2014-2015學(xué)年高中物理 2.1-2.2 撥開黑體輻射的疑云 涅槃鳳凰再飛翔學(xué)案 滬科版選修3-5

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1、學(xué)案1　撥開黑體輻射的疑云 學(xué)案2　涅槃鳳凰再飛翔 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位] 1.了解黑體與黑體輻射，知道輻射本領(lǐng)與波長的關(guān)系；了解能量子的概念及提出的過程.2.知道光電效應(yīng)現(xiàn)象及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律.3.掌握愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義.4.了解康普頓效應(yīng)及其意義． 1．各種色光的頻率：從紅到紫的頻率依次變大． 2．光的波長λ與頻率ν的關(guān)系：c＝λν，式中c為光速． 3．黑體與黑體輻射 (1)熱輻射：物體在任何溫度下，都會發(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)黑體：能完全吸收投射到其外表的電磁波而不產(chǎn)生反射的物體，也稱之為絕對黑體． (3)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)

2、律如圖1所示． 圖1 ①隨著溫度的升高，黑體輻射各種波長電磁波的輻射本領(lǐng)都增大； ②隨著溫度的升高，輻射本領(lǐng)的最大值向波長較短的方向移動． 4．能量子 (1)定義：黑體的空腔壁是由大量振子組成的，其能量E只能是某一最小能量值hν的整數(shù)倍，即E＝nhν(n＝1,2,3，…)．這樣的一份最小能量hν叫做能量子，ν是振子的頻率，h叫做普朗克常量． (2)能量的量子化：在微觀世界中能量不能連續(xù)變化，只能取分立值． 5．光電效應(yīng) (1)光電效應(yīng)：在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫光電子． (2)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律： ①對于各種金屬都存在著一個(gè)極限頻率，當(dāng)

3、入射光的頻率高于這個(gè)極限頻率時(shí)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)； ②光電子的最大動能隨著入射光頻率的增加而增加，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)； ③當(dāng)產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從金屬外表逸出的電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度有關(guān)； ④入射光射到金屬外表時(shí)，光電子的產(chǎn)生幾乎是瞬時(shí)的，不超過1×10－9 s. 6．愛因斯坦光電效應(yīng)方程 (1)光子說：光在空間傳播時(shí)是不連續(xù)的，而是一份一份的，一份叫做一個(gè)光量子，簡稱光子．光子的能量E＝hν. (2)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：hν＝W＋Ekm，其中W為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． 7．康普頓效應(yīng) (1)康普頓效應(yīng) 美國物理學(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)在散射的X射

4、線中，除有與入射線波長相同的射線外，還有波長比入射線波長更長的射線，這個(gè)波長變化的現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng)． (2)康普頓效應(yīng)的意義：康普頓效應(yīng)說明光子除了具有能量外還具有動量，進(jìn)一步為光的粒子性提供了證據(jù)． (3)光子的動量：表達(dá)式：p＝. 一、光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件 [問題設(shè)計(jì)] 在課本的“探究光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件〞實(shí)驗(yàn)中： (1)用紫外線燈照射鋅板擦凈的一面，驗(yàn)電器的箔片張角有何變化？ (2)在紫外線燈和鋅板間插入一塊玻璃，驗(yàn)電器的箔片張角有何變化？ (3)用白熾燈照射鋅板擦凈的一面，驗(yàn)電器的箔片張角有何變化？設(shè)法增加白熾燈的亮度，情況有無變化？ 答案　(1)驗(yàn)電器的張角變小，

5、說明在紫外線燈照射下鋅板上電子減少了． (2)驗(yàn)電器張角變小，速率明顯變慢．因?yàn)樽贤饩€不能穿過玻璃板而可見光卻能．由此說明金屬板產(chǎn)生光電效應(yīng)是光中紫外線照射的結(jié)果而不是可見光． (3)驗(yàn)電器張角不變．說明可見光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)． [要點(diǎn)提煉] 1．光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為,電現(xiàn)象． 2．光電效應(yīng)中的光包括不可見光和可見光． 3．金屬都存在一個(gè)極限頻率，只有入射光的頻率高于該金屬的極限頻率時(shí)，光電效應(yīng)才能發(fā)生． 圖2 例1　如圖2所示，用弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，那么以下說法中正確的選項(xiàng)是(　　) A．用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) B．用

6、紅光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會發(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　將擦得很亮的鋅板與驗(yàn)電器連接，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，說明鋅板帶了電，進(jìn)一步研究說明鋅板帶正電．這說明在紫外線的照射下，鋅板中有一局部自由電子從外表飛出來，鋅板中由于缺少電子，于是帶正電，選項(xiàng)A、D正確．紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)． 答案　AD 二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 [問題設(shè)計(jì)] 圖3 如圖3所示，陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個(gè)電極，K用銫做成．電源加在K和A之間的電壓大小可以調(diào)整，正負(fù)極也可以對調(diào)． (1)加在光電管

