光电效应与光的波粒二象性.pdf
光电效应与波粒二象性实验
光电效应与波粒二象性实验光电效应和波粒二象性实验是量子力学领域中最重要的实验现象之一，对于我们理解光与物质的性质具有重要的意义。
本文将对光电效应和波粒二象性实验进行详细讨论，并探讨其在科学研究和现实生活中的应用。
一、光电效应光电效应是指当光照射到金属上时，金属表面会发生电子的发射现象。
早在19世纪末，科学家们就观察到了光电效应，但直到1905年，爱因斯坦提出了光电效应的解释，才真正揭示了其背后的机理。
光电效应的原理可以用波动理论和粒子理论来解释。
根据波动理论，光是一种波动，当光照射到金属上时，金属表面的电子受到能量的输入，最终会被激发到足够的能级跃迁到导带，从而产生电子的流动。
而根据粒子理论，光被看作是一种由光子组成的粒子流，当光子遇到金属表面的电子时，其能量被传递给电子，使其获得足够的动能逃离金属表面。
光电效应的实验装置主要包括光源、金属样品和电流计。
通过改变光源的强度、波长和金属样品的材料以及外加的电势差，可以研究光电效应的特性。
实验结果表明，当光源的频率低于某个临界频率时，无论光源的强度如何增加，金属表面都不会有电子发射。
而当光源的频率高于临界频率时，电子发射的强度随光源强度的增加而增加。
光电效应具有许多重要的应用。
其中，最常见的应用就是太阳能电池。
太阳能电池正是利用了光电效应将太阳光能转化为电能。
此外，光电效应还在光电传感器、光电倍增管和光电管等电子仪器中得到广泛应用，极大地推动了现代电子技术的发展。
二、波粒二象性实验波粒二象性实验是指对于微观粒子，如光子或电子，同时具有波动性和粒子性的现象。
这一实验现象首先是由德布罗意在1924年提出的。
波粒二象性实验最典型的例子是双缝干涉实验。
实验装置包括一个具有两个狭缝的隔板、光源和屏幕。
当单色光照射到隔板上时，光通过两个狭缝后，会在屏幕上形成干涉条纹。
这表明光具有波动性质。
然而，当我们将光源的强度减弱到一定程度，仅剩下一个光子穿过隔板时，其在屏幕上也会形成干涉条纹。
光的光电效应与波粒二象性实践
光的光电效应与波粒二象性实践光的光电效应和波粒二象性是现代物理学中的重要概念，对于解释光的本质和光电效应的产生机制具有重要意义。
通过实践研究光的光电效应和波粒二象性，我们可以更加深入地理解这些现象的本质和物理规律。
一、光的光电效应实践光的光电效应是指当光射到金属表面时，金属表面会产生电子的释放现象。
为了验证光的光电效应，并探究其规律，我们可以进行以下实验。
实验所需材料：一块金属板、一个光源（例如激光笔）、一个电压表实验步骤：1. 将金属板放置在实验台上，保持其平整稳固；2. 打开光源，将光源对准金属板表面，确保光线照射到金属板上；3. 通过电压表测量金属板上产生的电压。
实验结果：我们会观察到，当光源照射到金属板上时，金属板上会发生电压变化。
这是因为光的能量被金属吸收，电子从金属表面释放出来，形成电流。
实验中，我们可以通过改变光源的亮度、颜色和金属板的材质等条件，进一步研究光电效应的规律。
二、波粒二象性的实践波粒二象性是指微观粒子既具有粒子性质，也具有波动性质。
通过实践，我们可以对波粒二象性进行直观的观察和研究。
实验所需材料：电子束、双缝装置、光屏。
实验步骤：1. 准备双缝装置，并将其放置在实验台上；2. 使用电子束作为实验粒子，通过双缝装置，将电子束均匀地射向光屏；3. 在光屏上观察到电子束的衍射图案。
实验结果：我们会观察到，电子束在经过双缝装置后，在光屏上形成明暗相间的条纹。
这表明，电子作为微观粒子具有波动性质，能够表现出衍射现象。
这一实验结果支持了波粒二象性的理论。
综上所述，通过实践研究光的光电效应和波粒二象性，我们可以更加深入地理解这些现象的本质和物理规律。
光的光电效应实践可以帮助我们验证光的能量传递机制，而波粒二象性的实践则可以直观地观察到微观粒子同时具有波动性和粒子性。
这些实践有助于培养我们的科学思维和实验技能，并推动现代物理学的发展。
通过不断深入研究，我们可以更好地理解光的本质和微观粒子行为，为科学技术的发展做出更大的贡献。
第34讲 光电效应 波粒二象性(解析版)
