高考物理大一轮复习 第十五章光电效应 原子结构 氢原子光谱优秀课件.ppt

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1、高考物理大一轮复习 第十五章 光电效应 原子结构 氢原子光谱课件第1页，本讲稿共39页一、光电效应及其规律一、光电效应及其规律1.光电效应现象在光的照射下,金属中的电子从表面逸出的现象,发射出来的电子叫知识梳理知识梳理光电子。2.光电效应的产生条件入射光的频率大于金属的极限频率。3.用光电管研究光电效应(1)电路如图所示。第2页，本讲稿共39页(2)光电流与饱和光电流;a.入射光强度:指单位时间内入射到金属表面单位面积上的能量。可以理解为频率一定时,光强越大,光子数越多。第3页，本讲稿共39页b.光电流:指光电子在电路中形成的电流。光电流有最大值,未达到最大值以前,其大小和光强、电压都有关,达

2、到最大值以后,光电流和光强成正比。c.饱和光电流:指在一定频率与强度的光照射下的最大光电流,饱和光电流不随电路中电压的增大而增大。4.光电效应规律(1)每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产生光电效应。(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第4页，本讲稿共39页增大。(3)光电效应的发生几乎是瞬时的,一般不超过10-9s。(4)当入射光的频率大于极限频率时,饱和光电流的强度与入射光的强度成正比。二、爱因斯坦光电效应方程二、爱因斯坦光电效应方程1.光子说在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量为:E=h。2.光

3、电效应方程(1)表达式:Ek=h-W0。第5页，本讲稿共39页(2)物理意义:金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是h,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最大初动能Ek=mev2。三、原子结构三、原子结构1.原子的核式结构(1)19091911年,英国物理学家卢瑟福进行了粒子散射实验,提出了核式结构模型。(2)粒子散射实验:a.实验装置:如图所示。第6页，本讲稿共39页b.实验结果:粒子穿过金箔后,绝大多数沿原方向前进,少数发生较大角度偏转,极少数偏转角度大于90,甚至被弹回。(3)核式结构模型:原子中心有一个很小的核,叫做原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量

4、都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。第7页，本讲稿共39页2.玻尔的原子模型(1)玻尔理论:a.轨道假设:原子中的电子在库仑引力的作用下,绕原子核做圆周运动,电子绕核运动的可能轨道是不连续的。b.定态假设:电子在不同的轨道上运动时,原子处于不同的状态,因而具有不同的能量,即原子的能量是不连续的。这些具有确定能量的稳定状态称为定态,在各个定态中,原子是稳定的,不向外辐射能量。c.跃迁假设:原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要放出或吸收一定频率的光子,光子的能量等于两个状态的能量差,即h=Em-En。第8页，本讲稿共39页(2)几个概念:a.能级:在玻尔理论中,原子各个状态的能

5、量值。b.基态:原子能量最低的状态。c.激发态:在原子能量状态中除基态之外的其他较高的状态。d.量子数:原子的状态是不连续的,用于表示原子状态的正整数。(3)氢原子的能级和轨道半径:a.氢原子的半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3),其中r1为基态半径,r1=0.5310-10m。b.氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3),其中E1为基态能量:E1=-13.6eV。第9页，本讲稿共39页1.(1)光子和光电子都是实物粒子。()(2)只要入射光的强度足够强,就能发生光电效应。()(3)光电效应说明光具有粒子性,说明光的波动说是错误的。()(4)当一束光照到金属上,发生光电效应的条件是

6、光子能量大于金属的逸出功。()(5)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。()(6)电子绕核旋转的半径越大,动能越小,电势能越大,总能量越大。答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)第10页，本讲稿共39页2.用两束完全相同的紫外线分别照射两种不同的金属表面,均能产生光电效应。则对于这两种金属,下列说法正确的是()A.极限频率相同B.逸出光电子的最大初动能大的极限频率低C.逸出光电子的最大初动能与入射光的频率成正比D.逸出光电子的最大初动能与金属的逸出功成反比答案B不同的金属一般极限频率不相同,A不正确。由爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0=h-h0可知,逸出光电子的最大初动能大的极限频率低

