PAGE19-1量子概念的誕生2光電效應與光的量子說一、熱輻射、黑體與黑體輻射1．熱輻射我們四周的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關．2．黑體指能夠完全汲取入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生全反射的物體．3．一般材料物體的輻射規(guī)律輻射電磁波的狀況除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關．4．黑體輻射的試驗規(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，如圖所示．(1)隨著溫度的上升，各種波長的輻射強度都增加．(2)隨著溫度的上升，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動．在火爐旁邊有什么感覺？投入爐中的炭塊顏色怎樣改變？說明白什么問題？提示：我們靠近火爐時，立刻會感到熱，這是由于爐中燃燒的炭塊在向外輻射能量．我們視察投入爐中炭塊的顏色，當溫度較低時，炭塊呈暗紅色，隨著溫度的不斷上升，它變得赤紅，橙紅，到最終由黃色變成白色，這表明炭塊是以電磁波的形式向外輻射能量，而且在不同溫度下輻射強度按電磁波波長有不同的分布．二、能量子1．定義普朗克認為，振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，當帶電微粒輻射或汲取能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或汲取的，這個不行再分的最小能量值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．三、光電效應的試驗規(guī)律1．光電效應照耀到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象．2．光電子光電效應中放射出來的電子．3．愛因斯坦對光電效應的說明(1)存在著飽和光電流：在光的顏色不變的狀況下，入射光越強，飽和電流越大．這表明對于肯定顏色的光，入射光越強，單位時間內放射的光電子數(shù)越多．(2)存在著遏止電壓和截止頻率：光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，而與入射光的強弱無關．當入射光的頻率低于截止頻率時不能發(fā)生光電效應．(3)光電效應具有瞬時性：光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的，從光照耀到產生光電流的時間不超過10－9s.4．逸出功使電子脫離某種金屬所做功的最小值．不同金屬的逸出功不同．將鋅板與驗電器連在一起，然后用紫外線燈照耀鋅板，會發(fā)覺一個奇異的現(xiàn)象，驗電器的指針發(fā)生了偏轉，這一現(xiàn)象說明鋅板在紫外線照耀下帶電了．為什么會這樣呢？提示：這一現(xiàn)象就是聞名的光電效應現(xiàn)象，進一步的探討表明，在光照的狀況下，從鋅板上有電子逸出，鋅板帶上了正電荷．四、愛因斯坦的光子說與光電效應方程1．光子說光不僅在放射和汲取時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不行分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，這些能量子被稱為光子．2．愛因斯坦的光電效應方程(1)表達式：hν＝eq\f(1,2)mv2＋A.(2)物理意義：金屬中電子汲取一個光子獲得的能量是hν，這些能量一部分用于克服金屬的逸出功A，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek.考點一黑體輻射的規(guī)律(1)對黑體的理解：肯定的黑體事實上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替．如圖所示，假如在一個空腔壁上開一個小孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內表面會發(fā)生多次反射和汲取，最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個肯定黑體．(2)對黑體輻射的理解：任何物體都具有不斷輻射、汲取、反射電磁波的本事．輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有肯定的譜分布．