高考物理一轮复习讲义第16章第1课时　能量量子化　光电效应（2份打包，原卷版+教师版）

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第1课时 能量量子化 光电效应
目标要求 1.掌握黑体辐射的定义及其实验规律，理解能量量子化的意义。2.理解光电效应现象及光电效应的实验规律。会利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量。3.会分析光电效应常见的三类图像。
考点一 黑体及黑体辐射
1.热辐射
(1)定义：周围的一切物体都在辐射________，这种辐射与物体的________有关，所以叫作热辐射。
(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的________不同而有所不同。
2．黑体、黑体辐射的实验规律
(1)黑体：能够________________入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
(2)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________有关。
②随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有________，另一方面，辐射强度的极大值向波长较________的方向移动，如图。
3．能量量子化
(1)能量子：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收________________________________________，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子大小：ε＝________，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h被称为普朗克常量。h＝6.626 070 15×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。
4．光子
(1)光子及光子能量：爱因斯坦认为，光本身是由________________________________组成，频率为ν的光的能量子ε＝______，称为光子。
(2)光子的动量：①康普顿认为，光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。三者关系为p＝eq \f(h,λ)。
②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，光子动量可能会变小，波长λ________。
1．黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波。( )
2．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度极大值向波长较短的方向移动。( )
3．玻尔为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，提出了能量子的假说。( )
4．微观粒子的能量是量子化的，即微观粒子的能量是分立的。( )
例1 (多选)关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是( )
A．黑体能够完全吸收照射到它上面的光波
B．随着温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所增加
C．随着温度的升高，辐射强度极大值向波长较长的方向移动
D．黑体辐射的强度只与它的温度有关，与形状和黑体材料无关
例2 (2023·江苏卷·14)“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：
(1)每个光子的动量p和能量E；
(2)太阳辐射硬X射线的总功率P。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
球面辐射模型
设一个点光源或球光源辐射光子的功率为P0，它以球面波的形式均匀向外辐射光子，在一段很短的时间Δt内辐射的能量E＝P0·Δt，到光源的距离为R处有个正对光源的面积为S的接收器，如图所示，则在Δt内接收器接收到的辐射光子能量E′＝eq \f(S,4πR2)E＝eq \f(P0Δt·S,4πR2)。
考点二 光电效应
1．光电效应及其规律
(1)光电效应现象
照射到金属表面的光，能使金属中的________从表面逸出的现象称为光电效应，这种电子常称为________________。
(2)光电效应规律
①每种金属都有一个截止频率νc，也称作极限频率，入射光的频率必须________________这个截止频率才能产生光电效应。
②光电子的最大初动能与入射光的强度______，只随入射光________的增大而增大。
③光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s。
④当入射光的频率大于或等于截止频率时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，逸出的光电子数越________，饱和电流越大，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成________。
2．爱因斯坦光电效应方程
(1)光电效应方程
表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝______________。
①物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的________________________。
②逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的________________叫作这种金属的逸出功，逸出功W0与金属的截止频率的关系为________________________。
③最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的________吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。Ek＝eq \f(1,2)mevc2，可以利用光电管实验的方法测得，最大初动能与遏止电压Uc的关系为________________。
1．光子和光电子都不是实物粒子。( )
2．用紫外线灯照射锌板，验电器箔片张开，此时锌板带正电；若改用红光照射锌板，发现验电器箔片不张开，说明红外线的频率小于锌的截止频率。( )
3．只要入射光的强度足够大，就可以使金属发生光电效应。( )
4．要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于或等于该金属的逸出功。( )
5．光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。( )
例3 (2023·广东省华南师大附中三模)如图所示为研究光电效应实验的电路图。初始时刻，滑动触头P在O点左侧靠近a点某位置；用一定强度的绿光照射光电管K极，当闭合开关后，微安表的示数不为0，则在P向b端移动的过程中( )
A．微安表的示数不断增大
B．微安表的示数可能为零
C．到达A极的光电子动能不断增大
D．K极逸出的光电子的最大初动能不断增大
拓展 将滑片P停在适当位置不动，若提高绿光强度，则金属的逸出功____________，光电子的
最大初动能________，饱和电流__________。(均选填“增大”“减小”或“不变”)
例4 (2024·湖南省联考)表中给出了铝和钙的截止频率和逸出功，已知普朗克常量与光速的乘积为1 240 eV·nm，若用200 nm的光分别照射两种金属，下列选项正确的是( )
A.只有金属钙能发生光电效应
B．若增大入射光的波长，则截止频率减小
C．金属铝和钙对应遏止电压之比为2∶3
D．金属铝和钙对应遏止电压之比为21∶16
光电效应的分析思路
考点三 光电效应常见的三类图像
1．Ek－ν图像
(1)写出最大初动能Ek与入射光频率ν的关系式：__________________________________。
(2)由图像获得的信息：
①图线与ν轴交点的横坐标：______________________。
②图线与Ek轴交点坐标的绝对值：________________________。
③图线的斜率：________________________。
2．Uc－ν图像(此时两极间接反向电压)
(1)写出遏止电压Uc与入射光频率ν的关系式____________________________________。
(2)由图像获得的信息：
①图线与横轴交点的坐标：________________。
②图线的斜率k＝________。
3．光电流I与电压的关系(用同一光电管做实验)
(1)甲、乙两种色光比较：两种色光对应的光电子最大初动能Ek甲_________Ek乙，两色光频率ν甲____________ν乙，两种色光对应的截止频率νc甲________νc乙，两种色光强度关系________________________。
(2)丙、丁两种色光的比较：两种色光对应的光电子最大初动能Ek丙________Ek丁，两色光频率ν丙________ν丁；两种色光对应的截止频率νc丙________νc丁。
例5 (2022·河北卷·4)如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知( )
A．钠的逸出功为hνc
B．钠的截止频率为8.5×1014Hz
C．图中直线的斜率为普朗克常量h
D．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
例6 (2023·吉林梅河口市五中期中)某探究小组在实验室用相同双缝干涉实验装置测量甲、乙两种单色光的波长时，发现甲光的相邻亮条纹间距大，乙光的相邻亮条纹间距小，若用这两种光分别照射同一金属板，且都能发生光电效应，以下说法正确的是( )
A．甲种单色光对应图乙中的曲线B
B．乙种单色光光子的动量小
C．若想通过图甲装置测得图乙中的UB和UC，需使A极接电源正极，K极接电源的负极
D．若用甲、乙两种单色光，对同一装置做单缝衍射实验，则甲种光更容易发生明显衍射现象
考情分析
试题情境
生活实践类
医用放射性核素、霓虹灯、氖管、光谱仪、原子钟、威耳逊云室、射线测厚仪、原子弹、反应堆与核电站、太阳、氢弹、环流器装置等
学习探究类
光电效应现象、光的波粒二象性、原子的核式结构模型、氢原子光谱、原子的能级结构、射线的危害与防护、原子核的结合能、核裂变反应和核聚变反应等
金属
铝
钙
νc/(×1014 Hz)
10.1
7.73
W0/eV
4.2
3.2