【最近更新】新人教17章波粒二象性 学案(全套)

《波粒二象性》导学案一、学习目标1、理解波粒二象性的概念，知道光和微观粒子既具有波动性又具有粒子性。

2、了解光的波动性和粒子性的实验证据，如光的干涉、衍射和光电效应等。

3、掌握描述光的波动性和粒子性的物理量，如波长、频率、动量、能量等，并能进行相关计算。

4、理解波粒二象性的数学表达式，如德布罗意关系式。

5、认识波粒二象性对物理学和现代科学技术的重要影响。

二、学习重难点1、重点（1）光的波动性和粒子性的实验证据及相关现象的解释。

（2）波粒二象性的概念和物理量的理解。

（3）德布罗意关系式的应用。

2、难点（1）对光的波粒二象性的辩证统一理解。

（2）微观粒子波动性的理解和相关计算。

三、知识回顾在学习波粒二象性之前，我们先来回顾一下之前所学的一些相关知识。

1、光的波动性（1）光的干涉：两列频率相同、振动情况相同的光波在空间相遇时，某些区域振动加强，某些区域振动减弱，这种现象叫做光的干涉。

干涉现象是光具有波动性的有力证据，例如杨氏双缝干涉实验。

（2）光的衍射：光在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘继续传播，这种现象叫做光的衍射。

衍射现象进一步表明了光的波动性。

2、粒子的概念（1）粒子具有确定的质量、动量和位置。

（2）经典物理学中，粒子的运动遵循牛顿运动定律。

四、新课导入我们之前分别从波动性和粒子性的角度来认识光和微观粒子。

但随着科学的发展，人们发现光和微观粒子的行为并不总是符合我们传统的认知。

那么，光和微观粒子到底具有怎样的本质呢？这就引出了我们今天要学习的波粒二象性。

五、知识讲解1、光的波粒二象性（1）光的干涉和衍射现象表明光具有波动性，而光电效应则表明光具有粒子性。

光电效应是指在光的照射下，金属表面发射电子的现象。

实验发现，光电效应的发生存在一个截止频率，只有当入射光的频率大于截止频率时，才会发生光电效应。

而且，光电子的发射几乎是瞬时的，与光的强度无关，而只与光的频率有关。

这些现象无法用经典的电磁波理论来解释，而只能用光子的概念来解释。

3 粒子的波动性[先填空] 1.2．光子的能量和动量 (1)能量：ε＝h ν. (2)动量：p ＝hλ.3．意义能量ε和动量p 是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量．因此ε＝h ν和p ＝hλ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．[再判断]1．光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性．(√) 2．光子数量越大，其粒子性越明显．(×)3．光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子．(√) [后思考]由公式E ＝h ν和λ＝hp，能看出波动性和粒子性的联系吗？【提示】 从光子的能量和动量的表达式可以看出，是h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁．[合作探讨]探讨1：认识光的波粒二象性，应从微观角度还是宏观角度？【提示】 应从微观的角度建立光的行为图像，认识光的波粒二象性． 探讨2：光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子，这句话正确吗？【提示】 不正确．光具有波粒二象性，只是有时表现为波动性，有时表现为粒子性，并不是有的光是波，有的光是粒子．[核心点击]1．对光的认识的几种学说1．关于光的本性，下列说法中正确的是 ( )A．关于光的本性，牛顿提出“微粒说”．惠更斯提出“波动说”，爱因斯坦提出“光子说”，它们都说明了光的本性B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性D．光电效应说明光具有粒子性E．波粒二象性是光的属性【解析】光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒．某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象．某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象．要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系．C、D、E正确，A、B错误．【答案】CDE2．关于光的波粒二象性的理解正确的是 ( )A．大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性B．