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高一~高中二年级 (15-17岁)

高中物理 光与电磁波

光是电场和磁场相互垂直地振动并向外传播的电磁波。 它不需要介质，在真空中以约 3 × 10⁸ m/s 的速度传播，按波长不同，从伽马射线到无线电波有不同的名称。 我们眼睛能看到的可见光只是电磁波谱中很窄的一部分，波长越短，一个光子的能量 E = hf 越大。 拖动波长滑块，光谱上的标记随之移动，所在波段的名称、频率和光子能量都会变化；下方的图中，波的疏密和能量条也一起变化。

光是电磁波

💡 光的本质
①光是电场和磁场相互垂直地振动并向外传播的波
②它不需要介质，可以穿过宇宙空间，在真空中的速度为 c = 3 × 10⁸ m/s
③按波长不同，从伽马射线到无线电波名称不同
④我们眼睛看到的可见光只是电磁波中很窄的一部分

电磁波谱

550 nm
🌈 可见光的范围
①可见光从 380 nm（紫）到 780 nm（红）
②紫光波长短、光子能量大，红光波长长、能量小
③紫外线能量比可见光大，所以会晒伤皮肤
④红外线用于遥控器和热成像仪
⑤光谱采用对数刻度，相同长度代表相同的倍数

总结

电磁波类型特点
γ射线
由原子核反应放出，用于医疗器械消毒
λ < 0.01 nm
X射线
容易穿透物质，用于拍骨骼照片
0.01 ~ 10 nm
紫外线
消毒、晒伤、合成维生素 D
10 ~ 380 nm
可见光
人眼能感知的唯一波段
380 ~ 780 nm
红外线
传递热量，用于遥控器和热成像仪
780 nm ~ 0.1 mm
微波
微波炉和通信
0.1 mm ~ 10 cm
无线电波
电视、广播和手机通信
> 10 cm

光子的能量 E = hf

光子的能量
E = hf = hcλ
h = 6.63 × 10⁻³⁴ J·s，c = 3 × 10⁸ m/s
✨ 光的波粒二象性
①光既是能发生干涉和衍射的波，也是能引起光电效应的粒子
②光电效应是指光照射金属时电子从金属中逸出的现象
③频率低于截止频率时，光再强也没有电子逸出
④这是因为光以能量为 hf 的一份份能量，即光子的形式起作用
⑤爱因斯坦因解释光电效应获得 1921 年诺贝尔物理学奖

例题

例题 1
真空中频率为 5 × 10¹⁴ Hz 的光，波长是多少？取 c = 3 × 10⁸ m/s。
1
由 c = fλ 得 λ = c/f。
λ = cf
2
代入 c = 3 × 10⁸，f = 5 × 10¹⁴。
λ = 3×1085×1014 = 6×10-7 m
▸ 6×10⁻⁷ m（600 nm）
真空中光速都是 c，所以用 λ = c/f 求波长。600 nm 是橙色光。
例题 2
光 A（紫外线）与 B（红外线）中，光子能量更大的是哪个，原因是什么？
1
光子能量 E = hf，频率越大能量越大。
E = hf
2
由 c = fλ，波长较短的紫外线比红外线频率大。
λUV < λIR ⇒ fUV > fIR ⇒ EUV > EIR
▸ A（紫外线）的能量更大
波长越短，频率和光子能量越大，这正是紫外线和 X 射线对人体有害的原因。

小结

速度
c = fλ
真空中为 3 × 10⁸ m/s
能量
E = hf
一个光子的能量
韩国高考类题改编
将下列电磁波按波长从长到短正确排列的是？
①无线电波 > 红外线 > 可见光 > X 射线
②X 射线 > 可见光 > 红外线 > 无线电波
③可见光 > 红外线 > 无线电波 > X 射线
④红外线 > 无线电波 > X 射线 > 可见光
⑤无线电波 > 可见光 > 红外线 > X 射线
▸ ① 无线电波 > 红外线 > 可见光 > X 射线
1
按波长由长到短：无线电波 > 微波 > 红外线 > 可见光 > 紫外线 > X 射线 > 伽马射线。
无线电波（长 λ）→ 伽马射线（短 λ）
2
把给出的四种按这个顺序排列，就是 ①。
无线电波 > 红外线 > 可见光 > X 射线
🎯 考试要点
①所有电磁波在真空中都以相同的速度 c = 3 × 10⁸ m/s 传播
②波长越短，频率和光子能量越大，伽马射线最大
③可见光从 380 nm（紫）到 780 nm（红）
④干涉和衍射说明波动性，光电效应说明粒子性
⑤光电子的最大初动能 Ek = hf − W，W 是金属的逸出功
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