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一、选择题1．利用光电管研究光电效应的实验电路如图所示，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 ．改用紫外光照射K ，电流表中没有电流通过B ．只增加该可见光的强度，电流表中通过的电流将变小C ．若将滑动变阻器的滑片移到A 端，电流表中一定无电流通过D ．若将滑动变阻器的滑片向B 端移动，电流表示数可能不变2．如图所示，氢原子在不同能级间发生a 、b 、c 三种跃迁时，释放光子的波长分别是λa 、λb 、λc ，下列关系式正确的是（ ）A ．λb ＝λa +λcB ．b c a b c λλλλλ=+C ．a c b a c λλλλλ=+D ．a b c a b λλλλλ=+ 3．如图所示，圆心为O 的半圆形某透明玻璃砖置于水平桌面上，一束复色光从P 点入射玻璃砖（法线如图虚线所示），在玻璃砖中分为两束单色光a 、b ，其中a 光与法线夹角为α，且在A 处恰好发生全反射，b 光入射到B 点。
则下列说法正确的是（ ）A ．a 光的光子能量小于b 光的光子能量B ．玻璃砖对b 光的折射率大于1cos αC ．a 光从P 到A 的传播时间小于b 光从P 到B 的传播时间D ．a 光从P 到A 的传播时间等于b 光从P 到B 的传播时间4．a 、b 、c 三条平行光线从空气射向玻璃砖且方向垂直于半圆柱体玻璃砖的截面直径，如图所示。
光线b 正好过圆心O ，光线a 、c 从光线b 的两侧对称入射，光线a 、c 从玻璃砖下表面进入空气后与光线b 交于P 、Q ，则下列说法正确的是（ ）A ．玻璃对三种光的折射率关系是n a ＜n b ＜n cB ．玻璃对三种光的折射率关系是n a ＜n c ，b 光的折射率大小无法确定C ．用相同的装置进行双缝干涉实验，a 光的干涉条纹间距比c 光干涉条纹间距小D ．若a 、c 都能使某金属发生光电效应，则a 打出的光电子的最大初动能大于c 光打出的光电子的最大初动能5．如图，是氢原子的能级图，各能级能量关系为12n E E n =，其中E 1为基态能量，n 为量子数。
第四章原子结构和波粒二象性一、课标要求1了解人类探索原子及其结构的历史。
知道原子的核式结构模型。
通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。
2通过实验，了解光电效应现象。
知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。
能根据实验结论说明光的波粒二象性。
3知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。
体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。
二、教材概述在量子力学建立之前，玻尔曾在前人关于原子结构研究工作的基础上，根据普朗克、爱因斯坦等科学家提出的能量子等概念建立了前期量子论，可以部分地说明原子的若干性质。
虽然玻尔的理论能够解决的问题有限，并且被后来的量子力学所取代，但是应该看到，在物理学的发展史中，每一个重大进展都是建立在之前的认识基础上的，新的观念和理论都不会是凭空一蹴而就的。
教科书中的“章首语”高度概括并阐述了本章的主要内容，即“量子论的建立是2021物理学的最大成就之一。
量子论解释了原子、分子等微观粒子遵循的规律，这些规律和牛顿力学等宏观、低速情况下的物理规律有很大不同。
量子论不但深化和丰富了人类对自然界的认识，而且催生了一大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式和社会形态……”本章在结构设计方面可划分为三个单元。
第一单元由第1节“普朗克黑体辐射理论”和第2节“光电效应”组成，介绍了普朗克能量量子化假说和爱因斯坦光量子理论。
第二单元由第3节“原子的核式结构模型”和第4节“氢原子光谱和玻尔的原子模型”组成，介绍了电子的发现对于人类认识原子结构的重要意义，以及卢瑟福提出的原子的核式结构模型，并进一步介绍了原子光谱的规律和玻尔在核式结构模型的基础上提出的新的原子模型。
第三单元为第5节“粒子的波动性和量子力学的建立”，介绍了粒子的波粒二象性以及量子力学的建立过程。
具体来说，在编写本章内容时有以下一些思考。
1．从科学概念蜕变的历史轨迹中领悟科学家的科学探究在普朗克提出能量量子化假说之前，人们总认为能量值是连续的。
第四章原子结构和波粒二象性1. 普朗克黑体辐射理论................................................................................................. - 1 -2. 光电效应 .................................................................................................................... - 1 -3．原子的核式结构模型.............................................................................................. - 15 -4. 氢原子光谱和玻尔的原子模型............................................................................... - 26 -5. 粒子的波动性和量子力学的建立........................................................................... - 39 -章末复习提高................................................................................................................ - 47 -1. 普朗克黑体辐射理论2. 光电效应一、能量量子化1．黑体辐射(1)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。
(2)维恩和瑞利的理论解释①建立理论的基础：依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。
核心素养提升情境1荧光粉——科学思维荧光粉是一种能将外部能量转变为可见光的发光材料，是照明、显示领域中重要的支撑材料，它是现代生活中极其重要的材料．本题以荧光粉的发光原理为背景，主要考查学生对跃迁规律的掌握．1．(多选)目前用于照明用的荧光粉，大部分是粉末状的以汞原子发出的紫外线为激发源的光致发光荧光粉．它们是利用氧化物晶体中孤立离子的电子跃迁来发光的．简要原理如下：在玻璃管中两极间加电压，使电子发射出来，撞击汞原子发出紫外线，紫外线照射到荧光粉上发出可见光．已知汞原子可能的能级为E1＝－10.4 eV，E2＝－5.5 eV，E3＝－2.7 eV，E4＝－1.6 eV，其紫外线主要是从E2到E1能级跃迁时放出的，某荧光粉在经此紫外线照射后发出540 nm的绿光．已知h＝6.63×10－34J·s，e＝1.6×10－19C，c＝3.0×108m/s，下列说法中正确的是( )A．要使得汞原子产生紫外线，电子能量必须等于4.9 eVB．汞原子发出的紫外线的波长为253.7 nmC．大量处于n＝5能级的汞原子，可以发出10种不同的光子D．荧光粉发出的绿光可能使处于基态的汞原子的能级跃迁到更高状态情境2测温枪：光电效应——科学探究本题以测温枪的工作原理为背景，考查光电效应的相关内容，与生活实际结合紧密，以物理核心素养为导向，加强学生的科学探究能力．2．(多选)额温枪是新冠病毒防控的重要装备之一，其原理为：人体辐射的红外线照射到温度传感器，发生光电效应，将光信号转化为电信号，从而显示出人体的温度．