這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關，因而被稱為熱輻射．(3)一般物體與黑體的比較：(4)對熱輻射的理解①在任何溫度下，任何物體都會放射電磁波，并且其輻射強度按波長的分布狀況隨物體的溫度而有所不同，這是熱輻射的一種特性．在室溫下，大多數(shù)物體輻射的是不能引起視覺的波長較長的電磁波——紅外光；但當物體被加熱到500℃左右時，起先發(fā)出暗紅色的可見光．隨著溫度的不斷上升，輝光漸漸亮起來，而且熱輻射中較短波長的成分越來越多，即能引起視覺的電磁波越來越多，大約在1500℃時變成光明的白熾光．這說明同一物體在肯定溫度下所輻射的能量在不同光譜區(qū)域的分布是不勻稱的，而且溫度越高光譜中與能量最大的輻射相對應的頻率也越高．②在肯定溫度下，不同物體所輻射的光譜成分有顯著的不同．例如，將鋼加熱到約800℃時，就可視察到光明的紅色光，但在同一溫度下，熔化的水晶卻不輻射可見光．【例1】(多選)下列敘述正確的是()A．一切物體都在輻射電磁波B．一般物體輻射電磁波的狀況只與溫度有關C．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關D．黑體能夠完全汲取入射的各種波長的電磁波依據(jù)熱輻射的定義及黑體輻射的試驗規(guī)律干脆推斷即可．【解析】依據(jù)熱輻射的定義，A正確；因為一般物體輻射電磁波的狀況除與溫度有關外，還與材料種類和表面狀況有關，而黑體輻射只與黑體的溫度有關，故B錯誤，C正確；依據(jù)黑體的定義知D正確．【答案】ACD總結提能黑體同其他物體一樣也在輻射電磁波，黑體的輻射規(guī)律最為簡潔，黑體輻射強度只與溫度有關．下列描繪兩種溫度下黑體輻射強度與波長關系的圖中，符合黑體輻射規(guī)律的是(A)解析：依據(jù)黑體輻射的規(guī)律，溫度越高，輻射強度越大，輻射出的波頻率高的比例增大，即波長小的波比例增大，故選A.考點二能量子的理解和計算1．能量子：超越牛頓的發(fā)覺(1)普朗克的量子化假設：①能量子：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍．例如，可能是ε或2ε、3ε……當帶電微粒輻射或汲取能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或汲取的．這個不行再分的最小能量值ε叫做能量子；②能量子公式：ε＝hν，ν是電磁波的頻率，h是一個常量，稱為普朗克常量，其值h＝6.63×10－34J·s；③能量的量子化：在微觀世界中能量不能連續(xù)改變，只能取分立值，這種現(xiàn)象叫做能量的量子化．(2)能量子假說的試驗證明：普朗克公式與試驗結果比較，發(fā)覺它與試驗結果“令人滿足地相符”．如圖所示，曲線是依據(jù)普朗克的公式作出的，小圓代表試驗值．(3)普朗克的能量子假說的意義：普朗克的能量子假說，使人類對微觀世界的本質有了全新的相識，對現(xiàn)代物理學的發(fā)覺產生了革命性的影響．2．能量的量子化微觀粒子的能量與宏觀世界的能量的相識不同．例如，一個宏觀的彈簧振子，把小球推離平衡位置后起先振動，能量為E.其次次我們可以把它推得稍遠一些，使它振動的能量稍多一些，例如1.2E或1.3E.推得更遠，能量更大．彈簧振子的能量不是某一個最小值的整數(shù)倍．只要在彈性限度內，我們可以把小球推到任何位置，其能量可以是任何值．即對彈簧振子的能量，我們說能量值是連續(xù)的；而普朗克的假說則認為，微觀粒子的能量是量子化的，或說微觀粒子的能量是分立的．【例2】一盞電燈發(fā)光功率為100W，假設它發(fā)出的光向四周勻稱輻射，光的平均波長λ＝6.0×10－7m，在距電燈10m遠處，以電燈為球心的球面上，1mA．2×1017 B．2×1016C．2×1015 D．2×10231．每個光子的能量是多少？2．電燈每秒鐘產生的光能是多少，這些光能包含多少個光子？【解析】光是電磁波，輻射能量也是一份一份進行的，100W燈泡每秒產生光能E＝100J，設電燈每秒發(fā)出的光子數(shù)為n，E＝nhν＝nheq\f(c,λ)，在以電燈為球心的球面上，1m2的面積每秒通過的光子(能量子)數(shù)n′＝eq\f(n,4πr2)，n′＝eq\f(Eλ,4πr2hc)＝eq\f(100×6.0×10－7,4×3.14×102×6.63×10－34×3×108)≈2×1017(個)．【答案】A總結提能此類題肯定要留意空間想象實力，并把畫面想象出來．同時要留意關鍵字眼，如“每秒”“1m2太陽光垂直射到地面上時，地面上1m2(1)假設認為可見光的波長約為0.55μm，日地間距離R＝1.5×1011m．