《（全國通用版）2018-2019高中物理 第十七章 波粒二象性 第1節(jié) 能量量子化 第2節(jié) 光的粒子性課件 新人教版選修3-5.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《（全國通用版）2018-2019高中物理 第十七章 波粒二象性 第1節(jié) 能量量子化 第2節(jié) 光的粒子性課件 新人教版選修3-5.ppt（58頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、第十七章,波粒二象性,情 景 切 入 1990年，德國物理學家普朗克提出了一個大膽的假設：粒子的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍。這一假說不僅解決了熱輻射問題，同時也改變了人們對微觀世界的認識。 光在愛因斯坦的眼里成了“粒子”，電子、質子等在德布羅意看來具有了波動性 光到底是什么？實物粒子真的具有波動性嗎？讓我們一起進入這種神奇的微觀世界，去揭開微觀世界的奧秘吧。,知 識 導 航 本章內容涉及微觀世界中的量子化現(xiàn)象。首先從黑體和黑體輻射出發(fā)，提出了能量的量子化觀點，進而通過實驗研究光電效應現(xiàn)象，用愛因斯坦的光子說對光電效應的實驗規(guī)律做出合理解釋，明確了光具有波粒二象性，進而將波粒二象性推廣到運
2、動的實物粒子，提出了德布羅意波的概念，經分析和研究得出光波和德布羅意波都是概率波以及不確定性關系的結論。 本章內容可分為三個單元：(第一二節(jié))主要介紹了能量量子化和光的粒子性；第二單元(第三節(jié))介紹了粒子的波動性；第三單元(第四五節(jié))介紹了概率波和不確定性關系。 本章的重點是：普朗克的能量量子化假設、光電效應、光電效應方程、德布羅意波。本章的難點是：光電效應的實驗規(guī)律和波粒二象性。,學 法 指 導 1重視本章實驗的理解。本章知識理論性很強，涉及的新概念較多，也比較抽象，但它們作為物理量都有其實驗事實基礎，所以在學習時要結合實驗來理解它們，就不會覺得那么抽象。 2注意體會人類認識微觀粒子本性的歷
3、史進程。人類認識微觀粒子本性的進程是波浪形的，在曲折中前進，舊的理論總是被新發(fā)現(xiàn)、新的實驗事實否定，為解釋新實驗事實又提出新的理論。光電效應和康普頓效應證明了光是一種粒子，但光的干涉和衍射又證明了光是一種波，因此光是一種波電磁波，同時光也是一種粒子光子。也就是說光具有波粒二象性。光在空間各點出現(xiàn)的概率是受波動規(guī)律支配的，因此光是一種概率波。 3學習本章知識會用到以前學過的知識，如光的干涉、衍射，彈性碰撞、動量定理和動能定理等，因此可以有針對性地復習過去的這些知識，對順利學習本章內容會有幫助。,第一節(jié)能量量子化 第二節(jié)光的粒子性,學 習 目 標,知 識 導 圖,課 前 預 習,1熱輻射 (1)定
4、義：我們周圍的一切物體都在輻射_，這種輻射與物體的_有關，所以叫熱輻射。 (2)特征：熱輻射強度按波長的分布情況隨物體的_而有所不同。 2黑體 (1)定義：如果某種物體在任何溫度下能夠完全吸收入射的_ _而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。 (2)黑體輻射的特征：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的_有關。,知識點 1,黑體與黑體輻射,電磁波,溫度,溫度,各種波長的,電磁波,溫度,3黑體輻射的實驗規(guī)律 黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的_有關，如圖所示。 (1)隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都_； (2)隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長_的方向移動。,溫度,增
5、加,較短,1定義 普朗克認為，帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的_，當帶電微粒輻射或吸收能量時，也是以這個最小能量值為單位_地輻射或吸收的，這個不可再分的最小能量值叫做能量子。 2能量子大小 h，其中是電磁波的頻率，h稱為_常量，h6.6261034Js(一般取h6.631034Js)。 3能量的量子化 在微觀世界中能量是_的，或者說微觀粒子的能量是_的。,知識點 2,能量子,整數(shù)倍,一份一份,普朗克,量子化,分立,1光電效應 照射到金屬表面的光，能使金屬中的_從表面逸出的現(xiàn)象。如圖所示。 2光電子 光電效應中發(fā)射出來的_。,知識點 3,光電效應,電子,電子,3光電效應的實驗規(guī)律 (1)存在