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C．光在传播时波动性显著，而与物质相互作用时粒子性显著D．高频光是粒子，低频光是波E．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著【解析】光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，E正确；大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性，A正确；光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，B错误C正确；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著．D错误．【答案】 ACE光既有波动性又有粒子性，二者是统一的.光表现为波动性，只是光的波动性显著，粒子性不显著而已. 光表现为粒子性，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已.[先填空] 1．粒子的波动性 (1)德布罗意波1924年法国巴黎大学的德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波．(2)物质波的波长、频率关系式 ν＝εh ，λ＝h p.2．物质波的实验验证 (1)实验探究思路干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象．电子束穿过铝箔后的衍射图样图17­3­1(2)实验验证1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了电子的衍射图样，如图17­3­1所示，证实了电子的波动性．(3)说明①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性．对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝εh 和λ＝hp关系同样正确．②宏观物体的质量比微观粒子大得多，运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长很小，根本无法观察到它的波动性．[再判断]1．一切宏观物体都伴随一种波，即物质波．(×) 2．湖面上的水波就是物质波．(×)3．电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性．(√) [后思考]既然德布罗意提出了物质波的概念，为什么我们生活中却体会不到？【提示】 平时所见的宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多，运动的动量很大，由λ＝h p可知，它们对应的物质波波长很小，因此，无法观察到它们的波动性．[合作探讨]探讨1：物质波的概念是如何提出的？【提示】 德布罗意认为光学研究中忽视了粒子性，而实物粒子中则忽视了其波动性，因此，德布罗意提出了实物粒子的波动性．探讨2：宏观物体的运动也具有波动性吗？【提示】 不管是微观粒子还是宏观运动的物体，都具有波动性，但宏观运动物体的波动性很不明显．[核心点击] 1．物质的分类(1)由分子、原子、电子、质子及由这些粒子组成的物质．(2)“场”也是物质，像电场、磁场、电磁场这种看不见的，不是由实物粒子组成的，而是一种客观存在的特殊物质．2．物质波的普遍性任何物体，都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故．3．求解物质波波长的方法(1)根据已知条件，写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p ＝mv . (2)根据波长公式λ＝h p求解．(3)注意区分光子和微观粒子的能量和动量的不同表达式．如光子的能量：ε＝h ν，动量p ＝h λ；微观粒子的动能：E k ＝12mv 2，动量p ＝mv .3．下列说法中正确的是 ( ) A ．物质波属于机械波 B ．物质波与机械波有本质区别C ．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性D ．德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波E ．宏观物体运动时，虽看不到它的衍射或干涉现象，但宏观物体运动时仍具有波动性 【解析】 物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，A 错误B 正确；宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，看不出来，C 错误E 正确；德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波，D 正确．