普朗克常量h＝6.6×10(2)若已知地球的半徑為6.4×106答案：(1)4.9×1044個(2)1.8×1014kW解析：(1)設地面上垂直陽光的每平方米面積上每秒接收的可見光光子數(shù)為n，則有P×45%＝nheq\f(c,λ).解得：n＝eq\f(0.45λP,hc)＝eq\f(0.45×0.55×10－6×1.4×103,6.6×10－34×3×108)個·m－2＝1.75×1021個·m－2.則所求可見光光子數(shù)N＝n·4πR2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2＝4.9×1044(個)．(2)地球接收陽光的總功率P地＝Pπr2＝1.4×3.14×(6.4×106)2kW≈1.8×1014kW.考點三光電效應現(xiàn)象及其試驗規(guī)律1．光電效應如圖所示，用紫外線燈照耀鋅板，與鋅板相連的驗電器就帶正電，即鋅板也帶正電，這說明鋅板在光的照耀下放射了電子．(1)定義：在光的照耀下物體的電子逸出的現(xiàn)象，叫做光電效應，逸出的電子叫做光電子．(2)光電效應的試驗電路試驗電路如圖所示，陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，K在受到光照時能夠放射光電子，電源加在K與A之間，其電壓通過分壓電路可調，正負極可以對調．電源按圖示極性連接時，陽極A汲取陰極K放射的光電子，在電路中形成光電流，電流表可測量光電流．2．光電效應的試驗規(guī)律(1)試驗結果①飽和電流在入射光的強度與頻率不變的狀況下，I－U的試驗曲線如圖所示．曲線表明，當加速電壓U增加到肯定值時，光電流達到飽和值Im.這是因為單位時間內從陰極K逸出的光電子全部到達陽極A.若單位時間內從陰極K上逸出的光電子數(shù)目為n，則飽和電流Im＝ne.式中e為一個電子的電荷量，另一方面，當電壓U減小到零，并起先反向時，光電流并沒有降為零，這就表明從陰極K逸出的光電子具有初動能．所以盡管有電場阻礙它們運動，仍有部分光電子到達陽極A.②遏止電壓當反向電壓等于Uc時，就能阻擋全部的光電子飛向陽極A，使光電流降為零，這個電壓叫遏止電壓，它使具有最大初速度的電子也不能到達陽極A.假如不考慮在測量遏止電壓時回路中的接觸電勢差，那么我們就能依據(jù)遏止電壓Uc來確定電子的最大初速度和最大初動能，即Ekm＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝eUc.③光的頻率相同時，光電子的最大初動能相同在用相同頻率不同強度的光去照耀陰極K時，得到的I－U曲線如圖1所示．它顯示出對于不同強度的光，Uc是相同的．這說明同頻率、不同強度的光所產生的光電子的最大初動能是相同的．④截止頻率(極限頻率)用不同頻率的光去照耀陰極K時，試驗結果是：頻率越高，Uc越大，如圖2所示；并且ν與Uc呈線性關系，如圖3所示．頻率低于νc的光，不論強度多大，都不能產生光電子，因此，νc稱為截止頻率，對于不同的材料，截止頻率不同．(2)試驗規(guī)律①飽和電流Im的大小與入射光的強度成正比，也就是單位時間內逸出的光電子數(shù)目與入射光的強度成正比．②光電子的最大初動能(或遏止電壓)與入射光線的強度無關(如圖1所示，圖中IO1、IO2、IO3表示入射光強度)，而只與入射光的頻率有關．頻率越高，光電子的初動能就越大(見圖3)．③頻率低于νc的入射光，無論光的強度多大，照耀時間多長，都不能使光電子逸出．④光的照耀和光電子的逸出幾乎是同時的，在測量的精度范圍內(<10－9s)視察不出這兩者間存在滯后現(xiàn)象．【例3】利用光電管探討光電效應試驗，如圖所示，用頻率為ν1的可見光照耀陰極K，電流表中有電流通過，則()A．用紫外線照耀，電流表中不肯定有電流通過B．用紅外線照耀，電流表中肯定無電流通過C．用頻率為ν1的可見光照耀陰極K，當滑動變阻器的滑動觸頭移到a端，電流表中肯定無電流通過D．用頻率為ν1的可見光照耀陰極K，當滑動變阻器的滑動觸頭向b端滑動時，電流表示數(shù)可能不變光電效應試驗中發(fā)覺，入射光的頻率越高，越易發(fā)生光電效應，且光電流達到最大值時，不會再增大．【解析】因為紫外線的頻率比可見光的頻率高，所以用紫外線照耀時，電流表中肯定有電流通過，A錯誤．因為不知道陰極K的截止頻率，所以用紅外線照耀時，不肯定發(fā)生光電效應，B錯誤．即使UAK＝0，電流表中也有電流，C錯誤．當滑動觸頭向b端滑動時UAK增大，陽極A汲取光電子的實力增加，光電流會增大，當射出的全部光電子都能到達陽極A時，光電流達到最大，即飽和電流，若在滑動前，光電流已經(jīng)達到飽和電流，那么再增大UAK，光電流也不會增大，D正確．故正確答案為D.【答案】D總結提能理解好試驗現(xiàn)象，理解好光電效應發(fā)生的條件是解題的關鍵．