6、著飽和光電流：在光的顏色不變的情況下，入射光越強，_電流越大。這表明對于一定顏色的光，入射光越強，單位時間內發(fā)射的_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_有關，而與入射光的_無關，當入射光的頻率低于_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_發(fā)生的，從光照射到產生光電流的時間不超過_s。,飽和,光電子數(shù),頻率,強弱,截止頻率,瞬時,109,1光子 光不僅在發(fā)射和吸收時能量是_的，而且光本身就是由一個個不可分割的_組成的，頻率為的光的能量子為h，h為普朗克常量。這些能量子后來被稱為光子。 2愛因斯坦光電效應方程 在光電效應中，金屬中的電子吸收
7、一個光子獲得的能量是_，這些能量的一部分用來克服金屬的_W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek，即 h_或Ek_,知識點 4,愛因斯坦的光電效應方程,一份一份,能量子,h,逸出功,EkW0,hW0,1光的散射 光在介質中與_相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。 2康普頓效應 美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長0相同的成分外，還有_的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應。,知識點 5,康普頓效應,物質微粒,波長大于0,1表達式 p_ 2說明 在康普頓效應中，入射光子與晶體中電子碰撞時，把一部分動量轉移給_，光子的動量_，因此，有些光子散
8、射后波長變_。,知識點 6,光子的動量,電子,變小,長,判一判 (1)只有高溫的物體才會熱輻射。() (2)熱輻射的輻射強度按波長的分布情況隨溫度的變化而有所不同。() (3)微觀粒子的能量只能是能量子的整數(shù)倍。() (4)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比。() (5)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應。(), ,(6)金屬表面是否發(fā)生光電效應與入射光的強弱有關。() (7)入射光照射到金屬表面上時，光電子幾乎是瞬時發(fā)射的。() (8)光子發(fā)生散射時，其動量大小發(fā)生變化，但光子的頻率不發(fā)生變化。() (9)光子發(fā)生散射后，其波長變大。(), ,選一選 (多選)(北京
9、市臨川育人學校20172018學年高二下學期期中)如圖所示，電路中所有元件完好，當光照射到光電管上時，靈敏電流計中沒有電流通過，可能的原因是( ) A入射光強度較弱 B入射光波長太長 C光照射時間太短 D電源正負極接反,BD,解析：光電管能否產生光電效應與入射光的強度、光照時間沒有關系，當入射光波長小于金屬的極限波長時，即入射光頻率大于金屬的極限頻率時，金屬才能產生光電效應，A、C錯誤；若入射光波長大于金屬的極限波長時，金屬不能產生光電效應，靈敏電流計中沒有電流通過，B正確；電源正負極接反時，光電管加上反向電壓，光電子做減速運動，可能到達不了陽極，電路中不能形成電流，D正確。,想一想 很多地方
10、用紅外熱像儀監(jiān)測人的體溫，只要被測者從儀器前走過，便可知道他的體溫是多少，你知道其中的道理嗎？,答案：根據(jù)熱輻射規(guī)律可知，人的體溫的高低，直接決定了這個人輻射的紅外線的頻率和強度。通過監(jiān)測被測者輻射的紅外線的情況就知道這個人的體溫。,課 內 探 究,有經驗的煉鋼工人，通過觀察煉鋼爐內的顏色，就可以估計出爐內的大體溫度，這是根據(jù)什么道理？ 提示：黑體輻射與溫度有關。,探究一對黑體及黑體輻射的理解,1對黑體的理解 絕對的黑體實際上是不存在的，但可以用某裝置近似地代替。如圖所示，如果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)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個
11、絕對黑體。,特別提醒：(1)熱輻射不一定要高溫，任何溫度的物體都發(fā)出一定的熱輻射，只是溫度低時輻射弱，溫度高時輻射強。 (2)黑體是一個理想化的物理模型，實際不存在。 (3)黑體看上去不是一定是黑的，只有當自身輻射的可見光非常微弱時看上去才是黑的；有些可看作黑體的物體由于有較強的輻射，看起來還會很明亮，例如：煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也被看作黑體來處理。,關于對黑體的認識，下列說法正確的是() A黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的 B黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關 C黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關