第34讲光电效应波粒二象性目录考点一光电效应的实验规律 (1)考点二光电效应方程和E k－ν图象 (1)考点三光的波粒二象性、物质波 (3)练出高分 (8)考点一光电效应的实验规律1．光电效应在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子．2．实验规律(1)每种金属都有一个极限频率．(2)光子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大．(3)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的．(4)光电流的强度与入射光的强度成正比．3．遏止电压与截止频率(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压U c.(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的极限频率．(3)逸出功：电子从金属中逸出所需做功的最小值，叫做该金属的逸出功．[例题1]光电效应是一个非常神奇的现象，由德国物理学家赫兹于1887年在研究电磁波的实验中偶尔发现。
下列关于光电效应的叙述，正确的是（）A．遏止电压只与入射光频率有关，与金属种类无关B．单一频率的光照射金属表面发生光电效应时，所有光电子的速度一定相同C．入射光频率越大，饱和光电流越大D．若红光照射到金属表面能发生光电效应，则紫光照射到该金属表面上也一定能发生光电效应【解答】解：A、由﹣eU C＝0﹣E km、E km＝hν﹣W逸可知遏止电压与金属的逸出功和入射光频率都有关，故A错误；B、由E k＝hν﹣W逸﹣W其，W其为为光电子逸出过程中克服其他因素损失的能量，爱因斯坦光电效应方程给出的是最大初动能为光子能量减去逸出功，并不是所有光电子逸出是的动能都是最大初动能，光电子逸出时除了克服逸出功外也可能受到其他因素的影响损失能量，比如光电子之间的相互作用影响或者是碰撞损失，不同光电子W其可能不同，所以不同光电子初动能可能不同，故B错误；C、同一频率，饱和光电流与入射光强度有关，入射光强度越强，饱和光电流越强，故C错误；D、入射光频率大于临界频率则可发生光电效应，紫光的频率比红光更大，所以红光照射金属表面能发生光电效应，紫光照射该金属也一定能，故D正确。
第1讲 光电效应 波粒二象性
5．(人教版选修 3－5·P40·T2，P42·T2～T3 综合改编)(多选)下列说法中正 确的是( )
A．相同动能的电子和质子，质子的德布罗意波波长较大 B．在光的双缝干涉实验中，暗条纹的地方是光子永远不能到达的地方 C．在光的双缝干涉实验中，大量光子打在光屏上的落点是有规律的， 暗条纹处落下光子的概率小 D．低频电磁波的波动性显著，而高频电磁波的粒子性显著
尝试解答
对光电效应的几点提醒 (1)光的频率决定光子的能量，ε＝hν。 (2)光的强度是指单位时间光照射到单位面积上的能量，即 I＝nhν，所 以单位时间照射到单位面积上的光子数由光强和频率共同决定。 (3)光电子逸出后的最大初动能由光子的频率和逸出功共同决定。 (4)由 Ek＝hν－W0 求出的是光电子的最大初动能，金属内部逸出的光电 子的动能小于这个值，而且光电子的射出方向是随机的，不一定都能到达 阳极。 (5)每秒逸出的光电子数决定着饱和光电流的大小，而不是光电流的大 小。
光子的能量不能小于 W0，对应的频率必须不小于 νc＝ 07 存在截止频率 νc
W0 _h_，即截止频率
光电子的最大
初动能随着入 电子吸收光子能量后，一部分用来克服金属的逸出功，剩
射光频率的增 余部分表现为光电子的初动能，只有直接从金属表面飞出
大而增大，与入 的光电子才具有最大初动能。对于确定的金属，W0 是一定
3．概率波 光和实物粒子的波粒二象性是指光子和实物粒子在空间出现的概率遵 循波动规律，故称概率波。 (1)光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光 子到达概率 04 _大_的地方，暗条纹是光子到达概率 05小__的地方，因此光波是 一种概率波。 (2)对于电子和其他微观粒子，由于同样具有波粒二象性，所以与它们 相联系的德布罗意波也是概率波。