【答案】 BDE4．如果一个中子和一个质量为10 g 的子弹都以103m/s 的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多长？(中子的质量为1.67×10－27kg)【解析】 中子的动量为p 1＝m 1v ， 子弹的动量为p 2＝m 2v ，据λ＝hp知中子和子弹的德布罗意波的波长分别为 λ1＝h p 1，λ2＝h p 2联立以上各式解得：λ1＝h m 1v ，λ2＝h m 2v将m 1＝1.67×10－27kg ，v ＝1×103m/s ，h ＝6.63×10－34J·s，m 2＝1.0×10－2kg 代入上面两式可解得λ1＝4.0×10－10m ，λ2＝6.63×10－35m. 【答案】 4.0×10－10m 6.63×10－35m宏观物体波动性的三点提醒1．一切运动着的物体都具有波动性，宏观物体观察不到其波动性，但并不否定其波动性．2．要注意大量光子、个别光子、宏观物体、微观粒子等相关概念的区别． 3．在宏观世界中，波与粒子是对立的概念；在微观世界中，波与粒子可以统一．学业分层测评(七) (建议用时：45分钟)[学业达标]1．在历史上，最早证明了德布罗意波存在的实验是________． 【答案】 电子束在晶体上的衍射实验 2．关于物质波，下列认识正确的是 ( )A ．任何运动的物体(质点)都对应一种波，这种波叫物质波B ．X 射线的衍射实验证实了物质波假说是正确的C ．电子的衍射实验证实了物质波假说是正确的D ．宏观物体尽管可以看成物质波，但无法观察到其干涉、衍射等现象E ．最早提出物质波的是牛顿【解析】 由德布罗意假说可判断选项A 正确E 错误；X 射线的衍射实验证实了X 射线是波长很短的电磁波，故选项B 错误；电子的衍射实验证实了电子具有波动性，故选项C 正确；宏观物体对应的物质波的波长极短，实验室无法进行实验，选项D 正确．【答案】 ACD3．关于物质波，下列说法正确的是( ) A ．速度相等的电子和质子，电子的波长长 B ．动能相等的电子和质子，电子的波长长 C ．动量相等的电子和中子，中子的波长短D ．甲电子速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍E ．动量相等的粒子，其波长也相等【解析】 由λ＝h p可知，动量大的粒子的波长短，电子与质子的速度相等时，电子动量小，波长长，选项A 正确；电子与质子动能相等时，由动量与动能的关系式p ＝2mE k 可知，电子的动量小，波长长，选项B 正确；动量相等的电子与中子，其波长应相等，选项C 错误E 正确；如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲的速度是乙的三倍，则甲的波长应是乙的13，选项D 错误．【答案】 ABE4．如图17­3­2所示，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器铝箔有张角，则该实验可以证明光具有________性．图17­3­2【解析】 弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，这是光的衍射，证明了光具有波动性，验电器铝箔有张角，说明锌板发生了光电效应现象，则证明光具有粒子性，所以该实验证明了光具有波粒二象性．【答案】 波粒二象5．关于光的波粒二象性的说法中，正确的是( ) A ．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子B ．光子与电子是同样的一种粒子，光波与机械波是同样的一种波C ．当光和物质相互作用时表现出粒子性D ．光在传播过程中表现出波动性E ．光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量ε＝h ν中，频率ν仍表示的是波的特性【解析】 光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性，A 错误；当光和物质作用时，是“一份一份”的，表现出粒子性，光的干涉、衍射又说明光是一种波，光既不同于宏观的粒子，也不同于宏观的波，B 错误C 、D 正确；光具有波粒二象性，光的波动性与粒子性不是独立的，由公式ε＝h ν可以看出二者是有联系的．光的粒子性并没有否定光的波动性，E 正确．【答案】 CDE6．质量为m 的粒子原来的速度为v ，物质波的波长为λ.现将粒子的速度增大为2v ，则描写该粒子的物质波的波长将变为________λ(粒子的质量保持不变)．【解析】 由题知，粒子速度为v 时，λ＝h mv ；粒子速度为2v 时，λ2＝12λ.故C 正确．【答案】 127．