已知人的体温正常时能辐射波长约为10 μm的红外线，如图甲所示，用该红外线照射光电管的阴极K时，电路中有光电流产生，光电流随电压变化的图像如图乙所示，已知h＝6.63×10－34J·s，e＝1.6×10－19C，c＝3.0×108m/s.则( )A．波长10 μm的红外线在真空中的频率为3×1013HzB．将图甲中的电源正负极反接，一定不会产生电信号C．由图乙可知，产生的光电子最大初动能为2 eVD．由图乙可知，该光电管的阴极金属逸出功约为1.67×10－20J情境3红外线测温仪——科学思维本题以红外线测温仪为背景，考查氢原子能级跃迁规律，与生活实际紧密结合，加强学生解决实际问题的能力．3．[2023·河南南阳高二下联考](多选)红外测温具有响应时间快、非接触、安全准确的优点，在新冠疫情防控中发挥了重要作用．红外测温仪捕捉被测物体电磁辐射中的红外线部分，将其转变成电信号．图甲为红外线光谱的三个区域，图乙为氢原子能级示意图．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光在真空中的速度c＝3.0×108m/s，下列说法正确的是( )A.红外线光子能量的最大值约为1.64 eVB．氢原子从n＝3能级向n＝2能级跃迁时释放出的光子能被红外测温仪捕捉C．大量氢原子从n＝4能级向低能级跃迁时，红外测温仪可捕捉到2种频率的红外线D．大量处于n＝2激发态的氢原子吸收能量为2.86 eV的光子后，辐射出的光子可能被红外线测温仪捕捉情境4光控继电器——科学探究本题以光控继电器为背景考查光电效应规律的探究过程，紧密联系生活实际，加强学生的探究能力．4．[2023·重庆高二下期中]如图甲所示，这是工业生产中大部分光电控制设备用到的光控继电器的示意图，它由电源、光电管、放大器、电磁继电器等几部分组成．其原理是：当光照射光电管时电路中产生光电流，经放大器放大的电流产生的磁场使铁芯M被磁化，将衔铁N吸住．当光照消失时，电路中电流消失，衔铁N自动离开M.(1)图甲中，为了尽可能增大光电流，a端应是电源的________(填“正”或“负”)极．(2)当用绿光照射光电管阴极K时，可以发生光电效应，则下列说法正确的是________．A．增大绿光照射强度，光电子最大初动能增大B．增大绿光照射强度，电路中光电流增大C．仅改用同等强度的紫光照射，光电子的最大初动能不变D．仅改用同等强度的紫光照射，光电子的最大初动能变大(3)已知用光照强度为J a的a光和光照强度为J b的b光照射该光电管，分别产生的光电流I随电源电压U的关系如图乙所示[其中电源按(1)问连接时电压为正]，且在电源电压和入射光频率确定时，光电流与光照强度成正比．则a光的频率________(填“大于”“小于”或“等于”)b光的频率．实验发现，用光照强度为J a的a光照射该光电管时，电压须大于＋0.2 V，继电器才能将衔铁吸附．若用光照强度为J b的b光照射该光电管，调整电源电压，当继电器刚好不能将衔铁吸附时，电源电压为________ V(需指出正负)；若将电源电压调整为＋1.6 V，用a光照射该光电管，能使继电器将衔铁吸附的最小光强为________ J a(结果保留两位有效数字).。
第四章原子结构和波粒二象性1. 普朗克黑体辐射理论................................................................................................. - 1 -2. 光电效应 .................................................................................................................... - 1 -3．原子的核式结构模型.............................................................................................. - 15 -4. 氢原子光谱和玻尔的原子模型............................................................................... - 26 -5. 粒子的波动性和量子力学的建立........................................................................... - 39 -章末复习提高................................................................................................................ - 47 -1. 普朗克黑体辐射理论2. 光电效应一、能量量子化1．黑体辐射(1)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。
(2)维恩和瑞利的理论解释①建立理论的基础：依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。
②维恩公式：在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大。
③瑞利公式：在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，由理论得出的荒谬结果被称为“紫外灾难”。
2．能量子(1)普朗克的假设组成黑体的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。
即能的辐射或者吸收只能是一份一份的。
这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子公式ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。
h＝6.626×10－34 J·s。
(一般取h＝6.63×10－34J·s)(3)能量的量子化微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。
这种现象叫能量的量子化。
说明：黑体辐射的电磁波强度按波长的分布只跟黑体温度有关。
二、光电效应现象和规律1．光电效应定义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)截止频率：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，表面已经没有光电子了，νc称为截止频率。
(2)存在着饱和电流。
入射光强度一定，单位时间内阴极K发射的光电子数一定。
入射光越强，饱和电流越大，表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
(3)遏止电压：施加反向电压，使光电流减小到0的反向电压U c称为遏止电压。
(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，光电效应几乎是瞬时发生的。
4．逸出功使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫作这种金属的逸出功，用W0表示，不同金属的逸出功不同。
三、爱因斯坦的光子说及光电效应方程1．光子说(1)内容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，这些能量子称为光子。
(2)光子能量公式为ε＝hν，其中ν指光的频率。
2．光电效应方程(1)对光电效应的说明在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，其中一部分用来克服金属的逸出功W0，另一部分为光电子的初动能E k。
(2)光电效应方程E k＝hν－W0。
3．对光电效应规律的解释(1)光电子的最大初动能与入射光频率有关，与光的强弱无关。
只有当hν>W0时，才有光电子逸出。
