物理选修35原子物理部分同步导学案.docx

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物理选修35原子物理部分同步导学案

17波粒二线性

1　能量量子化

[目标定位]　1.知道热辐射、黑体和黑体辐射的概念，知道黑体辐射的实验规律.2.知道普朗克提出的能量子假说．

一、黑体与黑体辐射

1．热辐射

（1）定义：

周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体温度有关，所以叫热辐射．

（2）特点：

热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度不同而有所不同．

2．黑体

（1）定义：

某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体．

（2）黑体辐射特点：

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．

想一想　在火炉旁边有什么感觉？

投入炉中的铁块颜色怎样变化？

说明了什么问题？

答案　在火炉旁会感到热，这是由于火炉不断地向外辐射能量．投入炉中的铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色，这表明同一物体热辐射的强度与温度有关．

二、黑体辐射的实验规律

1．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加．

2．随着温度的升高，辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动．

想一想　你认为现实生活中存在理想的黑体吗？

答案　现实生活中不存在理想的黑体，实际的物体都能辐射红外线（电磁波），也都能吸收和反射红外线（电磁波），绝对黑体不存在，是理想化的模型．

三、能量子

1．定义：

普朗克认为，带电微粒辐射或吸收能量时，只能是辐射或吸收某个最小能量值的整数倍，这个不可再分的最小能量值叫做能量子．

2．大小：

＝hν，其中ν是电磁波的频率，h是普朗克常量，数值h＝6.626×10－34__J·s（一般h取6.63×10－34J·s）．

一、对黑体辐射规律的理解

1．一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．

2．黑体是指只吸收而不反射外界射来的电磁波的物体，由于黑体只进行热辐射，所以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．

3．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．如图17－1－1所示．

图17－1－1

例1

图17－1－2

在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度．如图17－1－2所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象，则下列说法正确的是（　　）

A．T1>T2

B．T1

C．随着温度的升高，黑体的辐射强度都有所降低

D．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动

答案　AD

解析　一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度（T）、辐射波的波长、时间的长短和发射的面积，而黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体，黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关．实验表明，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．从图中可以看出，λ1<λ2，T1>T2，本题正确选项为A、D.

借题发挥　随着温度的升高，各种波长的辐射本领都在增加，当黑体温度升高时，辐射本领最大值向短波方向移动，这是黑体辐射的特点，熟悉黑体辐射特点是解决问题的关键．

针对训练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（　　）

答案　A

解析　随着温度的升高，辐射强度增加，辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动，A正确，B、C、D错误．

二、能量子的理解和ε＝hν的应用

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是普朗克常量，ν是电磁波的频率．

例2

　光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400nm～700nm.求400nm、700nm电磁辐射的能量子的值各是多少？

答案　4.97×10－19J　2.84×10－19J

解析　根据公式ν＝和ε＝hν可知：

400nm对应的能量子ε1＝h＝6.63×10－34×J

＝4.97×10－19J.

700nm对应的能量子ε2＝h＝6.63×10－34×J

＝2.84×10－19J.

借题发挥　

（1）求解本题的关键是根据已知条件求每一个能量子的能量．

（2）这类习题数量级比较大，注意运算当中提高运算准确率．

例3

　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

答案　ABD

解析　带电微粒的辐射和吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍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选项错．

对黑体辐射规律的理解

1．下列叙述正确的是（　　）

A．一切物体都在辐射电磁波

B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关

C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关

D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波

答案　ACD

解析　根据热辐射定义知A对；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体温度有关，B错、C对；根据黑体定义知D对．

2．下列关于黑体辐射的实验规律叙述正确的是（　　）

A．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加

B．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

C．黑体热辐射的强度与波长无关

D．黑体辐射无任何规律

答案　AB

解析　黑体辐射的规律为随着温度的升高各种波长的辐射强度都增加，同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．故A、B对．

能量子的理解及ε＝hν的应用

3．二氧化碳能强烈吸收红外长波辐射，这种长波辐射的波长范围约是1.4×10－3～1.6×10－3m，相应的频率范围是________，相应的光子能量的范围是________，（已知普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，真空中的光速c＝3.0×108m/s.结果取两位有效数字）

答案　1.9×1011～2.1×1011Hz　1.3×10－22～1.4×10－22J

解析　由c＝λν得ν＝.

则求得频率范围为1.9×1011～2.1×1011Hz.

又由ε＝hν得能量范围为1.3×10－22～1.4×10－22J.

