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1、第十七章波粒二象性I学习目标学习内容知识与技能过程与方法情感态度 与价值观物理学的新 纪元：能量量 子化1. 了解什么是热辐射及热辐射的特性。2. 了解黑体和黑体辐射的实验规律。3. 知道普朗克提出的能量子假说了解能量子假说，体会量子化 的观念1 .领略科学探 索的艰辛历程，学 习科学家锲而不 舍、大胆创新的科 学探索精神。2. 领略自然界 的奇妙与和谐，发 展对科学的好奇心 与求知欲，乐于探 究自然界的奥秘。3. 通过学习， 接受科学思维和科 学方法的熏陶。4. 通过波粒二 象性和德布罗意波 的学习，体会并且 感受物理学的对称 美科学的转折：光的粒子性1 .通过实验了解光电效应的实验规律 及
2、光电效应与经典电磁理论的矛盾。2. 理解爱因斯坦光电效应方程以及意 义。3. 了解康普顿效应，了解光子的动量1. 观察光电效应实验过程。2. 了解密立根实验求证的科学 方法崭新的一页：粒子的波动 性1 .知道光具有波粒二象性，能够区分 光的波动性和粒子性。2.知道实物粒子和光子一样具有波粒 h 二象性，掌握物质波波长人=一的应用P了解波动性和粒子性的关系， 体会辩证思维的方法概率波1. 了解微粒说、波动说的基本观点及 对光学现象的解释和所遇到的问题。2. 了解事物的连续性与分立性是相对 的，了解光既有波动性，又有粒子性。3. 了解光波和物质波都是概率波1 .领悟什么是概率波。2. 了解物理模型
3、的特点，初步 掌握科学抽象这种研究方法3. 认识数学工具在物理科学中 的作用不确定性关 系1. 了解不确定关系的概念和相关计算。2. 了解物理模型与物理现象经历科学探究过程，认识科学 探究的意义，尝试应用科学探究的 方法研究物理问题II学习指导一、本章知识结构能置基工黑体与黑休辐射能量量子化普朗克假设：能量子-1现象：光照使金属发射电子光任何金属都存在极限频率的规律V最大初动能由入射光的频率决定草光电效应从伴光电子数目正比于光强性瞬时性(光子说：光子能量 =伍I不质1光电效应方程：Ek=hv-W.I康普顿效应：石墨晶体对伦琴射线的散射，说明光具有动量光的波动性：光波是概率波，大量光子显示波动性
4、，个别光子显示粒子性【物质波A = 粒子的波动性PI概率波：粒子落在明纹处概率大，暗纹处概率小不确定关系：M力2乡二、本章重点、难点分析1 .黑体和黑体辐射如果某种物质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。(1) 现实生活中不存在理想的黑体，实际的物体都能辐射红外线(电磁波)，也都能吸收和反射红外线，绝对黑体是理 想化模型。(2) 黑体看上去不一定是“黑”的，有些可看做暗黑体的物体由于自身较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口 上的小孔、一些发光体也被当作黑体来处理。(3)黑体辐射的特性：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。热辐射特点
5、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情况有关既吸收，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(4)黑体辐射实验规律。从下页右图中可以看出，随温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都在增加；另一方面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。辐射强度实验结果2. 能量的量子化宏观世界的能量是连续的，微观世界里的能量是不连续的，不是任意值，是量子化的，或者说是分立的。1900年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能最的整数倍，最 小能量称为
6、能量子=hv普朗克常量：h = 6. 626X10-34Js3. 光电效应的规律(1) 入射光越强，饱和光电流就越大，也就是单位时间内发射的光电子数越多。即光电流强度与入射光的强度成正比。光电效应规律中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值。因为光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的 强度有关，还与光电管两极间的电压有关。只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比。(2) 射出的光电子存在最大初动能，最大初动能与光强无关，只随光的频率的增大而增大。遏止电压：使光电流减小到零的反向电压UC1mv2 =eU2 e c c遏止电压的存在说明光电子具有一定的初速度，遏止电压随入射光的频率改变