12、，與材料的種類及表面狀況無關 D如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸收，最終不能從小孔射出，這個空腔就成了一個黑體,典例 1,C,解題指導：黑體完全吸收電磁波而不反射，同時其本身也輻射電磁波；黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，與其他因素無關。 解析：黑體自身輻射電磁波，不一定是黑的，A錯誤；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，B錯誤，C正確；小孔只吸收電磁波，不反射電磁波，因此小孔成了一個黑體，而不是空腔，D錯誤。,對點訓練1關于黑體輻射的強度與波長的關系，下圖正確的是(),B,解析：根據(jù)黑體輻射的實驗規(guī)律：隨溫度升高，各種波
13、長的輻射強度都有增加，故圖線不會有交點，選項C、D錯誤；另一方面，輻射強度的極大值會向波長較短方向移動，選項A錯誤，B正確。,由能量量子化假說可知，能量是一份一份的，而不是連續(xù)的，在宏觀概念中，舉一些我們周圍不連續(xù)的實例。 提示：人的個數(shù)，自然數(shù)，汽車等。,探究二能量量子化,1能量子 物體熱輻射所發(fā)出的電磁波是通過內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h的整數(shù)倍，h稱為一個能量量子，其中是諧振子的振動頻率，h是一個常數(shù)，稱為普朗克常量。 2普朗克常量 h6.631034Js,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驗現(xiàn)象。 4量子化現(xiàn)象 在微觀世界中物理量分立取
14、值的現(xiàn)象稱為量子化現(xiàn)象。 5量子化假設的意義 普朗克的能量子假設，使人類對微觀世界的本質有了全新的認識，對現(xiàn)代物理學的發(fā)展產生了革命性的影響。普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一，它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征。,氦氖激光器發(fā)射波長為6328的單色光，試計算這種光的一個光子的能量為多少？若該激光器的發(fā)光功率為18mW，則每秒鐘發(fā)射多少個光子？ 解題指導：求解本題的關鍵有兩點：一是能根據(jù)已知條件求得每一個光子的能量，另外必須明確激光器發(fā)射的能量由這些光子能量的總和組成。 答案：3.141019J5.731016個,典例 2,對點訓練2人眼對綠光最為敏感，正常人的眼睛接收到波長為530nm的綠光時，
15、只要每秒有6個綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺，普朗克常量為6.631034Js，光速為3.0108m /s，則人眼能察覺到綠光時所接收到的最小功率是() A2.31018WB3.81019W C7.01010W D1.21018W,A,如圖所示，把一塊鋅板連接在驗電器上，用紫外線燈照射鋅板，觀察到驗電器的指針發(fā)生了變化，這說明鋅板帶了電。你知道鋅板是怎樣帶上電的嗎？ 提示：鋅板在紫外線燈的照射下發(fā)生了光電效應，發(fā)射出光電子，因此鋅板會顯示正電性，驗電器會因帶正電荷而使金屬箔片張開一定角度。,探究三光電效應,4截止頻率c 方程EkhW0表明，光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率存在線性關系(如
16、圖所示)，與光強有關。圖中橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率，縱軸上的截距是逸出功的負值，圖線的斜率為普朗克常量。,5逸出功 方程EkhW0中的逸出功W0為從金屬表面逸出的電子克服束縛而消耗的最少能量，不同金屬的逸出功是不同的。,6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)目多發(fā)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。,特別提醒：(1)逸出功和截止頻率均由金屬本身決定，與其他因素無關。 (2)光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，但不是正比關系。,(多選)在做光電效應的實驗時，某金屬被光照射發(fā)生了光電效應，實驗測得光電子的最大