在演示光電效應的試驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照耀鋅板時，驗電器的指針張開了一個角度，如圖所示，這時(B)A．鋅板帶正電，指針帶負電B．鋅板帶正電，指針帶正電C．鋅板帶負電，指針帶負電D．鋅板帶負電，指針帶正電解析：發(fā)生光電效應時有電子從鋅板上跑出來，使鋅板及驗電器的指針都帶正電，B正確．考點四光電效應方程的理解和應用1．光子說(1)內容：光不僅在放射和汲取時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不行分割的能量子組成的，這些能量子稱為光子．(2)公式：光子的能量ε＝hν，h為普朗克常量，ν為光的頻率，h＝6.626×10－34J·s.2．光電效應方程(1)表達式：Ek＝hν－W0.(2)理解：①在光電效應中，金屬中的電子汲取一個光子的能量hν，這些能量中的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek.②光電效應方程包含了產生光電效應的條件：Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>eq\f(W0,h)＝νc，而νc＝eq\f(W0,h)就是金屬的截止頻率．(3)最大初動能Ek發(fā)生光電效應時，電子克服金屬原子核的引力逸出時，具有的動能大小不同，金屬表面上的電子汲取光子后干脆逸出時具有的動能最大，稱為最大初動能，用Ek表示．即逸出的電子動能在0～Ek之間．3．光電效應曲線(1)Ek－ν曲線①愛因斯坦光電效應方程表明，光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν成線性關系，與光強無關，如圖所示，由光電效應方程知，當hν>W0時，Ek>0，即有電子逸出，截止頻率νc＝eq\f(W0,h).②電子一次性汲取光子的全部能量，不須要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時產生的．③光強較大時，包含的光子數(shù)較多，照耀金屬時產生的光電子較多，因而飽和電流大，所以飽和電流與光強成正比．依據(jù)光電效應方程知：Ek＝hν－W0，光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν呈線性關系，即Ek－ν圖象是一條直線．上圖是光電子最大初動能Ek隨入射光頻率ν的改變曲線．橫軸上的截距是陰極金屬的截止頻率或極限頻率；縱軸上的截距，是陰極金屬的逸出功負值；斜率為普朗克常量．(2)I－U曲線右圖所示的光電流強度I隨光電管兩極板間電壓U的改變曲線中，Im為飽和光電流，Uc為遏止電壓．(1)利用eUc＝eq\f(1,2)meveq\o\al(2,m)可得光電子的最大初動能Ekm.(2)利用Ek－ν圖線可得極限頻率νc和普朗克常量h.4．光子說對光電效應規(guī)律的說明(1)由于光的能量是一份一份的，那么金屬中的電子也只能一份一份地汲取光子的能量．而且這個傳遞能量的過程只能是一個光子對一個電子的行為．假如光的頻率低于截止頻率，則光子供應應電子的能量不足以克服原子的束縛，就不能發(fā)生光電效應．(2)當光的頻率高于截止頻率時，能量傳遞給電子以后，電子擺脫束縛要消耗一部分能量，剩余的能量以光電子的動能形式存在，這樣光電子的最大初動能Ek＝eq\f(1,2)meveq\o\al(2,c)＝hν－W0，其中W0為金屬的逸出功，因此光的頻率越高，電子的初動能越大．(3)電子接收能量的過程極其短暫，接收能量后的瞬間馬上擺脫束縛，所以光電效應的發(fā)生也幾乎是瞬間的．(4)發(fā)生光電效應時，單位時間內逸出的光電子數(shù)與光強度成正比，光強度越大意味著單位時間內打在金屬上的光子數(shù)越多，那么逸出的光電子數(shù)目也就越多．【例4】(多選)下列對光電效應的說明，正確的是()A．金屬內的每個電子要汲取一個或一個以上的光子，當它積累的能量足夠大時，就能逸出金屬表面B．假如入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應C．發(fā)生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，光電子的最大初動能就越大D．由于不同金屬的逸出功是不相同的，因此使不同金屬產生光電效應的入射光的最低頻率也不同1．依據(jù)光子說的內容可知，光子的能量由誰確定，與光的強度是否有關？2．金屬表面的電子成為光電子，要克服哪些力而做功，須要的能量從哪兒獲得？【解析】依據(jù)愛因斯坦的光子說，光的能量是由光的頻率確定的，與光強無關．