7、,B正确。入射光的频率越大,逸出光电子的最大初动能就越大,但逸出光电子的最大初动能与入射光的频率不是成正比的,C不正确。金属的逸出功越大,逸出光电子的最大初动能就越小,但不成反比,D不正确。第11页，本讲稿共39页3.(多选)如图所示,是类氢结构的氦离子能级图。已知基态的氦离子能量为E1=-54.4eV。在具有下列能量的光子中,能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是()A.40.8eVB.41.0eVC.43.2eVD.54.4eV答案AD若是在两个能级间跃迁,光子的能量必须等于某一激发态与基态的能级差,若是电离则必须大于等于电离所需的能。第12页，本讲稿共39页4.(多选)按照玻尔的理论,氢原子的

8、能级是氢原子处于各个定态时的能量值,它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能。当一个氢原子从n=4的能级向低能级跃迁时,下列说法正确的是()A.氢原子系统的电势能减小,电子的动能增加B.氢原子系统的电势能减小,电子的动能减小C.氢原子可能辐射6种不同波长的光D.氢原子可能辐射3种不同波长的光答案AC氢原子跃迁到较低能级,库仑力做正功,故电势能减小,动能增加。在由n=4能级向低能级跃迁时,放出光的波长种类N=6种。第13页，本讲稿共39页1.光电效应的实质及发生条件(1)光电效应的实质是金属中的电子获得能量后逸出金属表面,从而使金属带上正电。(2)能否发生光电效应,不取决于光的强度,而是

9、取决于光的频率。只要照射光的频率大于该金属的极限频率,无论照射光强弱,均能发生光电效应。重难一对光电效应的理解重难一对光电效应的理解重难突破重难突破第14页，本讲稿共39页(2)两条对应关系光强大光子多发射光电子多光电流大;光子频率高光子能量大产生光电子的最大初动能大反向遏止电压大。2.光电效应的研究思路(1)两条线索第15页，本讲稿共39页3.对光电效应规律的解释对应规律对规律的产生的解释光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大,与入射光强度无关电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能,对于确定的金属,W0是

10、一定的,故光电子的最大初动能只随入射光的频率的增大而增大光电效应具有瞬时性光照射金属时,电子吸收一个光子的能量后,动能立即增大,不需要能量积累的过程光较强时饱和电流大光较强时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和电流较大第16页，本讲稿共39页典例1关于光电效应,下列说法正确的是()A.极限频率越大的金属材料逸出功越大B.只要光照射的时间足够长,任何金属都能产生光电效应C.相同频率的光照射不同金属,则从金属表面逸出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功越小D.入射光的光强一定时,频率越高,单位时间内逸出的光电子数就越多解析由W0=h0可知A正确。照射光的频率大于极限频率

11、时才能发生光电效应,故B错。由Ek=h-W0可知C对。光强一定时,频率越高,则光子的能量越大,单位时间内射向金属的光子数目是一定的,逸出的光电子数也是一定的,故D错。答案AC第17页，本讲稿共39页1-1用绿光照射一个光电管,能产生光电效应。欲使光电子从阴极逸出时最大初动能增大,可以()A.改用红光照射B.改用紫光照射C.增加绿光照射时间D.增加绿光照射强度答案B解析光电子的最大初动能与照射时间或照射强度无关,而与入射光子的能量有关,入射光子的能量越大,光电子从阴极逸出时最大初动能越大,所以本题中可以改用比绿光频率更大的紫光照射,以增大光电子从阴极逸出时的最大初动能。第18页，本讲稿共39页1

12、-2关于光电效应的规律,下面说法中正确的是()A.当某种色光照射金属表面时,能产生光电效应,则入射光的频率越高,产生的光电子的最大初动能也就越大B.当某种色光照射金属表面时,能产生光电效应,如果入射光的强度减弱,从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加C.对某金属来说,入射光波长必须大于一极限值,才能产生光电效应D.同一频率的光照射不同金属,如果都能产生光电效应,则所有金属产生的光电子的最大初动能一定相同答案A解析从光照至金属表面上到发射出光电子是瞬时发生的,与入射光强度无关,B错;由光电效应方程可知入射光波长必须小于一极限值,才能产生光电效应,光子的最大初动能与入射光的频率和