4．神光“Ⅱ”装置是我国规模最大的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400J、波长λ＝0.35μm的紫外激光．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，则该紫外激光所含光子数为多少？

答案　4.23×1021（个）

解析　紫外激光的波长已知，由此可求得紫外激光能量子的值，再根据紫外激光发射的总能量为2400J，即可求得紫外激光所含光子数．

紫外激光能量子的值为ε0＝＝J＝5.68×10－19J．则该紫外激光所含光子数n＝＝＝4.23×1021（个）．

（时间：

60分钟）

题组一　黑体辐射的理解和应用

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

解析　黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，故选项A错误；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，故选项B错误、选项C正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔，故选项D错误．

2．对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是（　　）

A．温度B．材料

C．表面状况D．以上都正确

答案　A

解析　根据黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素，得其只与温度有关，A对．

3．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．牛顿提出的微粒说

答案　B

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，只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到满意的解释，B对．

4.

图17－1－3

黑体辐射的实验规律如图17－1－3所示，由图可知（　　）

A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增大

B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增大

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

答案　ACD

解析　由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增大，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．

5．2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化．他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点．下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中正确的是（　　）

A．一切物体都在辐射电磁波

B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关

C．黑体的热辐射实质上是电磁辐射

D．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说

答案　ACD

解析　根据热辐射的定义，A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，B错误；普朗克在研究黑体辐射时最早提出了能量子假说，他认为能量是一份一份的，每一份是一个能量子，黑体辐射本质上是电磁辐射，故C、D正确．

题组二　能量子的理解及ε＝hν的应用

6．普朗克常量是自然界的一种基本常数，它的数值是（　　）

A．6.02×10－23molB．6.625×10－3mol·s

C．6.626×10－34J·sD．1.38×10－16mol·s

答案　C

解析　普朗克常量是一个定值，由实验测得它的精确数值为6.626×10－34J·s，在记忆时关键要注意它的单位和数量级．

7．已知某种单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为（　　）

A．hB.

C.D．以上均不正确

答案　A

8．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

答案　A

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＝＝.

题组三　综合应用

9．对应于3.4×10－19J的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？

（h＝6.63×10－34J·s）

答案　5.13×1014Hz　5.85×10－7m

解析　根据公式ε＝hν和ν＝得

ν＝＝Hz≈5.13×1014Hz，

λ＝＝＝m＝5.85×10－7m.

10．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个光量子射入瞳孔，眼睛就能察觉．普朗克常数为6.63×10－34J·s，光速为3×108m/s.人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率为多少？

答案　2.3×10－18W

解析　先根据ε0＝hν＝h算出每个光量子的能量，每秒需要接收到6个这样的光量子，故接收到这6个光量子的功率就是人眼能觉察到绿光的最小功率．又因每秒有6个绿光的光量子射入瞳孔，所以，觉察到绿光所需要接收到的最小功率P＝，式中E＝6ε0，又ε0＝hν＝h，代入数据得P＝2.3×10－18W.

11．小灯泡的功率P＝1W，设其发出的光向四周均匀辐射，平均波长λ＝10－6m，求在距离d＝1.0×104m处，每秒钟落在垂直于光线方向、面积为1cm2的球面上的光子数是多少？

（h＝6.63×10－34J·s）

答案　3.98×105个

解析　每秒钟小灯泡发出的能量为E＝Pt＝1J

1个光子的能量：

ε＝hν＝＝J＝1.989×10－19J

小灯泡每秒钟辐射的光子数：

n＝＝＝5×1018（个）

距离小灯泡d的球面面积为：

S＝4πd2＝4π×（1.0×104）2m2＝1.256×109m2＝1.256×1013cm2

每秒钟射到1cm2的球面上的光子数为：

N＝＝＝3.98×105（个）．

2　光的粒子性

[目标定位]　1.知道光电效应现象，能说出光电效应的实验规律.2.能用爱因斯坦光电效应方程对光电效应作出解释，会用光电效应方程解决一些简单的问题.3.了解康普顿效应及其意义．

一、光电效应

1．光电效应：

照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象．

2．光电子：

光电效应中发射出来的电子．

3．光电效应的实验规律

（1）存在着饱和光电流：

在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大．

（2）存在着遏止电压和截止频率：

入射光的频率低于截止频率时不能（填“能”或“不能”）发生光电效应．

（3）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.

想一想　紫外线灯照射锌板，为什么与锌板相连的验电器指针张开一个角度？

答案　紫外线灯照射锌板，发生光电效应现象，锌板上的电子飞出锌板，使锌板带正电，与锌板相连的验电器也会因而带正电，使得验电器指针张开一个角度．

二、爱因斯坦的光电效应方程

1．光子说：

光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν．

2．爱因斯坦光电效应方程的表达式：

hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.