第72讲光电效应波粒二象性(讲义)
第72讲光电效应波粒二象性目录复习目标网络构建考点一光电效应【夯基·必备基础知识梳理】知识点1 与光电效应有关的五组概念对比知识点2 光电效应的研究思路知识点3 三个定量关系式知识点4 光电管问题【提升·必考题型归纳】考向1 光电效应方程的应用考向2 光电管问题考点二光电效应的四类图像【夯基·必备基础知识梳理】知识点光电效应的四类图像【提升·必考题型归纳】考向1 E Kν图像考向2 U cν图像考向3 IU图像考点三对波粒二象性、物质波的理解【夯基·必备基础知识梳理】知识点1 波粒二象性知识点2 物质波知识点3 对光的波粒二象性的进一步理解【提升·必考题型归纳】考向1 德布罗意波长考向2 波粒二象性真题感悟1、理解和掌握光电效应的规律及光电效应方程。
2、理解和掌握光的波粒二象性。
光电效应波粒二象性光电效应1.光电效应规律2.光电效应方向3.光电管光电效应的图像1.E k -ν图像2.Uc-ν图像3.I-U 图像波粒二象性1.波粒二象性2.物质波考点一光电效应知识点1 与光电效应有关的五组概念对比(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。
光子是因，光电子是果。
(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能。
(3)光电流和饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，而光子能量E＝hν。
(5)光的强度与饱和光电流：频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大，但不是简单的正比关系。
专题12.2 光电效应 波粒二象性(讲)(解析版)
专题12.2 光电效应波粒二象性1.知道什么是光电效应，理解光电效应的实验规律.2.会利用光电效应方程计算逸出功、极限频率、最大初动能等物理量.3.知道光的波粒二象性，知道物质波的概念．知识点一光电效应波粒二象性1．光电效应(1)定义：在光的照射下从金属表面发射出电子的现象(发射出的电子称为光电子)。
(2)产生条件：入射光的频率大于金属极限频率。
(3)光电效应规律①存在着饱和电流：对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
②存在着遏止电压和截止频率：光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。
当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。
③光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流，时间不超过10－9 s。
2．光电效应方程(1)基本物理量①光子的能量ε＝hν，其中h＝6.626×10－34 J·s(称为普朗克常量)。
②逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。
③最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有动能的最大值。
(2)光电效应方程：E k＝hν－W0。
【知识拓展】与光电效应有关的五组概念对比1．光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。
光子是光电效应的因，光电子是果。
2．光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能。
光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
3．光电流与饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
光的波粒二象性在光电效应中的应用