13、金属的种类有关,C、D错。第19页，本讲稿共39页1.Ek-曲线如图甲所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率的变化曲线。由Ek=h-W0可知,横轴上的截距是金属的截止频率或极限频率,纵轴上的截距是金属的逸出功的负值,斜率为普朗克常量。重难二光电效应方程的应用重难二光电效应方程的应用第20页，本讲稿共39页2.I-U曲线如图乙所示是光电流I随光电管两极板间电压U的变化曲线,图中Im为饱和光电流,Uc为遏止电压。3.利用光电效应分析问题,应把握的三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0。(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管用实验的方法测得,即Ek=eUc,其中Uc是遏止电压。(3)光

14、电效应方程中的W0为逸出功。它与极限频率c的关系是W0=hc。第21页，本讲稿共39页典例典例2某光电管的阴极是用金属钾制成的,它的逸出功为2.21eV,用波长为2.510-7m的紫外线照射阴极,已知真空中光速为3.0108m/s,元电荷为1.610-19C,普朗克常量为6.6310-34Js,求得钾的极限频率和该光电管发射的光电子的最大初动能应分别是()A.5.31014Hz,2.2JB.5.31014Hz,4.410-19JC.3.31033Hz,2.2JD.3.31033Hz,4.410-19J解析由W0=h0,得0=Hz=5.31014Hz,由光电效应方程有Ekm=h-W0=h-W0=

15、6.6310-34J-W0=4.410-19J,所以选项B正确。答案B第22页，本讲稿共39页2-1(多选)某金属在光的照射下产生光电效应,其遏止电压Uc与入射光频率的关系图象如图所示。则由图象可知()A.该金属的逸出功等于h0B.遏止电压是确定的,与照射光的频率无关C.若已知电子电荷量e,就可以求出普朗克常量hD.入射光的频率为20时,产生的光电子的最大初动能为h0第23页，本讲稿共39页答案ACD解析由光电效应方程,Ek=h-W0,eUc=Ek,联立解得Uc=-。由此可知,该金属的逸出功W=h0,若已知电子电荷量e,根据图象斜率等于,就可以求出普朗克常量h,选项A、C正确;遏止电压随照射光

16、的频率增大而增大,选项B错误;入射光的频率为20时,根据光电效应方程可知,产生的光电子的最大初动能为h0,选项D正确。第24页，本讲稿共39页1.氢原子的能级图(1)氢原子的能级图如图所示。重难三氢原子能级跃迁和光谱线问题重难三氢原子能级跃迁和光谱线问题第25页，本讲稿共39页(2)能级图中相关量意义的说明相关量表示意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态定态横线左端的数字“1、2、3”表示量子数横线右端的数字“-13.6、-3.4”表示氢原子的能级所对应的能量值相邻横线间的距离表示相邻的能级差,量子数越大,相邻的能级差越小带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁,原子跃迁的条件为h=E

17、m-En(mn)第26页，本讲稿共39页2.对跃迁的理解(1)氢原子从低能级向高能级跃迁:吸收一定频率的光子,当光子的能量满足h=E末-E初时,才能被某一个原子吸收,否则不吸收。(2)氢原子从高能级向低能级跃迁:以光子的形式向外辐射能量,所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时两能级间的能量差。(3)电离:当光子能量大于等于原子所处的能级的能量值的绝对值时,也可以被氢原子吸收,使氢原子电离,多余的能量作为电子的初动能。(4)光谱线条数:一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为N=。第27页，本讲稿共39页(5)氢原子还可吸收外来实物粒子的能量而被激发,由于实物粒子的动能可全部或部分