17、初動能Ek與入射光的頻率的關系如圖所示，由實驗圖線可求出() A該金屬的極限頻率和極限波長 B普朗克常量 C該金屬的逸出功 D單位時間內逸出的光電子數(shù),典例 3,ABC,解題指導：分析、推導得出圖像的斜率及在圖像橫、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，才能有效提高自身應用數(shù)學知識解決物理問題的能力。,對點訓練3(黑龍江綏化市肇東一中20152016學年高二下學期期中)如圖所示，用綠光照射一光電管，能產生光電效應。欲使光電子從陰極逸出時的初動能增大，應該() A改用紅光照射 B改用紫光照射 C增大光電管上的加速電壓 D增大綠光的強度,B,解析：由EkhW逸出知增加最大初動能，
18、只要入射光的頻率變大就行了。紅光的頻率比綠光小，故A錯誤；紫光的頻率比綠光的大，故B正確。增大光電管的加速電壓，不影響陰極逸出時的初動能，故C錯誤；增加綠光照射強度只是增大了光電流強度，D錯誤。故選B。,太陽光從小孔射入室內時，我們從側面可以看到這束光；宇航員在太空中會發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的，為什么？ 提示：在地球上光發(fā)生了散射；太空中沒有懸浮顆粒，光不能發(fā)生散射。,探究四康普頓效應,1光子說對康普頓效應的解釋 (1)假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞。光子和電子相碰撞時，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。 (2)康普頓效應進
19、一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性。 2光電效應與康普頓效應的對比 (1)光電效應與康普頓效應都說明了光具有粒子性。 (2)波長較短的X射線或射線產生康普頓效應，波長較長的可見光或紫外光產生光電效應。,科學研究證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉移給了電子。假設光子與電子碰撞前的波長為，碰撞后的波長為，則碰撞過程中() A能量守恒，動量守恒，且 B能量不守恒，動量不守恒，且 C能量守恒，動量守恒，且 D能量守恒，動量守恒，且 解題指導：能量守恒和動量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀世界也適用于微觀世界。,典例 4,C,對點訓練4康普頓效應證實了
20、光子不僅具有能量，也有動量。下圖給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰后光子可能沿方向_運動，并且波長_(填“不變”、“變短”或“變長”)。 解析：因光子與電子的碰撞過程動量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前動量的方向一致，可見碰后光子運動的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉移給電子，能量減少，由Eh知，頻率變小，再根據(jù)c知，波長變長。,1,變長,素 養(yǎng) 提 升,1光子與光電子 光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電，光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質是電子，光子是光電效應的因，光電子是果。 2光電子的動能與光電
21、子的最大初動能 光照射到金屬表面時， 光子的能量全部被電子吸收，電子吸收光子的能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能。光電子的初動能小于等于光電子的最大初動能。,光電效應中幾個易混淆的概念,3光子的能量與入射光的強度 光子的能量即每個光子的能量，其值為Eh(為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定。入射光的強度指單位時間內照射到金屬表面單位面積上的總能量；入射光的強度等于單位時間內光子能量與入射光子數(shù)的乘積。 4光電流和飽和光電流 金屬板飛出的光電子到達陽極，回路
22、中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關。,用同一束單色光，在同一條件下，先后照射鋅片和銀片，都能產生光電效應，這兩個過程中，對下列四個量，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光電子動能D光電子最大初動能,案 例,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小的功，因此只由材料決定，鋅片和銀片的逸出功一定不相同。由EkhW，照射光子能量h相同，逸出功W不同，則電子最大初動能也不同，由于光電子吸收光子后到達金屬表面的路徑不同，途中損失的能量也不同，因而脫離金屬時的動能可能分布在零到最大初動能之間，所以，兩個不同光電效應的光電子中，動能是可能相等的。,
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