任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之对应，波长是λ＝h p，式中p 是运动物体的动量，h 是普朗克常量，人们把这种波叫德布罗意波，现有一个德布罗意波长为λ1的物体1和一个德布罗意波长为λ2的物体2相向正碰后粘在一起，已知|p 1|<|p 2|，则粘在一起的物体的德布罗意波长为________．【解析】 由动量守恒p 2－p 1＝(m 1＋m 2)v 知，即hλ2－h λ1＝h λ，所以λ＝λ1λ2λ1－λ2. 【答案】λ1λ2λ1－λ28．在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近．已知中子质量m ＝1.67×10－27kg ，普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s，求德布罗意波长λ＝1.82×10－10m 的热中子动能．【解析】 根据德布罗意波长公式λ＝h p可算出中子动量大小，再由p 2＝2mE k ，即可算出热中子的动能．由λ＝h p ，p 2＝2mE k ，得E k ＝h 22m λ2，代入数据，有E k ＝3.97×10－21J. 【答案】 3.97×10－21J[能力提升]9．2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X 射线源．X 射线是一种高频电磁波，若X 射线在真空中的波长为λ，以h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速，以E 和p 分别表示X 射线每个光子的能量和动量，则E ＝________，p ＝________.【解析】 根据E ＝h ν，且λ＝h p，c ＝λν可得X 射线每个光子的能量为E ＝hcλ，每个光子的动量为p ＝hλ. 【答案】hcλhλ10．利用金属晶格(大小约10－10m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子通过电场加速后，让电子束照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样．已知电子质量为m ，电荷量为e ，初速度为0，加速电压为U ，普朗克常量为h ，则下列说法中正确的是 ( )A ．该实验说明了电子具有波动性B ．实验中电子束的德布罗意波波长为λ＝h2meUC ．加速电压U 越大，电子的衍射现象越明显D ．若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显E ．若用相同动能的中子代替电子，衍射现象将不如电子明显【解析】 得到电子的衍射图样，说明电子具有波动性，A 正确；由德布罗意波波长公式λ＝h p，而动量p ＝2mE k ＝2meU ，两式联立得λ＝h 2meU ，B 正确；从公式λ＝h2meU可知，加速电压越大，电子的波长越小，衍射现象就越不明显，C 错误；用相同动能的质子或中子替代电子，质子的波长变小，衍射现象相比电子不明显，故D 错误E 正确．【答案】 ABE11．如图17­3­3所示为证实电子波存在的实验装置，从F 上出来的热电子可认为初速度为零，所加的加速电压U ＝104V ，电子质量为m ＝9.1×10－31kg ，普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s.电子被加速后通过小孔K 1和K 2后入射到薄的金箔上，发生衍射作用，结果在照相底片上形成同心圆明暗条纹．试计算电子的德布罗意波长. 【导学号：66390021】图17­3­3【解析】 根据动能定理有eU ＝12mv 2根据动能和动量的定义式有E k ＝12mv 2＝mv22m ＝p 22m以上两式与λ＝h p联立，得λ＝h 2meU，代入数据可得λ≈1.23×10－11m. 【答案】 1.23×10－11m12．科学家设想未来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒每单位面积接收到的光子数为n ，光子平均波长为λ，太阳帆面积为S ，反射率100%，设太阳光垂直射到太阳帆上，飞船总质量为m .(1)求飞船加速度的表达式(光子动量p ＝hλ)；(2)若太阳帆是黑色的，飞船的加速度又为多少？【导学号：66390022】【解析】 (1)光子垂直射到太阳帆上再反射，动量变化量为2p ，设光对太阳帆的压力为F ，单位时间打到太阳帆上的光子数为N ，则N ＝nS由动量定理有F Δt ＝N Δt ·2p 所以F ＝N ·2p而光子动量p ＝h λ，所以F ＝2nShλ由牛顿第二定律可得飞船加速度的表达式为a ＝F m ＝2nShm λ. (2)若太阳帆是黑色的，光子垂直打到太阳帆上不再反射(被太阳帆吸收)，光子动量变化量为p ，故太阳帆上受到的光压力为F ′＝nShλ，飞船的加速度a ′＝nShm λ. 【答案】 (1)2nSh m λ (2)nShm λ。