18、地被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级差,均可使原子发生能级跃迁。(6)跃迁时电子动能、原子电势能与总能量变化:当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子电势能减小,电子动能增大,原子总能量减小,反之,轨道半径增大时,原子电势能增大,电子动能减小,原子总能量增大。第28页，本讲稿共39页(1)有可能放出种能量的光子。(2)在哪两个能级间跃迁时,所放出的光子波长最长?波长是多少?典例3如图所示为氢原子最低的四个能级,当氢原子在这些能级间跃迁时:第29页，本讲稿共39页由h=E4-E3,得:h=E4-E3,所以=m=1.8810-6m。答案(1)6(2)见解析解析(1)N=6。(2)氢原

19、子由第四能级向第三能级跃迁时,能级差最小,辐射出的光子波长最长。第30页，本讲稿共39页3-1如图所示,氢原子在下列各能级间跃迁:(1)从n=2到n=1;(2)从n=5到n=3;(3)从n=4到n=2。在跃迁过程中辐射的电磁波的波长分别用1、2、3表示。波长1、2、3大小的顺序是()A.123B.132C.321D.2=3E3E2,由E=h可知132,B正确。第32页，本讲稿共39页3-2(多选)下列说法正确的有()A.卢瑟福的粒子散射实验可以估测原子核的大小B.氢原子辐射出一个光子后,氢原子的电势能增大,核外电子的运动加速度增大C.物质波是一种概率波,在微观物理学中不可以用“轨迹”来描述粒子

20、的运动D.若氢原子从n=6能级向n=1能级跃迁时辐射出的光不能使某金属发生光电效应,则氢原子从n=6能级向n=2能级跃迁时辐射出的光能使该金属发生光电效应第33页，本讲稿共39页答案AC解析氢原子辐射出一个光子后,电子从高轨道跃迁到低轨道,动能增大,电势能减小,B错;氢原子两能级的能量差越大辐射出的光的频率越大,越容易让金属发生光电效应,D错。第34页，本讲稿共39页k=m与玻尔理论有关的计算在氢原子中,电子绕核运动,可将电子运动的轨道看做半径为r的圆周,则原子核与电子之间的库仑力为电子做匀速圆周运动所需的向心力,有:1.电子速度vn=。思想方法思想方法第35页，本讲稿共39页2.电子运动周期

21、Tn=2。3.电子的动能Ekn=m=。4.电子的电势能Epn=-(Ep=0)。5.氢原子在各个不同的能量状态对应不同的电子轨道,电子绕核做圆周运动的动能和系统的电势能之和即为原子的能量,即En=Ek+Ep=-。6.系统的电势能变化根据库仑力做功来判断:靠近核,库仑力对电子做正功,系统电势能减小;远离核,库仑力对电子做负功,系统电势能增加。7.一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可辐射的光谱线的条数N=。8.氢原子在跃迁时辐射或吸收光子的频率或波长的计算:h=Em-En或=Em-En。第36页，本讲稿共39页典例已知氢原子基态的电子轨道半径为r1=0.5310-10m,基态的能级值为E1=-13

22、.6eV。(1)求电子在n=2的轨道上运转形成的等效电流。(2)有一群氢原子处于量子数n=3的激发态,画出能级图,并在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线。(3)计算这几条光谱线中波长最长的一条的波长。解析(1)电子的绕核运转具有周期性。设运转周期为T。由牛顿第二定律和库仑定律有k=m()2r2第37页，本讲稿共39页且r2=n2r1=4r1对轨道上任一处,每一周期通过该处的电荷量为e,由电流定义式得所求等效电流I=联立以上三式得I=A=1.310-4A(2)由于这群氢原子的自发跃迁辐射光子,会得到三条光谱线,如图所示。第38页，本讲稿共39页(3)三条光谱线中波长最长的光子能量最小,发生跃迁的两个能级的能量差最小,根据氢原子能级的分布规律可知,氢原子一定是从n=3的能级跃迁到n=2的能级。设波长为,由h=E3-E2得:=m=6.5810-7m。答案见解析第39页，本讲稿共39页