光的波粒二象性在光电效应中的应用光的波粒二象性是物理学中一个重要的概念，它揭示了光既可以表现出波动性，又可以表现出粒子性。
这一概念在光学领域中发挥着巨大的作用，特别是在光电效应的研究中，波粒二象性被广泛运用。
光电效应是指当光照射到某些金属表面时，会激发金属中的自由电子，使它们脱离原子而成为自由电子。
这一过程在经典物理中难以解释，因为根据经典物理的观点，光应该具有连续的能量分布，而不是像实验观测到的那样，按照一定的最小粒子分布。
主要的实验结果是，光电效应中发射出的电子的能量只与入射光的频率有关，而与光的强度无关。
这一实验结果无法通过传统的电磁波理论解释。
然而，当我们将光看作是一束能量量子的粒子时，光电效应可以很好地解释。
根据量子力学理论，光子是光的基本单位，具有能量和动量。
当光子与金属表面的电子发生相互作用时，能量和动量的转移只能以光子的整数倍为单位进行。
这就解释了为什么光电效应中发射电子的最小能量为光子能量的整数倍，而不受光的强度影响。
光的波动性也在光电效应的研究中起着重要作用。
光的波动性可以用来解释光子的干涉和衍射现象。
实验表明，在光电效应中，当光通过狭缝或光栅后照射到金属表面时，发射电子的分布会出现明暗条纹，符合干涉和衍射的规律。
利用光的波动性进行干涉和衍射实验，可以进一步研究光电效应的性质。
例如，可以通过改变狭缝或光栅的尺寸、间距等参数来控制电子的发射分布，从而深入探究光电效应的机理和规律。
此外，光的波动性还可以帮助我们理解光电效应中的能量守恒。
光的电磁波在空间传播时具有能量密度，并且能量是以波的形式传输的。
当光照射到金属表面时，能量可以被电子吸收，从而激发它们脱离原子。
这一过程需要满足能量守恒的原则，光的波动性对于能量守恒的研究提供了重要线索。
在实际应用中，光电效应已经被广泛利用。
最典型的例子就是太阳能电池。
太阳能电池利用光电效应将光能转化为电能，实现了可持续清洁能源的利用。
另外，光电效应还被应用于光电转换器件、激光技术、光纤通信等领域。
光的波粒二象性与光电效应实验
光的波粒二象性与光电效应实验光的波粒二象性和光电效应是物理学中重要的实验现象，对于我们理解光的本质和光与物质相互作用的机制具有重要意义。
本文将对光的波粒二象性和光电效应的实验进行介绍和分析。
首先，光的波粒二象性是指光在某些实验条件下表现出波动性质，而在其他条件下表现出粒子性质。
实验证明，光可以通过干涉、衍射等现象来证明其波动性质，而通过光电效应实验可以证明其粒子性质。
在干涉实验中，光通过一个狭缝后会形成明暗相间的干涉条纹，这是因为光波在两个狭缝间的相互干涉导致的。
这一现象可以用波动理论的叠加原理来解释，即光波通过狭缝后会发生衍射，而在屏幕上出现的干涉条纹是不同衍射波的相干叠加结果。
这一实验结果表明，光具有波动性质。
另一方面，在光电效应实验中，我们观察到当光照射到金属表面时，会产生电流。
根据经典物理学的理论，光的能量应该被均匀分布在金属表面上，而不应该有足够的能量将电子从金属中解离。
然而，实验证明，当光的频率足够高时，光的能量将被局部集中在金属表面的某一小区域，从而可以将电子从金属中解离出来。
这一实验结果表明了光的粒子性质。
进一步的研究表明，光的粒子性质可以用光子模型来解释。
根据光子模型，光可以被看作是由一系列粒子（光子）组成的，每个光子都携带一定量的能量。
光电效应的实验结果可以用光子与金属表面电子的相互作用来解释，当光子的能量足够高时，光子与金属表面的电子发生碰撞，将部分能量传递给电子，使其脱离金属原子而形成电流。
实验中，我们通常使用阴极射线管（CRT）进行光电效应的观察。
CRT中有一个金属阴极和一个光敏物质被合理分离的阳极。
当高压加到CRT中时，光敏物质吸收光子并释放出电子，这些电子会被电场加速并传到阳极，形成电流。
通过测量电流的变化，我们可以了解光电效应与光的频率、强度和电压等因素之间的关系。
总结一下，光的波粒二象性与光电效应实验为我们理解光的本质和光与物质相互作用的机制提供了重要的实验结果。
15-2 光电效应 光的波粒二象性
光电效应 光的波粒二象性
U0
C s Z n Pt
O
ν0
ν