本套资源目录2019_2020学年高中物理第17章1能量量子化2光的粒子性学案新人教版选修3_52019_2020学年高中物理第17章3粒子的波动性学案新人教版选修3_52019_2020学年高中物理第17章4概率波5不确定性关系学案新人教版选修3_52019_2020学年高中物理第17章章末复习课学案新人教版选修3_51能量量子化2光的粒子性[学习目标] 1.了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射．(重点)2.了解黑体辐射的实验规律，了解黑体辐射的强度与波长的关系．(重点)3.知道光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾.4.知道光子说及其对光电效应的解释．(重点)5.掌握爱因斯坦光电效应方程并会用它来解决简单问题．(难点)一、能量量子化1．黑体与黑体辐射(1)热辐射我们周围的一切物体都在辐射电磁波．这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射．物体热辐射中随温度的升高，辐射的较短波长的电磁波的成分越来越强．(2)黑体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．(3)黑体辐射的实验规律①一般材料的物体，辐射电磁波的情况，除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．②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．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．(4)维恩和瑞利的理论解释①建立理论的基础：依据热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)普朗克的假设振动着的带电微粒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叫做能量子．(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＝6.626×10－34J·s.(一般取h＝6.63×10－34J·s)(3)能量的量子化在微观世界中能量是量子化的，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．(4)普朗克理论①借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合之好令人击掌叫绝．②普朗克在1900年把能量子列入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一．二、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)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．(2)存在着遏止电压和截止频率．遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度．对于一定颜色(频率)的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的，即光电子的能量只与入射光的频率有关．当入射光的频率低于截止频率时，不论光多么强，光电效应都不会发生．(3)光电效应具有瞬时性．光电效应几乎是瞬时的，无论入射光怎么微弱，时间都不超过10－9 s.4．逸出功使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功，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．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．(√)(5)不同的金属逸出功不同，因此金属对应的截止频率也不同．(√)(6)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多．(√)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[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，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B、C错、D对．[答案]AD3．(多选)对光电效应的解释正确的是( )A．金属内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[解析] 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 ＋12mv 2m 可知，光电子的最大初动能也就不同．当v m ＝0时，ν0＝W h，W 不同则ν0不同．最大初动能与光强无关． [答案] BD1(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，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强；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[解析]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，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误．[答案]ACD1．(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[解析]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．[答案]AD1(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．(5)光的强度与饱和光电流饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系．2．光电效应与经典电磁理论的矛盾(1)矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关．(2)矛盾之二：存在截止频率按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率．而实验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应．(3)矛盾之三：具有瞬时性按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量．而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时的．【例2】利用光电管研究光电效应实验如图所示，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．用紫外线照射，电流表一定有电流通过B．用红光照射，电流表一定无电流通过C．用红外线照射，电流表一定无电流通过D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过[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正确．因不知阴极K的截止频率，所以用红光或红外线照射时，也可能发生光电效应，所以选项B、C错误．即使U AK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以选项D错误．[答案] A在例题2中，若将电路中的电源正负极对调，其他条件不变．则电路中是否还有电流？若将滑动触头左右移动？电流表示数如何变化？【提示】电路中不一定有电流．若将触头向A端移动，则电流可能逐渐增大，向B 端移动电流可能逐渐减小．关于光电效应的两点提醒(1)发生光电效应时需满足：照射光的频率大于金属的极限频率，即ν＞νc，或光子的能量ε＞W0.(2)光电子的最大初动能只与照射光的频率及金属的逸出功有关，而与照射光的强弱无关，强度大小决定了逸出光电子的数目多少．2．(多选)对光电效应的理解正确的是( )A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属B．在光电效应中，一个电子只能吸收一个光子C．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应D．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大[解析]按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大；但要使电子离开金属，电子必须具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，且一个电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象；电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小．综上所述，选项B、C正确．[答案]BC1k 0(1)式中的E k 是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～E k 范围内的任何数值．(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程：能量为E ＝hν的光子被电子所吸收，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W 0，则电子离开金属表面时动能最大为E k ，根据能量守恒定律可知：E k ＝hν－W 0.(3)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E k ＝hν－W 0>0，亦即hν＞W 0，ν＞W 0h ＝νc ，而νc ＝W 0h恰好是光电效应的截止频率． (4)E km ­ν图线：如图所示是光电子最大初动能E km 随入射光频率ν的变化图线．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．