想一想　怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程？

答案　爱因斯坦光电效应方程中的hν是入射光子的能量，逸出功W0是光子飞出金属表面消耗的能量，Ek是光子的最大初动能，因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律．

三、康普顿效应

1．康普顿效应

美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．

2．康普顿效应的意义：

康普顿效应表明光子除了具有能量之外还具有动量，深刻揭示了光的粒子性的一面．

3．光子的动量表达式：

p＝．

一、光电效应现象

1．光电效应的实质：

光现象电现象．

2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．

3．光电子：

光电效应中发射出来的光电子，其本质还是电子．

例1

图17－2－1

一验电器与锌板相连（如图17－2－1所示），用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角．

（1）现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将________（填“增大”、“减小”或“不变”）．

（2）使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转．那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针________（填“有”或“无”）偏转．

答案　

（1）减小　

（2）无

解析　当用紫外线灯照射锌板时，锌板发生光电效应，锌板放出光电子而带上正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，故指针发生了偏转．当带负电的小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小．使验电器指针回到零，用钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外光比黄光的频率还要低，更不可能使锌板发生光电效应．能否发生光电效应与入射光的强弱无关．

二、光电效应的实验规律

1．光电效应的四个规律

（1）任何一种金属都有一个截止频率νc，入射光的频率必须大于νc，才能产生光电效应，与入射光的强度及照射时间无关．

（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关．

（3）当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关．

（4）光电效应几乎是瞬时的，发生的时间一般不超过10－9s.

2．掌握三个概念的含义

（1）入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大初动能．

（2）入射光的强度决定着单位时间内发射的光子数．

（3）饱和光电流决定着单位时间内发射的光电子数．

3．逸出功

使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W0表示，不同金属的逸出功不同．

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.

例2

图17－2－2

利用光电管研究光电效应实验如图17－2－2所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则（　　）

A．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过

B．用红光照射，电流表一定无电流通过

C．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过

D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变

答案　D

解析　因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A错误；因不知阴极K的截止频率，所以用红光照射时，不一定发生光电效应，所以选项B错误；即使UAK＝0，电流表中也有电流，所以选项C错误；当滑动触头向B端滑动时，UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，电流达到最大，即饱和电流．若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，所以选项D正确．

针对训练1　入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（　　）

A．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加

B．逸出的光电子的最大初动能将减小

C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少

D．有可能不发生光电效应

答案　C

解析　发生光电效应几乎是瞬时的，选项A错误；入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少，频率不变，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误；入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也就减少，故选项C正确；入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项D错误．

三、光电效应方程的理解与应用

1．光电效应方程实质上是能量守恒方程

能量为E＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W0，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－W0.

2．光电效应方程包含了产生光电效应的条件

若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．

图17－2－3

3．Ekmν曲线

如图17－2－3所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量．

例3

图17－2－4

如图17－2－4所示，当电键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．合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为（　　）

A．1.9eVB．0.6eV

C．2.5eVD．3.1eV

答案　A

解析　由题意知光电子的最大初动能为Ek＝eUc＝

0．60eV，所以根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得

W0＝hν－Ek＝（2.5－0.6）eV＝1.9eV

针对训练2　

图17－2－5

如图17－2－5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的关系图象，由图象可知（　　）

A．该金属的逸出功等于E

B．该金属的逸出功等于hν0

C．入射光的频率为ν0时，产生的光电子的最大初动能为E

D．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2E

答案　AB

解析　题中图象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－W0，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率ν0时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hν0＝W0，即该金属的逸出功等于hν0，选项B正确；根据图线的物理意义，有W0＝E，故选项A正确，而选项C、D错误．

光电效应现象

1．（2013·上海高考）当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时（　　）

A．锌板带负电

B．有正离子从锌板逸出

C．有电子从锌板逸出

D．锌板会吸附空气中的正离子

答案　C

解析　当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，有电子从锌板逸出，锌板带正电，选项C正确，A、B、D错误．

光电效应规律

2．用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应．现将该单色光的光强减弱，则下列说法中正确的是（　　）

①光电子的最大初动能不变　②光电子的最大初动能减小　③单位时间内产生的光电子数减少　④可能不发生光电效应

A．①③B．②③C．①②D．③④

答案　A

解析　由光电效应规律知，光电子的最大初动能由入射光的频率和金属的逸出功共同决定，与入射光的强度无关，故①对；单位时间内产生的光电子数与入射光的强度成正比，光强减弱，则单位时间内产生的光电子数减少，即③也正确．

3．某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是（　　）

A．延长光照时间

B．增大光的强度

C．换用波长较短的光照射

D．换用频率较低的光照射

答案　C

解析　光照射金属时能否产生光电效应，取决于入射光

的频率是否大于金属的截止频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D均错误；又因ν＝，所以选项C正确．

光电效应方程的理解与应用

4．（2014·广东卷）在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是（　　）

A．增大入射光的强度，光电流增大

B．减小入射光的强度，光电效应现象消失

C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应

D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大

答案　AD

解析　增大入射光的强度，单位时间内发射的光电子数增加，则光电流增大，选项A正确；光电效应能否发生与照射光频率有关，与照射光强度无关，选项B错误；改用频率较小的光照射时，如果光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，否则，不能发生光电效应，选项C错误；光电子的最大初动能Ek＝hν－W0，故改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大，选项D正确．

5.

图17－2－6

如图17－2－6所示是