7、兩極間電壓為零時(shí)，用紫光照射陰極K，回路中有電流嗎？改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度，光電流大小如何變化？ (2)保持入射光的強(qiáng)度不變，更換濾色片以改變?nèi)肷涔忸l率，使光由紫光→藍(lán)光→綠光→紅光，會看到什么現(xiàn)象？這說明什么？ (3)在紫光照射下，加上反向電壓，直至電流為0.改變光強(qiáng)做兩次，記錄下各個(gè)遏止電壓的值；改用藍(lán)光和綠光再各做一次，也記錄下遏止電壓的值．你發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？遏止電壓U與光電子的最大動能Ekm什么關(guān)系？從實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)你又能得出什么結(jié)論？(可以結(jié)合課本“實(shí)驗(yàn)探究：研究光電效應(yīng)的規(guī)律〞中表1的數(shù)據(jù)分析) 答案　(1)有．光越強(qiáng)，光電流越大． (2)紫光、藍(lán)光、綠光照射下有光電流，紅光那么沒有．

8、說明入射光的頻率低于某一極限頻率時(shí)將不能產(chǎn)生光電效應(yīng)． (3)用紫光照射，不管光強(qiáng)如何，遏止電壓相同，由紫光逐次換成藍(lán)光和綠光，遏止電壓逐次減小，說明遏止電壓隨入射光頻率的減小而減?。鶕?jù)動能定理eU＝Ekm，遏止電壓不同說明光電子的最大動能只與入射光頻率有關(guān)，且隨入射光頻率的增大而增大． [要點(diǎn)提煉] 1．光電效應(yīng)的四條規(guī)律 (1)極限頻率的存在：入射光的頻率必須高于ν0，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，與光強(qiáng)度及照射時(shí)間無關(guān)． (2)光電子的最大動能隨著入射光頻率的增加而增加，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)． (3)當(dāng)產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，光電流大小隨入射光強(qiáng)度的增加而增大． (4)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)

9、的，不超過1×10－9_s. 2．掌握三個(gè)概念的含義 (1)入射光頻率決定著能否發(fā)生光電效應(yīng)和光電子的最大動能． (2)入射光強(qiáng)度決定著單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)； (3)飽和光電流決定著單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)． 圖4 例2　如圖4所示，電路中各元件完好，光照射到陰極K.靈敏電流計(jì)沒有示數(shù)，其可能原因是(　　) A．入射光強(qiáng)度太弱 B．入射光的頻率太小 C．光照時(shí)間短 D．電源正負(fù)極接反 解析　題圖所示電路中形成電流需要具備兩個(gè)條件：一是陰極K在光照射下有光電子逸出，二是溢出的光電子應(yīng)該能在電路中定向移動到達(dá)陽極A.光電子的逸出取決于入射光的頻率ν，只有入射光的頻率

10、大于極限頻率ν0時(shí)才有光電子逸出，與入射光的強(qiáng)度和時(shí)間無關(guān)，A、C錯(cuò)，B對；光電子能否到達(dá)陽極A，取決于光電子的動能大小和兩極間所加電壓的正負(fù)和大小共同決定，一旦電源接反了且電壓大于遏止電壓，即使具有最大動能的光電子也不能到達(dá)陽極，即使發(fā)生了光電效應(yīng)現(xiàn)象，電路中也不會有光電流，D對，所以正確選項(xiàng)為B、D. 答案　BD 針對訓(xùn)練　當(dāng)用綠光照射光電管陰極K時(shí)，可以發(fā)生光電效應(yīng)，那么以下說法正確的選項(xiàng)是(　　) A．增大綠光照射強(qiáng)度，光電子的最大動能增大 B．增大綠光照射強(qiáng)度，電路中光電流增大 C．改用比綠光波長大的光照射光電管陰極K時(shí)，電路中一定有光電流 D．改用比綠光頻率大的光照射光

11、電管陰極K時(shí)，電路中一定有光電流 答案　D 解析　光電流與光強(qiáng)有關(guān)，光越強(qiáng)光電流越大，故B對；最大動能與光強(qiáng)無關(guān)，故A錯(cuò)；當(dāng)改用頻率更大的光照射時(shí)，一定能發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，因此有光電流，故D對． 三、愛因斯坦的光子說 [要點(diǎn)提煉] 對光電效應(yīng)方程hν＝W＋Ekm的理解 1．光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程． 能量為E＝hν的光子被電子所吸收，電子把這些能量的一局部用來克服金屬外表對它的吸引力，另一局部就是電子離開金屬外表時(shí)的動能．如果克服吸引力做功最少為W，那么電子離開金屬外表時(shí)動能最大為Ekm，根據(jù)能量守恒定律可知：Ekm＝hν－W. 2．光電效應(yīng)方程說明了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件