2．光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索：(2)两个关系：光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．【例3】在研究光电效应现象时，先后用两种不同色光照射同一光电管，所得的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是( )A．色光乙的频率小、光强大B．色光乙的频率大、光强大C．若色光乙的强度减为原来的一半，无论电压多大，色光乙产生的光电流一定比色光甲产生的光电流小D．若另一光电管所加的正向电压不变，色光甲能产生光电流，则色光乙一定能产生光电流[解析]由题中图象可得用色光乙照射光电管时遏止电压大，使其逸出的光电子最大初动能大，所以色光乙的频率大，光子的能量大．由题中图象可知，色光甲的饱和光电流大于色光乙的饱和光电流，故色光甲的光强大于色光乙的光强，AB错误；如果使色光乙的强度减半，则只是色光乙的饱和光电流减半，在特定的电压下，色光乙产生的光电流不一定比色光甲产生的光电流小，C错误；因色光乙的频率大于色光甲的，故另一个光电管加一定的正向电压，如果色光甲能使该光电管产生光电流，则色光乙一定能使该光电管产生光电流，D 正确．[答案] D3．(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是( )A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B．入射光的频率变高，饱和光电流变大C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生[解析]产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和光电流越大，说法A正确．饱和光电流大小与入射光的频率无关，说法B错误．光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关，说法C正确．减小入射光的频率，如低于极限频率，则不能发生光电效应，没有光电流产生，说法D错误．[答案]AC4．爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释了光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖．某种金属逸出光电子的最大初动能E km与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为极限频率．从图中可以确定的是( )A．逸出功与ν有关B．E km与入射光强度成正比C．当ν<ν0时，会逸出光电子D．图中直线的斜率与普朗克常量有关[解析]金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率无关，A错误；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，B错误；只有ν>ν0时才会发生光电效应，C错误；由爱因斯坦光电效应方程E k＝hν－W0和W0＝hν0(W0为金属的逸出功)可得，E k＝hν－hν0，可见图象的斜率表示普朗克常量，D正确．[答案] D1．关于黑体及黑体辐射，下列说法正确的是( )A．黑体是真实存在的B．普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元C．随着温度升高黑体辐射的各波长的强度有些会增强，有些会减弱D．黑体辐射无任何实验依据[解析]黑体并不是真实存在的，A错误；普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元，故B正确；随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，故C错误；黑体辐射是有实验依据的，故D错误．[答案] B2.(多选)光电效应实验的装置如图所示，则下列说法正确的是( )A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转C．锌板带的是负电荷D．使验电器指针发生偏转的是正电荷[解析]锌板连接验电器，在紫外光的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来，锌板中缺少电子，于是带正电，则验电器也带正电并且指针发生偏转，故AD正确，C错误；红光不能使锌板发生光电效应，B错误．[答案]AD3．入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减小，而频率保持不变，那么( )A．从光照到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将减少D．有可能不发生光电效应[解析]发生光电效应几乎是瞬间的，所以A错误；入射光的频率不变，则逸出的光电子的最大初动能也就不变，B错误；入射光强度减弱，说明单位时间内入射光子数减少，则单位时间内从金属表面逸出的光电子数也减少，C正确；入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率大于这种金属的极限频率，即使入射光的强度减小，也一定能发生光电效应，D错误．[答案] C4.如图所示为一真空光电管的应用电路，关于电路中光电流的饱和值，下列说法正确的是( )A．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率B．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度C．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于光电管所加的正向电压的大小D．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的光照时间[解析]在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关，故B正确，ACD错误．[答案] B3粒子的波动性[学习目标] 1.知道光的本性认识史.2.知道光的波粒二象性，理解其对应统一的关系．(重点)3.会用光的波粒二象性分析有关现象．(重点)4.理解德布罗意波，会解释相关现象．(重点、难点)一、光的波粒二象性1.2．光子的能量和动量 (1)能量：ε＝h ν. (2)动量：p ＝h λ. 3．意义能量ε和动量p 是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量．因此ε＝h ν和p ＝hλ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系． 二、粒子的波动性及实验验证 1．粒子的波动性 (1)德布罗意波1924年法国巴黎大学的德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波．(2)物质波的波长、频率关系式ν＝εh ，λ＝h p.2．物质波的实验验证 (1)实验探究思路干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象．电子束穿过铝箔后的衍射图样(2)实验验证1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了电子的衍射图样，如图所示，证实了电子的波动性．(3)说明①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性．对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝εh 和λ＝h p关系同样正确．②宏观物体的质量比微观粒子大得多，运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长很小，根本无法观察到它的波动性．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)一切宏观物体都伴随一种波，即物质波． (×)(2)湖面上的水波就是物质波．(×)(3)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性．(√)(4)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性．(√)(5)光子数量越大，其粒子性越明显．(×)2．(多选)关于光的本性，下列说法中正确的是( )A．关于光的本性，牛顿提出“微粒说”．惠更斯提出“波动说”，爱因斯坦提出“光子说”，它们都说明了光的本性B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性D．光电效应说明光具有粒子性[解析]光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒．某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象．某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象．要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系．C、D正确，A、B错误．[答案]CD3．关于物质波，以下观点不正确的是( )A．只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物体波B．只有运动着的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波C．由于宏观物体的德布罗意波长太小，所以无法观察到它们的波动性D．电子束照射到金属晶体上得到电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的[解析]只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波，故A正确，B错误；由于宏观物体的德布罗意波长太小，所以无法观察到它们的波动性，故C正确；电子束照射到金属晶体上得到了电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的，故D正确．本题选择不正确的，故选B.[答案] B。

2019-2020学年(新版)高中物理第十七章波粒二象性导学案(新人教版)选修3-5一、光子能量的计算1．一个光子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是光的频率．2．一束光的能量E＝nhν，n为光子数目．3．频率与波长的关系：ν＝cλ.例1激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光，红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲，现有一红宝石激光器，发射功率为1.0×1010 W，所发射的每个光脉冲持续的时间Δt为1.0×10－11 s，波长为 793.4 nm.问每列光脉冲的长度l是多少？其中含有的光子数n是多少？解析以Δt、l和c分别表示光脉冲的持续时间、长度和光在真空中的传播速度，由题意可知l＝cΔt①以P和E表示红宝石激光器发射的功率和一列光脉冲的能量，则有：E＝PΔt②以λ和ν表示红宝石激光器激光的波长和频率，则有ν＝cλ，因此就得到每个光子的能量hν＝hcλ③由②③式就得到该列光脉冲含有的光子数n＝Ehν＝λPΔthc④将数据代入①④式，就得到该列光脉冲的长度、含有的光子数分别为l＝3×10－3 m＝3 mm、n＝4.0×1017个．答案 3 mm 4.0×1017个二、光电效应的规律和光电效应方程1．光电效应的实验规律(1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须高于这个极限频率，才能发生光电效应．低于极限频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应．(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大．(3)入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.(4)当入射光的频率高于极限频率时，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强度成正比．2．爱因斯坦光电效应方程E k ＝h ν－W 0.W 0表示金属的逸出功，νc 表示金属的极限频率，则W 0＝h νc .例2 用波长为2.0×10－7 m 的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子中最大的动能是4.7×10－19 J ．由此可知，钨的极限频率是(普朗克常量h ＝6.63×10－34 J·s，光速c ＝3.0×108 m/s)( ) A ．5.5×1014 Hz B ．7.9×1014 HzC ．9.8×1014 HzD ．1.2×1015 Hz解析 由爱因斯坦光电效应方程得h c λ＝E k ＋W 0，而金属的逸出功W 0＝h νc ，由以上两式得，钨的极限频率为：νc ＝c λ－E k h≈7.9×1014Hz ，B 项正确． 答案 B三、波粒二象性的理解1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振说明光具有波动性，光电效应现象、康普顿效应则证明光具有粒子性，因此，光具有波粒二象性，对于光子这样的微观粒子只有从波粒二象性出发，才能统一说明光的各种行为．(2)大量光子产生的效果显示出光的波动性，少数光子产生的效果显示出粒子性，且随着光的频率的增大，波动性越来越不显著，而粒子性却越来越显著． 2．实物粒子(如：电子、质子等)都有一种波与之对应(物质波的波长λ＝h p ，频率ν＝εh)． 3．物质波与光波一样都属于概率波．概率波的实质：是指粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的．例3 关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是( )A ．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性B ．光波频率越高，粒子性越明显C ．能量越大的光子其波动性越显著D ．个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性解析 光的波粒二象性指光有时候表现的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显；个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，A 、D 正确．光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B 正确，C 错误．1．(光子能量的计算)能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18 J，已知可见光的平均波长约为0.6 μm，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，则进入人眼的能量子数至少为( )A．1个 B．3个 C．30个 D．300个答案 B解析可见光的平均频率ν＝cλ，能量子的平均能量为ε＝hν，引起视觉效应时E＝nε，联立可得n≈3，B正确．2．(光电效应规律及应用)100多年前的1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年，这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文，成功地解释了光电效应现象．关于光电效应，下列说法正确的是( ) A．当入射光的频率低于极限频率时，不能发生光电效应B．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比C．光电子的最大初动能与入射光的强度成正比D．某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应答案AD解析根据光电效应现象的实验规律，只有入射光频率大于极限频率时才能发生光电效应，故A、D 正确．根据光电效应方程，最大初动能与入射光频率为线性关系，但非正比关系，B错．根据光电效应现象的实验规律，光电子的最大初动能与入射光强度无关，C错．3．(光电效应的规律及应用)已知金属锌发生光电效应时产生的光电子的最大初动能E k跟入射光的频率ν的关系图象如图1中的直线1所示．某种单色光照射到金属锌的表面时，产生的光电子的最大初动能为E1.若该单色光照射到另一金属表面时产生的光电子的最大初动能为E2，E2<E1，关于这种金属的最大初动能E k跟入射光的频率ν的关系图象应是图中的( )图1A．a B．bC．c D．上述三条图线都不正确解析 根据光电效应方程知，E k －ν为一次函数，普朗克常量h 是斜率，h 是确定的值，虽然金属的逸出功不同，但两个E k －ν图象的斜率相同，两个直线平行，同时再利用E k ＝h ν－W 0，结合图象E 2<E 1，h ν相同，所以W 1<W 2，即直线在纵轴上的截距W 2大，故选A.4．(波粒二象性的理解)人类对光的本性的认识经历了曲折的过程，下列关于光的本性的陈述不符合科学规律或历史事实的是( )A ．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B ．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C ．麦克斯韦预言了光是一种电磁波D ．光具有波粒二象性答案 A解析 牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，显然A 错；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B 正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C 正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D 正确．5．(波粒二象性的理解)在众人关注的男子110米栏决赛中，雅典奥运冠军刘翔以12秒91的成绩第一个冲过终点．设刘翔的质量约为74 kg ，计算他在110米栏决赛中的德布罗意波长．答案 1.05×10－36 m解析 由德布罗意波长公式知，λ＝h p ＝h mv ＝6.63×10－3474×11012.91 m≈1.05×10－36m.。