(2)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间。
(3)对于同种颜色的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
说明：①光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子就多，因而饱和电流大；②入射光的强度，指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光强与光子数成正比；③单位时间内发射出来的电子数由光强决定。
四、康普顿效应和光子的动量1．康普顿效应在散射的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．光子的动量光子不仅具有能量，而且具有动量，公式：p＝h λ。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。
(√)(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。
(√)(3)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。
(×)(4)在发生光电效应的条件下，入射光强度越大，饱和光电流越大。
(√) 2．(多选)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．一般物体辐射电磁波的情况只与材料有关D．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关AD[根据热辐射定义知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，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B、C错误、D正确。
] 3．(多选)对光电效应的解释正确的是()A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，它积累的动能足够大时，就能逸出金属B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服引力要做的最小功，光电子便不能逸出来，即光电效应便不能发生了C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，发射的光电子的最大初动能就越大D．由于不同的金属逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不相同BD[实验证明，不论入射光的强度多大，只要入射光的频率小于金属的极限频率，就不会发生光电效应，而光电子的最大初动能与入射光频率和金属材料有关，材料不同，逸出功不同，由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋12m v2m可知，光电子的最大初动能也就不同。
当v m＝0时，ν0＝Wh，W不同则ν0不同。
最大初动能与光强度无关，B、D正确。
]对黑体辐射、能量子的理解美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特由于发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获得诺贝尔物理学奖。
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。
试探究：(1)黑体的辐射实际上是什么辐射？(2)普朗克对此提出了什么假说？提示：(1)实际是电磁辐射。
(2)提出了能量子假说。
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有关，与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(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。
(2)随着温度的升高①各种波长的辐射强度都有增加；②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
[特别提醒]①热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时热辐射弱，温度高时热辐射强；②黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在；③黑体看上去不一定是黑的，有些可看作黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮。
3．能量子的有关问题(1)对能量子的理解：物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的，只能是hν的整数倍。
(2)能量子假说的意义：解决了“紫外灾难”的问题，破除了“能量连续变化”的传统观念。
【例1】(多选)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知()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思路点拨：温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且极大值向波长短的方向移动；反之亦然。
ACD[由图可知，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，上述变化都将反之，故A、C、D 正确，B错误。
][跟进训练]1．(多选)关于对热辐射的认识，下列说法正确的是()A．温度越高，物体辐射的电磁波越强B．冷的物体只吸收电磁波C．辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料的种类及表面状况无关D．常温下看到的不透明、非发光物体的颜色是反射光的颜色AD[一切物体都在不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，A正确，B错误；选项C是黑体辐射的特性，C错误；常温下看到的不透明、非发光物体的颜色是反射光的颜色，D正确。
]对光电效应现象的理解73金属表面层内存在一种力，阻碍电子逃逸，当温度不是很高时，大多数电子能量不够大，因此不能大量逸出金属表面。
一验电器与锌板相连，如图所示，用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角。
试探究：(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怎样变化？(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(1)光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电，光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果。
(2)光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能。
光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
(3)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，入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积。
(4)光电流与饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值就是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