入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應時產生的光電子的最大初動能越大．但要使電子離開金屬表面，必需使電子具有足夠的動能，而電子的動能只能來源于入射光的光子能量，但每個電子只能汲取一個光子，不能汲取多個光子．因此當入射光的頻率低于截止頻率時，即使照耀時間足夠長，也不會發(fā)生光電效應．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，不同金屬的逸出功不同．故正確答案為B、D.【答案】BD總結提能光電效應規(guī)律中的兩條線索、兩個關系(1)兩條線索：(2)兩個關系：光強→光子數(shù)目多→放射光電子多→光電流大；光子頻率高→光子能量大→產生光電子的最大初動能大．現(xiàn)有a、b、c三束單色光，其波長關系為λa>λb>λc，用b光束照耀某種金屬時，恰能發(fā)生光電效應．若分別用a光束和c光束照耀該金屬，則可以斷定(A)A．a光束照耀時，不能發(fā)生光電效應B．c光束照耀時，不能發(fā)生光電效應C．a光束照耀時，釋放出的光電子數(shù)目最多D．c光束照耀時，釋放出的光電子的最大初動能最小解析：由a、b、c三束單色光的波長關系λa>λb>λc，及波長、頻率的關系知：三束單色光的頻率關系為：νa<νb<νc.故當b光恰能使金屬發(fā)生光電效應時，a光必定不能使該金屬發(fā)生光電效應，c光必定能使該金屬發(fā)生光電效應，A正確，B錯誤；又因為發(fā)生光電效應時釋放的光電子數(shù)目與光照強度有關，光照越強，光電子數(shù)目越多，由于光照強度未知，所以光電子數(shù)目無法推斷，C錯誤；而光電子的最大初動能與入射光頻率有關，頻率越高，最大初動能越大，所以c光照耀時釋放出的光電子的最大初動能最大，D錯誤，故答案為A.重難疑點辨析光電效應問題的分析方法有關光電效應的問題主要有兩個方面：一個是關于光電效應現(xiàn)象的推斷，另一個就是運用光電效應方程進行簡潔的計算．解題的關鍵在于駕馭光電效應規(guī)律，明確概念之間的確定關系．即有：2．應用愛因斯坦光電效應方程解題的步驟：(1)分析光電效應現(xiàn)象，依據(jù)須要建立光電效應方程，或畫出光電效應方程所對應的圖象．(2)依據(jù)eUc＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,c)求出最大初動能．(3)依據(jù)飽和光電流與照耀光頻率的關系圖象得到材料恰能產生光電效應時照耀光的頻率ν0，由hν0＝W0可得逸出功．(4)聯(lián)立以上各式求解未知物理量．【典例】用不同頻率的紫外線分別照耀鎢和鋅的表面而產生光電效應，可得到光電子最大初動能Ek隨入射光頻率ν改變的Ek－ν圖象．已知鎢的逸出功是3.28eV，鋅的逸出功是3.24eV，若將二者的圖線畫在同一個Ek－ν坐標圖中，用實線表示鎢、虛線表示鋅，則正確反映這一過程的圖是如圖所示中的()【解析】依據(jù)光電效應方程Ek＝hν－W可知，Ek－ν圖線的斜率代表了普朗克常量h，因此鎢和鋅的Ek－ν圖線應當平行．圖線的橫軸截距代表了極限頻率νc，而νc＝eq\f(W,h)，因此鎢的νc大些．綜上所述，B圖正確．【答案】B本題最大的特點是利用數(shù)學圖象解決物理問題．不能把物理問題轉化為數(shù)學問題，再利用數(shù)學函數(shù)關系解決物理問題是最易出現(xiàn)的錯誤．只有在理解光電效應方程的基礎上，把其數(shù)學關系式與數(shù)學函數(shù)圖象結合起來，經(jīng)分析、推導得出圖象的斜率及在圖象橫、縱坐標軸上的截距所對應的物理量，從而理解它們的物理意義，有效提高自身應用數(shù)學解決物理問題的實力．

1．能正確說明黑體輻射試驗規(guī)律的是(B)A．能量的連續(xù)經(jīng)典理論B．普朗克提出的能量量子化理論C．以上兩種理論體系任何一種都能說明D．牛頓提出的能量微粒說解析：依據(jù)黑體輻射的試驗規(guī)律，隨著溫度的上升，一方面各種波長的輻射強度都增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，只能用普朗克提出的能量量子化理論才能得到較滿足的說明，故選項B正確．2．(多選)關于普朗克“能量量子化”的假設，下列說法正確的是(AD)A．認為帶電微粒輻射或汲取能量時，是一份一份的B．認為能量值是連續(xù)的C．認為微觀粒子的能量是量子化的、連續(xù)的D．認為微觀粒子的能量是分立的解析：普朗克的理論認為帶電微粒輻射或汲取能量時，是一份一份的，微觀粒子的能量是量子化的，是分立的，故選項A、D正確．3．(