7、，与光强无关。(3) 任何金属都存在截止频率，用超过截止频率的光照射这种金属才能产生光电效应，低于截止频率的光照射，无论 光有多强，照射时间有多长，都不会产生光电效应。(4) 光电效应的瞬时性，产生光电效应的时间不会超过10-9s。照射光频率是否产生光电效应发生光电效应时光电子的最大初动能 照射光强度座也单位时间内发射出来的光电子数例1光电效应中，从同一金属逸出的电子动能的最大值A.B.C.D.只跟入射光的频率有关只跟入射光的强度有关跟入射光的频率和强度都有关除跟入射光的频率和强度有关外，还和光照时间有关说明：根据光电效应的规律可知，光电子最大初动能E值取决于入射光的频率v,故选项A正确。k4
8、. 爱因斯坦光电效应方程(1) 空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子的能量E=hv。(2) 爱因斯坦光电效应方程：Ek=hvW0。(3) 光子说对光电效应的解释。 对光电流强度的解释。发生光电效应时，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。 对截止频率的解释。光电效应是金属中的自由电子吸收了光子的能量后，其动能大到足以克服金属离子的引力而逃逸出金属表面，成为 光电子。对一定金属来说，如果入射光子的频率较低，它的能量小于金属的逸出功，就不能产生光电效应，这就是存在 截止频率的原因。 对最大初动能的解释。光电效应方程：Ek=h
9、vW0，展示的是一个光子和一个电子之间能量转化的守恒关系。逸出功是一定的，照射光的 频率越大，从金属中逸出的光电子的初动能就越大。 对瞬时性的解释。当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收。电子吸收光子能量后，动能立刻就增加了，不 需要积累能量的过程。例2铝的逸出功是4. 2eV,现在将波长为200nm的光照射铝的表面。求：(1) 光电子的最大出动能；(2) 遏止电压为多少；(3 )铝的截止频率是多大？.hc说明：根据光电效应方程有气=厂-Wo=3. 225X10-19J一 E由 Ek=eU 可得 U =尹=2.016VW由 hv =W可知* =1.014X 1015Hz00
10、 h,例3用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率v变 化的Ek-v图象。已知钨的逸出功是3. 28eV,锌的逸出功是3. 34eV,若将二者的图象画在同一个Ev坐标系中，如 下图所示用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的是说明：依据光电效应方程Ek=hvWo可知 行。图线的横截距代表截止频率v,而v = W , c c hE-v图线的斜率代表普朗克常量h,因此钨和锌的E 图线应该平 钨的vc小些，因此A图正确。5. 康普顿效应X射线的光子与石墨晶体中的电子碰撞时遵守能量守恒定律和动量守恒定律，理论与实验符合得很好，说明光子与 物质粒
11、子一样，有能量、动量。假定X射线的光子与晶体中的电子发生完全弹性碰撞，光子把部分能量转移给了电子，能量由hv减小为hv1，因 此频率减小，波长增大。同时，光子还使电子获得一定的动量，这样就圆满地解释了康普顿效应。一h光子的动量为：P -力6. 光的波粒二象性光既具有波动性，又具有粒子性，为说明光的一切行为，只能说光具有波粒二象性。(1) 既不可把光当成宏观观念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子。(2) 大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性；频率越低的光波动性越明显， 频率越高的光粒子性越明显。(3) 光在传播过程中往往显示波动性，在与物质作用时往往显示粒子
12、性。例4下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是A. 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C. 光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D. 大量光子的行为往往显示出粒子性说明：一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射、偏振表现出波动性，有些行为(如光电效应、康普 顿效应)表现出粒子性，所以不能说有的光是波，有的光是粒子，而是光具有波粒二象性。波长越长，其波动性越显著; 波长越短，其粒子性越显著；大量光子表现出波动性，少量光子显示出粒子性。因此答案为C选项。7. 粒子的波动性物质波物质波也称为“实物波”或“德布罗意波”，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。r，频率：-德布罗意波7。h 波长：X = 一 、P例5电子经电势差为U=200V的电场加速，在v 4 n不确定关系是微观粒子具有波粒二象性的必然结果，除位置和动量的不确定关系外，还有其他不确定关系，如时间 和能量的不确定关系。三、探究与拓展做一做1 .自制黑体做一个闭合的空腔，在空腔的表面开一个小孔，小孔表面就可以模拟黑体表面，如图所示。黑体模这是因为从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在空腔壁上经过多次反射，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁
