教科版选修3-5(14)量子概念的诞生 光电效应与光的量子说

4.1量子概念的诞生学案（2020年教科版高中物理选修3-5）1量子概念的诞生量子概念的诞生学科素养与目标要求物理观念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.知道普朗克提出的量子假说.科学态度与责任1.了解能量子概念的提出过程，体会物理学发展的艰辛.2.了解科学家探索微观世界规律的方法，培养热爱科学的科学态度与责任.一.热辐射我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，而且辐射强度随波长的变化规律与物体的温度有关.二.黑体与黑体辐射1.黑体某种物体能够全部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.三.能量子1.定义普朗克认为，黑体辐射是谐振子向外辐射的各种电磁波.谐振子具有的能量是不连续的，而只能取一些分立的值，即Ennhn1,2,3，，最小的一份能量称为能量子.2.大小h，其中是谐振动电磁波的频率，h是普朗克常量，h6.631034Js.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.判断下列说法的正误.1黑体一定是黑色的物体.2能完全吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体.3温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大.4能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比.5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，与材料的种类及表面状况无关.一.黑体与黑体辐射1.对黑体的理解绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替.如图1所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体.图12.一般物体与黑体的比较热辐射特点吸收.反射特点一般物体辐射电磁波的情况与温度.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3.黑体辐射的实验规律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随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加；辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如图2所示.图2例1热辐射是指所有物体都在向外辐射电磁波的现象.辐射强度指垂直于电磁波方向的单位面积在单位时间内所接收到的辐射能量.在研究同一物体在不同温度下向外辐射的电磁波的波长与其辐射强度的关系时，得到如图3所示的图线，图中横轴表示电磁波的波长，纵轴M表示某种波长的电磁波的辐射强度，则由M图线可知，同一物体在不同温度下图3A.向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度相同B.向外辐射的电磁波的波长范围是相同的C.向外辐射的电磁波的总能量随温度升高而减小D.辐射强度的极大值随温度升高而向波长较短的方向移动答案D解析由题图线可知，对于同一物体，随着温度的升高，一方面，各种波长电磁波的辐射强度都有所增加，向外辐射的电磁波的总能量增大；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.选项D正确，A.B.C错误.提示熟记黑体辐射的实验规律并结合图线变化分析判断此类问题.由辐射强度随波长的变化关系图像可知，温度升高时各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.针对训练1关于对黑体的认识，下列说法正确的是A.黑体不仅能吸收电磁波，也能反射电磁波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.以上均不正确答案C解析黑体只能吸收电磁波，不能反射电磁波，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A.B.D错误，C正确.针对训练2xx辛集中学期中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，黑体辐射的强度与波长的关系一方面，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.由此规律可知应选A.二.能量子1.普朗克的量子化假设1能量子振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，例如可能是或2.3当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的.这个不可再分的最小能量值叫做能量子.2能量子公式h是电磁波的频率，h是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为h6.631034Js.3能量的量子化在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化.2.对能量量子化的理解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.例2多选对于带电微粒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解析带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值能量子为单位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错误.学科素养例2考查了带电微粒辐射.吸收的能量量子化的特点，加强了对能量量子化的认识，促进了能量量子化物理观念的形成.例3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个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉.普朗克常量为6.631034Js，光速为3108m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率约是A.2.31018WB.3.81019WC.7.01010WD.1.21018W答案A解析察觉到绿光所接收到的最小功率PEt，因只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，所以式中E6，又hhc，可解得P66.63103431081530109W2.31018W.提示解决此类题目的关键是熟练掌握h和c及EnPt 等公式.针对训练3“神光”装置是高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400J.波长为0.35m的紫外激光，已知普朗克常量h6.631034Js，光速c3.0108m/s，则该紫外激光所含光子数为多少个结果保留两位有效数字答案4.21021个解析每个激光光子的能量为hc，该紫外激光中所含光子数为nE24006.6310343.01080.35106个4.21021个.1.黑体辐射的规律多选黑体辐射的实验规律如图4所示，由图可知图4A.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.2.对能量子的理解多选关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是A.振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍C.能量子与电磁波的频率成正比D.这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的答案BC解析由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A错误，B正确；能量子h，与电磁波的频率成正比，C正确.3.能量子的理解及h的应用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1.41031.6103m，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h6.61034Js，真空中的光速c3.0108m/s.结果取两位有效数字答案1.910112.11011Hz1.310221.41022J解析由c得c，则求得频率范围为1.910112.11011Hz.又由h得能量范围为1.310221.41022J.。

量子概念的诞生
课标定位
1.理解热辐射，知道一切物体都在向外辐射能 量．
2．了解黑体和黑体辐射的实验Fra bibliotek律，知道普朗克 提出的能量子的假说．
．
课前自主学案
一、热辐射问题、黑体与黑体辐射 1．热辐射：周围的一切物体都在辐射电磁波， 这种辐射的强度随波长如何分布都与物体的 _温__度___相关，所以叫做热辐射． 2．黑体：某物体能够__全__部__吸收外来电磁波 而不发生反射，这种物体称为绝对黑体，简称 黑体. 3．黑体辐射：黑体表面向外辐射电磁波的强 度按波长分布的情况与温度有关．
3．能量子概念的引入，解决了黑体辐射问题， 向人们展示了自然过程的非连续特性，标志着量 子论的诞生．
思考感悟
普朗克认为能量是量子化的，为什么我们感觉 不到宏观物体的量子化特征？
提示：对于宏观物体，因为普朗克常量h非常小， 可认为趋近于零，量子化的特征显示不出来．
二、普朗克提出的能量子概念和量子论诞生的 历史意义
1．能量子：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸 收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的 _的_整_．_数_这_倍_个_．_不即可：再能分的的辐最射小或能者量吸值收ε叫只做能_是_能_一_量_份_子_一_．_份_
2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率， h称为普朗克常量．h＝__6_.6_2_6_×__1_0_－__34_J·s(一般取 h＝6.63×10－34 J·s)

