能量量子化综述

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1、 光子的能量大，光的强度一定大吗？ 提示:(1)光子能量是指一个光子具有的能量，在数值上光 子能量=h. 光强是指在垂直于光的传播方向上，每平方米面积在1 s内 获得的能量，它等于在垂直于光传播方向上每平方米面积 1 s内通过的所有光子的能量和. (2)光子能量大并不意味着光强大，同样光强大也不等于光 子能量大.当入射光频率一定时，光强才与光子数成正比. 光强一定时，频率越高的光，在垂直于光传播方向上每平 方米面积上1 s 内通过的光子数越少. 普朗克的能量子假设的意义 普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质有了全新 的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响.普朗克 常量h是自然界最基

2、本的常量之一，它体现了微观世界的基 本特征. 典例1 对应3.410-19 J的能量子，其电磁辐射的频率和 波长各是多少？它是什么颜色的？ 解答该题时可按以下思路分析: (1)由=h求出光的频率; (2)由 求出光的波长; (3)结合或查表确定颜色. 【规范解答】根据公式=h和 得： 经查表5.131014 Hz的频率属于黄光的频率范围，它是黄 光. 答案:5.131014 Hz 5.8510-7 m 黄光 【变式备选】(2010上海高考)根据爱因斯坦光子说， 光子能量等于(h为普朗克常量，c、为真空中的光速 和波长)( ) A. B. C.h D. 【解析】选A.由光子的能量=h可知：光子的

3、能量由频 率决定；频率与光速、波长有关.光子的能量=h，频率 所以光子的能量 1光子说是由哪位科学家提出的？光子说怎样解释了光电 效应规律？ 提示:(1)爱因斯坦提出了光子说. (2)光子说对光电效应的解释： 由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能 一份一份地吸收光子的能量.而且这个传递能量的过程只能 是一个光子对一个电子的行为.如果光的频率低于极限频率 ，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不 能发生光电效应. 而当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后， 电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的 动能形式存在，这样光电子的最大初动能 其中W为金属的逸出功，

4、可见光的频 率越高，电子的初动能越大. 电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间即挣 脱束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的. 发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度 成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子 数越多，那么逸出的光电子数目也就越多. 2在康普顿效应中，有些光子与电子碰撞后的波长变长， 你能否从动量的观点和能量的观点分别对其作出解释？ 提示:在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞 时，要把一部分动量转移给电子，因而光子动量变小.从 看，动量p减小意味着波长变大，因此有些光子散 射后波长变大.同时入射光子与电子相撞时,将本身的一部 分能量传递给电子

5、,故能量减小,根据=h可得减小,再 由c=,得 由于减小,故变大,故光子的波长变 大. 1.饱和光电流与光强关系 在光的颜色不变的情况下,入射光越强,包含的光子数越多, 照射金属时产生的光电子数越多,因而饱和光电流越大.所 以,当入射光频率一定时,饱和光电流与光强成正比. 2.存在截止频率和遏止电压 爱因斯坦的光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频 率成线性关系,与光强无关,所以遏止电压由入射光频率决 定，与光强无关.光电效应方程同时表明,只有hW0时,才 有光电子逸出, 就是光电效应的截止频率. 典例2 (2011新课标全国卷)在光电效应实验中，某金属 的截止频率相应的波长为0，该金属的逸

6、出功为_.若 用波长为(0)的单色光做实验，则其遏止电压为 _.已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量 分别为e、c和h. 解答本题时可按以下思路分析： 先由爱因斯坦光电效应方程计算出逸出功，再由遏止电压 与光电子最大初动能的关系及光电效应方程，可求出遏止 电压. 【规范解答】由 又eU=Ek，且Ek=h-W， 所以 答案： 【变式备选】(2010浙江高考)在光电效应实验中， 飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电 流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示. 则可判断出( ) A甲光的频率大于乙光的频率 B乙光的波长大于丙光的波长 C乙光对应的截止频率大于丙 光的截

7、止频率 D甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最 大初动能 【解析】选B.由动能定理-eUC=0-Ek.又由图象知甲光、乙光 对应的遏止电压相等，且小于丙光对应的遏止电压，所以 甲光和乙光对应的光电子最大初动能相等且小于丙光的光 电子最大初动能，故D项错误；根据爱因斯坦光电效应方程 Ek=h-W0知甲光和乙光的频率相等，且小于丙光的频率， 故A错误、B正确；而由0=h-W0，截止频率是由金属决定的 ，与入射光无关，故C错误. 1.(2011江苏高考)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( ) 【解析】选A.随着温度的升高，辐射强度增加，辐射强度

8、的极大值向着波长较短的方向移动，A对. 2.(2011延安高二检测)如图所示为研究光电效应现象的 光电管电路的示意图,在光电管电路中( ) A能够把光信号转变为电信号 B电路中的电流是由光电子的运动形成的 C光照射到光电管的A极产生光电子并飞向K极 D光照射到光电管的K极产生光电子并飞向A极 【解析】选A、B、D.在光电管中,当光照射到阴极K时,将发 射出光电子,被A极吸引而奔向A极,形成光电流,使电路导通 ,照射光的强度越大,产生的光电流越大,这样就把光信号转 变为电信号,实现了光电转换. 3.如图所示，一验电器与锌板用导线相连，现用一紫外线 灯照射锌板，关灯之后，验电器指针保持一定的偏角