12、． 假設(shè)發(fā)生光電效應(yīng)，那么光電子的最大動能必須大于零，即Ekm＝hν－W>0，亦即hν>W，ν>＝ν0，而ν0＝恰好是光電效應(yīng)的極限頻率． 圖5 3．Ekm－ν曲線．如圖5所示是光電子最大動能Ekm隨入射光頻率ν的變化曲線．這里，橫軸上的截距是極限頻率或截止頻率；縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值；斜率為普朗克常量． 例3　如圖6所示，當(dāng)電鍵K斷開時(shí)，用光子能量為2.5 eV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(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零．當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)為零．由此可知陰極材料的逸出功為(　　)

13、 圖6 A．1.9 eV B．0.6 eV C．2.5 eV D．3.1 eV 解析　由題意知光電子的最大動能為 Ekm＝eU＝0.60 eV 所以根據(jù)光電效應(yīng)方程 Ekm＝hν－W 可得W＝hν－Ekm＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV 答案　A 能量量子化,光的粒子性 1．以下關(guān)于光子說對光電效應(yīng)的解釋正確的選項(xiàng)是(　　) A．金屬外表的一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子 B．電子吸收光子后一定能從金屬外表逸出，成為光電子 C．金屬外表的一個(gè)電子吸收假設(shè)干個(gè)光子，積累了足夠的能量才能從金屬外表逸出 D．無論光子能量大小如何，電子吸收光

14、子并積累了能量后，總能逸出成為光電子 答案　A 解析　根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律可知：金屬中的一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，一個(gè)光子的能量也只能交給一個(gè)電子，應(yīng)選項(xiàng)A正確．電子吸收一個(gè)光子的能量后，動能立即增大，不需要積累能量的過程，應(yīng)選項(xiàng)B錯(cuò)誤．不存在一個(gè)電子吸收假設(shè)干光子的現(xiàn)象，且只有當(dāng)入射光的能量不低于該金屬電子的逸出功時(shí)，才能發(fā)生光電效應(yīng)，即入射光頻率不低于金屬的極限頻率時(shí)才能發(fā)生光電效應(yīng)，應(yīng)選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤． 圖7 2.如圖7所示是光電效應(yīng)中光電子的最大動能Ekm與入射光頻率ν的關(guān)系圖像．從圖中可知(　　) A．Ekm與ν成正比 B．入射光頻率必須大于或等于極限頻率ν0時(shí)，才能

15、產(chǎn)生光電效應(yīng) C．對同一種金屬而言，Ekm僅與ν有關(guān) D．Ekm與入射光強(qiáng)度成正比 答案　BC 解析　由Ekm＝hν－W知B、C正確，A、D錯(cuò)誤． 3．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)，在這兩個(gè)過程中，對于以下四個(gè)量，一定相同的是____，可能相同的是____，一定不同的是____． A．光子的能量 B．光電子的逸出功 C．光電子的動能 D．光電子的最大動能 答案　A　C　BD 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少的功，因此只由材料決定．鋅片和銀片的光

16、電效應(yīng)中，光電子的逸出功一定不相同．由Ekm＝hν－W，照射光子的能量hν相同，逸出功W不同，那么電子最大動能也不同．由于光電子吸收光子后到達(dá)金屬外表的路徑不同，途中損失的能量也不同，因而脫離金屬時(shí)的動能可能分布在零到最大動能之間．所以，光電子的動能是可能相同的． 4．(2021·廣東·18)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應(yīng)，以下說法正確的選項(xiàng)是(　　) A．增大入射光的強(qiáng)度，光電流增大 B．減小入射光的強(qiáng)度，光電效應(yīng)現(xiàn)象消失 C．改用頻率小于ν的光照射，一定不發(fā)生光電效應(yīng) D．改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動能變大 答案　AD 解析　增大入射光強(qiáng)度，單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積的光電子數(shù)增加，那么光電流將增大，應(yīng)選項(xiàng)A正確；光電效應(yīng)是否發(fā)生取決于照射光的頻率，而與照射強(qiáng)度無關(guān)，應(yīng)選項(xiàng)B錯(cuò)誤．用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生光電效應(yīng)，用頻率較小的光照射時(shí)，假設(shè)光的頻率仍大于極限頻率，那么仍會發(fā)生光電效應(yīng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)hν－W逸＝mv2可知，增加照射光頻率，光電子的最大初動能也增大，應(yīng)選項(xiàng)D正確.