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高中物理选修3-5知识清单(一)

物理学霸 2020-10-15 13:40:43


思维导图


学习建议

本章根据科学发展的历史脉络展现了人们认识微观粒子的波粒二象性的过程。


1.学习过程中要正确理解光具有波粒二象性,光既有波动性,又有粒子性,但是不可把光当成宏观中的波,也不可把光当成宏观中的粒子。


2.要正确理解光波是一种概率波。例如干涉现象中,光子到达概率大的地方,光强强,出现明纹;光子到达概率小的地方,光强弱,出现暗纹。


3.学习中要努力学会科学家的思维方式,并要尝试像科学家一样进行思考。


要点归纳透析


1.黑体


能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为绝对黑体,简称黑体.不透明的材料制成带小孔空腔,可近似地看作黑体,研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。


2.黑体辐射的实验规律


黑体热辐射的强度与波长的关系: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。黑体辐射规律如图所示。


3.普朗克的能量量子化假说


辐射黑体分子、原子的振动可看做谐振子,这些谐振子可以发射和吸收辐射能,但是这些谐振子只能处于某些分立的状态,在这些状态中,谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值,相应的能量是某一最小能量ε(称为能量子)的整数倍,即ε、1ε、2ε、3ε、……nε,n为正整数,称为量子数。


对于频率为v的谐振子的最小能量为ε=hν。这个最小能量值叫做能量子。


4.光电效应


a.光电效应


⑴光电效应在光(包括不可见光)的照射下,从物体发射出电子的现象称为光电效应。所发射的电子叫光电子;光电子定向移动所形成的电流叫光电流。


⑵光电效应的实验规律:装置:如图。



①当一定频率的光照射到金属表面时,真空管内几乎立刻出现光电子,很快形成光电流。即光电效应是瞬时的,驰豫时间不超过109秒。


②当光源频率和外加电压固定时,饱和光电流与入射光强度成正比。

“饱和光电流”指的是光电流的最大值(亦称饱和值),因为光电流未达到最大值之前,其值大小不仅与入射光的强度有关,还有光电管两极间的电压有关,只有在光电流达到最大以后,才和入射光的强度成正比。


③当入射光频率v一定时,光电子定向运动形成的光电流随着正向电压的减小而减小,当正向电压为零时,仍有光电流,只有当电压为某个反向电压值时,其电流才为零,这个反向电压称为遏制电压。这说明光电子动能有一限度,v光电子最大初速度,实验表明,最大初动能与入射光强无关,随入射光频率的增大而增大。


④任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应,低于极限频率的光不能发生光电效应。大于极限频率的光照射金属时,形成光电流的强度(反映单位时间发射出的光电子数的多少),与入射光强度成正比;低于极限频率的光照射金属时,无论光强多大,照射时间多长,都不会产生光电效应。遏止电压与入射光频率之间具有线性关系(如图所示)



b.逸出功


人们知道,金属中原子外层电子的价电子会脱离原子做无规则的热运动,但在温度不高时,电子并不能大量逸出金属表面,这表明金属表面层内存在一种力,阻碍电子的逃逸。电子若能从金属中挣脱出来,必须克服这种阻碍做功。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。几种金属的逸出功和极限频率如下表所示。



c.波动说在光电效应上遇到的困难

 

波动说认为:光的能量即光的强度是由光波的振幅决定的与光的频率无关。所以波动说对解释光电效应实验规律中的能量与频率的说法都遇到了困难。


d.光子说


⑴量子论:1900年德国物理学家普朗克提出:电磁波的发射和吸收是不连续的,而是一份一份的,每一份电磁波的能量ε=hν.


⑵光子论:爱因斯坦的光量子假设。


内容:光不仅在发射和吸收时以能量为hv的微粒形式出现,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,也就是说,频率为v的光是由大量能量为E=hv的能量子组成的粒子流,这些能量子后来被称为光子。


爱因斯坦的光电效应方程:在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量,一部分消耗在电子的逸出功W0,另一部分变为光电子逸出后的动能Ek,即:hv=Ek+W0或Ek=hv-W0.


爱因斯坦对光电效应的解释:



光强大,光子数多,释放的光电子也多,所以光电流也大。


电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出,所以不需要时间的累积。

从光电效应方程中,当初动能为零时,可得极限频率:


从爱因斯坦的光电效应方程hv=Ek+W0,可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系,如图所示


图中图线与横轴的交点为金属的极限频率;

图中的斜率在数值上等于普朗克常量k=h;

图线与纵轴上的截距在数值上等于金属的逸出功:W0=hv0.


e.光强


所谓“光强”,是指单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的总能量,若单位时间射到金属表面上单位面积的光子数为n,每个光子的能量为hv,则光强为nhv。


5.康普顿效应


(1)现象:在研究电子对x射线的散射时发现:有些散射波的波长比入射波的波长略大,康普顿认为这是因为光子不仅有能量,也具有动量。实验结果证明这个假想是正确的,因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。


(2)经典电磁理论在解释康普顿效应是遇到的困难


①根据经典电磁波理论,当电磁波通过物质时,物质中带电粒子将作受迫振动,其频率等于入射光频率,所以它所发射的散射光的频率应等于入射光的频率。


②无法解释波长改变和散射角的关系


(3)光子理论对康普顿效应的解释


①若光子和外层电子相碰撞,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长。


②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量,根据碰撞理论,碰撞前后光子能量几乎不变,波长不变。


③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关,所以波长改变和散射角有关。


(4)康普顿散射实验的意义


①有力地支持了爱因斯坦的“光量子”假说;


②首次在实验上证实了光子具有动量的假设;


③证实了在微观世界的单个碰撞事件中,动量和能量守恒定律仍然是成立。


6.光的波粒二象性 物质波


光的波粒二象性


光既具有波动性,又具有粒子性,对光的行为,不能单独用波动性去说明,也不能单独用粒子性去说明,即光具有波粒二象性。


(1)光在传播过程中显示波动性;光在与物质发生作用时显示粒子性。


(2)光波长越长,波动性越显著,波长越短,粒子性越显著。


(3)大量光子表现为波动性,少量光子表现为粒子性。


光是一种概率波,在光的衍射现象中,亮条纹处光子到达的几率高,暗条纹处光子到达的几率低。


德布罗意波物质波


(1)定义:由光的波粒二象性的思维推广到微观粒子和任何运动的物体,得出物质波(德布罗意波)的概率,即:任何一个运动的物体小到电子、质子,大到行星、太阳都有一种波与它对应,波长


(2)物质波波长:



7.微观粒子不确定关系


(1)内容:粒子的位置和动量不能同时被完全确定,即:△x△p≥h/4π,△x为位置的不确定量;△p为动量的不确定量。


(2)物理意义:微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量,粒子位置的不确定量△x越小,动量的不确定量△p就越大,反之亦然。


(3)微观本质:是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结果.不确定关系式表明:


①微观粒子的坐标测得愈准确(△x→0),动量就愈不准确(△p→∞);微观粒子的动量测得越准确(△p→0)坐标就越不准确(△x→∞)。



不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准,也不是说微观粒子的动量测不准,更不是说微观粒子的坐标和动量都说不准,而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准。



②不确定关系提供了一个判据:


当不确定关系施加的限制可以忽略时,则可以用经典理论来研究粒子的运动。


当不确定关系施加的限制不可以忽略时,那只能用量子力学理论来处理问题。


微观粒子和宏观物体的特性对比



未完待续!!!


小编寄语:同学们,本清单是波波老师呕心沥血整理出来的,请同学们一定要珍惜并好好利用这来之不易的学习素材!


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