压的大小与入射光的频率有关,与入射光的光强无关,选项D正确。
答案 ACD
[针对训练4](多选)如图3所示,电路中所有元件完好,但光照射到光电管上,灵敏电流计中没有电流通过。
其原因可能是( )
图3
A.入射光太弱
B.入射光波长太长
C.光照时间太短
D.电源正、负极接反
解析 金属存在截止频率,超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出。
射出的光电子的动能随频率的增大而增大,动能小时不能克服反向电压,也不会有光电流。
入射光的频率低于截止频率,不能产生光电效应,与光照强弱无关,选项B正确,A错误;电路中电源正、负极接反,对光电管加了反向电压,若该电压超过了遏止电压,也没有光电流产生,选项D正确;光电效应的产生与光照时间无关,选项C错误。
答案 BD
光电效应方程的理解与应用
[要点归纳]
1.光电效应方程实质上是能量守恒方程
(1)能量为ε=hν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做功,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。
(2)如果克服吸引力做功最少为A,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量守恒定律可知:
Ek=hν-A。
2.光电效应规律中的两条线索、两个关系
(1)两条线索
(2)两个关系
光强―→光子数目多―→发射光电子多―→光电流大;
光子频率高―→光子能量大―→产生光电子的最大初动能大。
3.光电效应图线的理解和应用
(1)Ek-ν图线:
如图4甲所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化图线。
这里,横轴上的截距是阴极金属的截止频率;纵轴上的截距是阴极金属的逸出功的负值;斜率为普朗克常数(Ek=
mv2=hν-A,Ek是ν的一次函数,不是正比函数)。
图4
(2)I-U曲线:
如图乙所示是光电流I随光电管两极板间电压U的变化曲线,图中Im为饱和光电流,U0为反向遏止电压。
说明:
①由Ek=eU0和Ek=hν-A知,同一色光,遏止电压相同,与入射光强度无关;频率越大,遏止电压越大。
②在入射光频率一定时,饱和光电流随入射光强度的增大而增大。
[精典示例]
[例4]如图5所示,当开关K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。
合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.6V时,电流表读数仍不为零。
当电压表读数大于或等于0.6V时,电流表读数为零。
由此可知阴极材料的逸出功为( )
图5
A.1.9eVB.0.6eV
C.2.5eVD.3.1eV
解析 由题意知光电子的最大初动能为
Ek=eUc=0.6eV
所以根据光电效应方程Ek=hν-A可得
A=hν-Ek=(2.5-0.6)eV=1.9eV
答案 A
[例5]在光电效应实验中,飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图6所示。
则可判断出( )
图6
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
解析 该题考查了光电效应问题,应根据遏止电压判断频率。
由eUc=
mv2=hν-A可知ν丙>ν甲=ν乙,λ甲=λ乙>λ丙,所以选项A、D错误,B正确;由于hν0=A,所以选项C错误。
答案 B
(1)逸出功和截止频率均由金属本身决定,与其他因素无关。
(2)极限频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零,逸出功A=hν0。
(3)最大初动能与遏止电压(U0)的关系:
Ek=eU0。
[针对训练5](多选)如图7所示是某金属在光的照射下,光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像,由图像可知( )
图7
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hνc
C.入射光的频率为νc时,产生的光电子的最大初动能为E
D.入射光的频率为2νc时,产生的光电子的最大初动能为2E
解析 题中图像反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-A,知当入射光的频率恰为该金属的截止频率νc时,光电子的最大初动能Ek=0,此时有hνc=A,即该金属的逸出功等于hνc,选项B正确;根据图线的物理意义,有A=E,故选项A正确,C、D错误。
答案 AB
1.(对黑体辐射规律的理解)能正确解释黑体辐射实验规律的是( )
A.能量的连续经典理论
B.普朗克提出的能量量子化理论
C.以上两种理论体系任何一种都能解释
D.牛顿提出的能量微粒说
解析 根据黑体辐射的实验规律,随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释,故选项B正确。
答案 B
2.(能量子的理解及ε=hν的应用)(多选)关于普朗克“能量量子化”的假设,下列说法正确的是( )
A.认为带电微粒辐射或吸收能量时,是一份一份的
B.认为能量值是连续的
C.认为微观粒子的能量是量子化的、连续的
D.认为微观粒子的能量是分立的
解析 普朗克的理论认为带电微粒辐射或吸收能量时,是一份一份的,微观粒子的能量是量子化的,是分立的,故选项A、D正确。
答案 AD
3.(光电效应规律)关于光电效应,下列说法正确的是( )
A.当入射光的频率低于截止频率时,不能发生光电效应
B.只要光照射的时间足够长,任何金属都能产生光电效应
C.光电效应现象中存在极限频率,导致含有光电管的电路存在饱和电流
D.入射光的光强一定时,频率越高,单位时间内逸出的光电子数就越多
解析 光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率,与入射光的强度无关,饱和电流的大小与极限频率无关,与入射光的强度有关;入射光的光强一定时,频率越高,光子的能量值越大;入射光中的光子的数目越少,单位时间内逸出的光电子数就越少。
答案 A
4.(光电效应方程的理解与应用)分别用波长为λ和
λ的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为1∶2,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为( )
A.
B.
C.
D.
解析 根据光电效应方程得
Ek1=h
-A①
Ek2=h
-A②
又Ek2=2Ek1③
联立①②③得A=
,选项A正确。
答案 A
1.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体辐射实验规律的是( )
解析 黑体辐射规律:
随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有所增加,另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,A图正确。
答案 A
2.某激光器能发射波长为λ的激光,发射功率为P,c表示光速,h为普朗克常量,则激光器每秒发射的光量子数为( )
A.
B.
C.
D.λPhc
解析 每个光量子的能量ε=hν=
,每秒钟发射的总能量为P,则n=
=
。
答案 A
3.(2019·厦门高二检测)(多选)光电效应实验的装置如图1所示,则下列说法正确的是( )
图1
A.用紫外线照射锌板,验电器指针会发生偏转
B.用红色光照射锌板,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 将擦得很亮的锌板连接验电器,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
4.“非典”期间,很多地方用红外线热像仪监测人的体温,只要被测者从仪器前走过,便可知道他的体温是多少,关于其中原理,下列说法正确的是( )
A.人的体温会影响周围空气温度,仪器通过测量空气温度便可知道人的体温
B.仪器发出的红外线遇人反射,反射情况与被测者的温度有关
C.被测者会辐射红外线,辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关,温度高时辐射强且较短波长的成分强
D.被测者会辐射红外线,辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关,温度高时辐射强且较长波长的成分强
解析 根据辐射规律可知,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加;随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
人的体温的高低,直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度,通过监测被测者辐射的红外线的情况就可知道这个人的体温,选项C正确。
答案 C
5.(2019·唐山高二检测)对爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-A,下面各种理解中正确的是( )
A.用同种频率的光照射同一种金属,从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能Ekm
B.式中的A表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功
C.逸出功A和极限频率ν0之间应满足关系式A=hν0
D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比
解析 爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-A中的A表示从金属表面直接逸出的光电子克服金属中正电荷引力做的功,因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值,对应的光电子的初动能是所有光电子中最大的,其他光电子的初动能都小于这个值,故选项A、B错误;若入射光的频率恰好是极限频率,即刚好能有光电子逸出,可理解为逸出的光电子的最大初动能是0,因此有A=hν0,选项C正确;由Ekm=hν-A可知Ekm和ν之间是一次函数关系,但不是成正比关系,选项D错误。
答案 C
6.(2018·全国卷Ⅱ,17)用波长为300nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10-19J。
已知普朗克常数为6.63×10-34J·s,真空中的光速为3.00×108m·s-1。
能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为( )
A.1×1014HzB.8×1014Hz
C.2×1015HzD.8×1015Hz
解析 根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-A=h
-hν0,代入数据解得ν0≈8×1014Hz,B正确。
答案 B
7.(2019·淮北一中期中)(多选)用甲、乙两种单色光照射同一金属做光电效应实验时,发现光电流与电压的关系如图2所示。
已知普朗克常数为h,被照射金属的逸出功为A,遏止电压为Uc,电子的电荷量为e,则下列说法正确的是( )
图2
A.甲光的强度大于乙光的强度
B.甲光的频率大于乙光的频率
C.甲光照射时产生的光电子的初动能均为eUc
D.乙光的频率为
解析 根据光的强度越强,光电子的数目越多,对应的光电流越大,即可判定甲光的强度较大,选项A正确;由光电效应方程
mv2=hν-A,
mv2=Uce,且甲、乙的遏止电压相同可知,甲、乙的频率相同,选项B错误;甲光照射时产生的光电子的最大初动能均为eUc,选项C错误;根据
mv2=hν-A=Uce可得,ν=
,选项D正确。
答案 AD
8.实验得到金属钙的光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图3所示。
下表中列出了几种金属的截止频率和逸出功,参照下表可以确定的是( )
图3
金属
钨
钙
钠
截止频率ν0/1014Hz
10.95
7.73
5.53
逸出功W0/eV
4.54
3.20
2.29
A.如用金属钨做实验得到的Ekm-ν图线也是一条直线,其斜率比图中直线的斜率大
B.如用金属钠做实验得到的Ekm-ν图线也是一条直线,其斜率比图中直线的斜率大
C.如用金属钠做实验得到的Ekm-ν图线也是一条直线,设其延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2 D.如用金属钨做实验,当入射光的频率ν<ν1时,可能会有光电子逸出 解析 由光电效应方程Ekm=hν-A可知Ekm-ν图线是直线,且斜率相同,选项A、B错误;由表中所列的截止频率和逸出功数据可知选项C正确,D错误。 答案 C 9.(2019·绵阳高二检测)(多选)在图4甲所示的装置中,K为一金属板,A为金属电极,都密封在真空的玻璃管中,W为由石英片封盖的窗口,单色光可通过石英片射到金属板K上,E为输出电压可调的直流电源,其负极与电极A相连,A是电流表,实验发现,当用某种频率的单色光照射K时,K会发出电子(光电效应),这时,即使A、K之间的电压等于零,回路中也有电流。 当A的电势低于K时,而且当A比K的电势低到某一值Uc时,电流消失,Uc称为遏止电压,当改变照射光的频率ν,遏止电压Uc也将随之改变,其关系如图乙所示,如果某次实验我们测出了画出这条图线所需的一系列数据,又知道了电子电荷量,则( ) 图4 A.可得该金属的极限频率 B.可求得该金属的逸出功 C.可求得普朗克常数 D.可求得电子的质量 解析 由题意结合光电效应方程可知图像乙中当遏止电压Uc=0时,入射光频率即极限频率,故选项A正确;当遏止电压Uc=0时,入射光子的能量即等于逸出功,故选项B正确;图乙的斜率即普朗克常数与电子电荷量的比值,故选项C正确;电子质量不可求得,故选项D错误。 答案 ABC 10.铝的逸出功是4.2eV,现在用波长为200nm的光照射铝的表面。 求: (1)光电子的最大初动能; (2)遏止电压; (3)铝的截止频率。 解析 (1)由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-A可得 Ek=h -A = J =3.225×10-19J≈2.02eV。 (2)由eUc=Ek得遏止电压Uc= =2.02V。 (3)由A=hν0得极限频率 ν0= = Hz≈1.01×1015Hz。 答案 (1)2.02eV (2)2.02V (3)1.01×1015Hz 11.(2019·山东潍坊高二期中)某同学采用如图5所示的实验电路研究光电效应,用某单色光照射光电管的阴极K时,会发生光电效应现象。 闭合开关S,在阳极A和阴极K之间加上反向电压,通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压,直至电流计中电流恰为零,此时电压表的示数U称为反向遏
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