3-5第四章波粒二象性1 量子概念的诞生这个不要求掌握一、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，所以叫热辐射．2．黑体：如果某物体能够全部吸收外来电磁波而不发生反射，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体．3．黑体辐射：加热腔体，黑体表面就向外辐射电磁波，这就是黑体辐射．4．黑体辐射的实验规律(1)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．(2)对黑体辐射的解释：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；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，如图1所示．二、能量子1．定义：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，最小的一份能量为ε＝hν，称为能量子．2．大小：不可再分的最小能量值ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s. 2光电效应与光的量子说一、光电效应现象1．光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子会因吸收光的能量而逸出金属表面，这种现象称为光电效应．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电子．其本质还是电子．二、光电效应的规律1．光电效应的四条规律(1)极限频率(也叫截止频率)的存在：入射光的频率必须大于ν0，才能产生光电效应，与入射光强度及照射时间无关．(2)光电子的最大初动能随着入射光频率的增加而增加，而与入射光强度无关．(3)当产生光电效应时，光电流大小随入射光强度的增大而增大．(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9_s.2．两个决定关系(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)入射光强度决定着单位时间内发射的光子数．三、光量子概念的提出光电效应方程1．光子：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的光子的能量为hν.2．光电效应方程(1)表达式：hν＝12m v2＋W或12m v2＝hν－W.(2)对光电效应方程的理解①逸出功的存在：金属内的电子吸收了一个光子的能量hν后，一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需做的功W，叫逸出功；另一部分转化为光电子动能12m v2.②光电效应方程说明了产生光电效应的条件．若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，即E k ＝hν－W >0，亦即hν>W ，ν>Wh ＝ν0，而ν0＝Wh恰好是光电效应的截止频率．3．E k －ν曲线．如图3所示是光电子最大初动能E k 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．图3⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧黑体辐射的特性能量子：普朗克假说ε＝hν光电效应⎩⎪⎨⎪⎧光现象转化电现象实质：电子吸收光子光电子实验规律光子说：ε＝hν爱因斯坦光电效应方程⎩⎪⎨⎪⎧hν＝12m v 2＋W 解释光电效应3 光的波粒二象性4 实物粒子的波粒二象性5 不确定关系一、光的波粒二象性 概率波1．康普顿效应X 射线经物质散射后波长变长的现象． 2．光的波粒二象性(1)光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性． (2)光子的能量ε＝hν，光子的动量p ＝hλ.(3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性． 3．对光的波粒二象性的理解(1)大量光子产生的效果显示出波动性；个别光子产生的效果显示出粒子性．(2)光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是描述波动性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系．(3)频率低、波长长的光，波动性特征显著，而频率高、波长短的光，粒子性特征显著． (4)光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出粒子性．光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体． 4．光是一种概率波光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量．和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，由波动性起主导作用，因此称光波为概率波． 二、德布罗意物质波假说1．任何运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它相对应，这种波叫物质波，又叫德布罗意波．物质波波长、频率的计算公式为λ＝h p ，ν＝εh.我们之所以看不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体的动量太大，德布罗意波长太小的缘故． 2．德布罗意假说是光的波粒二象性的推广，即光子和实物粒子都既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性．与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波． 3．物质波的实验验证(1)1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，从而证实了电子的波动性． (2)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．三、不确定关系1．微观粒子运动的位置不确定量Δx 和动量的不确定量Δp x 的关系式为Δx ·Δp x ≥h4π，其中 h 是普朗克常量，这个关系式叫不确定关系．2．不确定关系告诉我们，如果要更准确地确定粒子的位置(即Δx 更小)，那么动量的测量一定会更不准确(即Δp x 更大)，也就是说，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，也不可能用“轨迹”来描述粒子的运动．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.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10－9 s.(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 ＝hν－W .W 表示金属的逸出功，如果ν0表示金属的极限频率，则W ＝hν0.三、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．。

高中物理选修3-5一、动量守恒定律L动量守恒两个物体组成的系统Y系统总能量守恒尸第一个过程动量守恒三个物体组成的系统第二个过程动量守恒系统总能量守恒二、量子理论的建立黑体和黑体辐射1、量子理论的建立：1900年德国物理学家普朗克提岀振动着的带电微粒的能量只能是某个最小能量值£的整数倍，这个不可再分的能量值£叫做能量子£ = h v。

h为普朗克常数（6.63 X 10-34J.S ）2、黑体：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长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：黑体辐射的规律为：温度越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。

（普朗克的能量子理论很好的解释了黑体辐射）三、光电效应光子说光电效应方程1、光电效应（表明光子具有能量,证明光具有粒子性）（1）光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，但是它并不能解释光电效应的现象。

在光（包括不可见光）的照射下从物体发射出电子的现象叫做光电效应，发射出来的电子叫光电子。

（2）光电效应的研究结果：①存在饱和电流，这表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多；②存在遏止电压：Uc e= E K；③截止频率：光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，④当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应；⑤效应具有瞬时性：光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s。

2、光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为h v。

这些能量子被成为光子。

3、光电效应方程：E K = h - W O同时，h截止=W O, Uc e= E K四、康普顿效应（表明光子具有动量，证明光具有粒子性）1、1918-1922年康普顿（美）在研究石墨对X射线的散射时发现：光子在介质中和物质微粒相互作用，可以使光的传播方向发生改变，这种现象叫光的散射。

2、在光的散射过程中，有些散射光的波长比入射光的波长略大，这种现象叫康普顿效应。