9、( ) A将一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角 将增大 B将一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角 将不变 C使验电器指针回到零，改用强度更大的紫外线灯照射锌 板，验电器的指针偏角将增大 D使验电器指针回到零，改用强度更大的红外线灯照射锌 板，验电器的指针一定偏转 【解析】选C.用一紫外线灯照射锌板，锌板发生光电效应 ，锌板带正电，验电器指针保持一定的偏角，将一带负电 的金属小球与锌板接触，锌板带的正电荷数减少，则验电 器指针偏角将变小，故A、B错；因为红外线的频率小于紫 外线的频率，故D错. 4.某金属在强度为I，频率为的光照射下发生了光电效应 单位时间内逸出的光电子为2

10、00个光电子的最大初动能 为2.0 eV若使用强度为2I的该频率的光照射，则单位时 间内逸出的光电子数为_个，光电子的最大初动 能为_10-19 J(本空保留一位小数) 【解析】单位时间内逸出的光电子数与光的强度成正比， 故第一个空为400；由爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0， 电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度 无关，因此光电子的最大初动能不变，为 2.0 eV=3.210-19 J. 答案:400 3.2 一、选择题(本题共6小题，每小题5分，共30分) 1.下列叙述错误的是( ) 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.黑体辐射电磁波的

11、强度按波长的分布只与黑体温度有关 D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 【解析】选B.我们周围的一切物体都在辐射电磁波，故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 ，而黑体辐射只与黑体的温度有关，B错误，C正确；根据 黑体的定义知D正确. 2.假设一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电 子相互碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方 向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比( ) A.波长变长 B.波长变短 C.光子能量变大 D.频率变大 【解析】选A.碰撞以后，电子获得了动能，由能量守恒定 律知，光子的能量

12、变小，由E=hc/,这个散射光子跟原来 的光子相比波长变长. 3.某激光器能发射波长为的激光，发射功率为P，c表示 光速，h表示普朗克常量，则激光器每秒发射的光子数为 ( ) A. B. C. D.Phc 【解析】选A.设每秒发射的光子数为n，每个光子的能量 E=hc/，发射功率为 4.在如图所示的光电管研究光电效应的实验中，用某种频 率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转. 而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指 针不发生偏转，那么( ) Aa光的波长一定大于b光的波长 B增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转 C用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流方

13、向是由d到c D只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大 【解析】选D.a光的波长小于b光的波长，故A错；增加b光的强 度，仍不能发生光电效应，故B错；用a光照射光电管阴极K时， 电子从K飞到A，电流从A流向K，故通过电流计G的电流方向是由 c到d，故C错；由于单位时间内逸出的光电子数与光的强度成正 比，故只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大，D对. 5.(2011朝阳区高二检测)用频率为v的光照射某金属表面 时,逸出的光电子最大初动能为Ek,若改用频率为3 v的光照 射该金属时,则逸出光电子的最大初动能为( ) A.2Ek B.3Ek C.3h-Ek D.2h+Ek 【解析】选D.由

14、方程h=W+Ek知:3h=W+Ek,所以 Ek=2h+Ek,故选D. 6.(2011福建高考)爱因斯坦因提出了光量子概念并成功 地解释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Ekm与入射光频率的关系如 图所示，其中0为极限频率.从图中可以确定的是( ) A.逸出功与有关 B.Ekm与入射光强度成正比 C.当0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】选D.金属的逸出功与入射光无关，A错；光电子的 最大初动能与入射光强度无关，B错；当入射光的频率小于 极限频率，不能发生光电效应现象，C错；据光电效应方程 可知图象的斜率与普朗克常量有关，D

15、对. 二、非选择题(本题共2小题，共20分，要有必要的文字叙述) 7.(10分)如图所示，一光电管的阴极用极限波长0=5 000 的钠制成.用波长=3 000 的紫外线照射阴极，光电管阳 极A和阴极K之间的电势差U2.1 V，饱和光电流的值(当阴极 K发射的电子全部到达阳极A时，电路中的电流达到最大值， 称为饱和光电流)I0.56 A. (1)求每秒钟内由K极发射的光电子数目； (2)求电子到达A极时的最大动能； (3)如果电势差U不变，而照射光的强度增到原值的三倍， 此时电子到达A极的最大动能是多大？(普朗克常量 h=6.6310-34 Js) 【解析】(1)设每秒内发射的电子数为n，则 (个). (2)由光电效应方程可知 在AK间加电压U时，电子到达阳极时的动能为Ek, 代入数值得Ek6.0110-19J. (3)根据光电效应规律，光电子的最大初动能与入射光的强 度无关.如果电压U不变，则电子到达A极的最大动能不会变 . 答案:(1)3.51012个 (2)6.0110-19J (3)6.0110-19J 8.(10分)如图所示，是研究光电效应规律的实验电路.初始 时刻，滑动变阻器的滑动头P与固定接点Q都处于变阻器的 中点.阴极K用金属铯制成，用波长=0.5 m的绿光照射 阴极K，电流表有示数.调节A、K间的电压，滑动头P由中点 向