入射光强一定，改变入射光的频率， 当入射光强一定，改变入射光的频率，遏止电势 差与入射光频率具有线性关系. 差与入射光频率具有线性关系 遏止电势差的存在，表明光电子从金属表面逸出时， 遏止电势差的存在，表明光电子从金属表面逸出时， 有一最大初速，光电子初动能的最大为： 有一最大初速，光电子初动能的最大为：
E = hν = = 4.42×10 J = 2.76eV λ h E p = = = 1.47 ×10−27 kg ⋅ m ⋅ s−1 = 2.76eV / c λ c （2）Ek = E − W = (2.76 − 2.28)eV = 0.48eV ） hc −7 = 5.18 × 10 m = 518 nm （3） λ = ） E 第十五章 量子物理 10
U0
铯
锌 铂
遏止电势差与入射光频率 具有线性关系. 具有线性关系 瞬时性 当光照射到金属表面上时， 当光照射到金属表面上时， 几乎立即就有光电子逸出 电流饱和值 m 光强） im ∝ I （光强） 遏止电压 U 0 与光强无关
第十五章 量子物理
ν0
ν
I2 I1
i
i im2 im1
−U0
I 2 > I1
1 hν = m v 2 + W 2
铝 4.08 锌 4.31 铜 4.70 银 4.73
几种金属逸出功的近似值(eV) 几种金属逸出功的近似值 钠 2.46
光电子初动能 铂 6.35
16
第十五章 量子物理
物理学
第五版
量子理论解释: 量子理论解释 光电流
1515-2
光电效应 光的波粒二象性
光电效应现象支持光具有波粒二象性特性
光电效应现象支持光具有波粒二象性特性光电效应现象是指当光线照射到金属表面时，金属会放出电子的现象。
这一现象的发现揭示了光的波粒二象性特性，即光既具有波动性质，也具有粒子性质。
在19世纪末和20世纪初，科学家们对光的性质进行了深入研究。
他们发现，光可以像波一样产生干涉、衍射等现象，从而推论光是一种波动。
然而，到了20世纪初，爱因斯坦通过对光电效应的研究提出了光的粒子性质。
光电效应是指当光线照射到金属表面时，金属会放出电子。
这些电子被称为光电子，具有一定的动能。
根据经典电磁波理论，光是一种电磁波，当光线照射到金属表面时，电磁波的能量会转移给金属中的自由电子，使其脱离金属原子束缚。
然而，实验观察到的现象与经典理论的预期不符。
根据经典电磁波理论，无论光的强度有多强，只要频率足够低，金属表面的自由电子都应该被激发并放出。
然而，实验发现，金属表面只有当光足够强、频率足够高时，才会发生光电效应。
这一观察结果无法用波动性质来解释，因为根据经验，波动的幅度高低只与波的强度有关，与频率无关。
因此，这就引出了对光的粒子性质的探究。
爱因斯坦通过对光电效应的研究，提出了光子的概念。
他认为，光是由一连串具有粒子性质的粒子组成的，每个粒子被称为光子，并具有能量和动量。
根据光子的能量公式E = hf（其中E为能量，h为普朗克常量，f为光的频率），可以解释光电效应中观察到的实验现象。
当光的频率足够高时，每个光子携带的能量足够大，可以克服金属中自由电子的束缚力，从而产生光电子。
光电效应的实验结果打破了传统的物理观念，提出了光的粒子性质。
这一发现不仅解释了实验现象，也为后来量子力学的发展奠定了基础。
实际上，波粒二象性成为了量子力学的基本概念之一，用于解释光、电子等微观粒子的行为。
除了光电效应，光的波粒二象性还在其他实验中得到了证实。
例如，干涉实验和衍射实验显示了光的波动性质，而光的量子性质则可以通过光的能量和动量的量子化得到证实。
这些实验结果进一步支持了光具有波粒二象性特性的理论。
光的波粒二象性与光电效应
光的波粒二象性与光电效应光的波粒二象性是指光既可以被视为一种波动现象，又可以被视为由光子组成的微粒。
这个概念的形成源于对光电效应的研究。
光电效应是指当光照射到某些金属表面时，会引起金属表面的电子发射。
这一现象的实验结果与经典的波动理论相悖，因此推动了对光的本质的重新认识。
本文将针对光的波粒二象性与光电效应展开讨论。
一、光的波动性：光最早被看作是一种传播时呈现波动现象的电磁波。
根据这一理论，光的传播特性可以用波动方程来描述，例如光的干涉与衍射现象。
这种波动性可以被用来解释一系列的实验现象，比如双缝干涉、杨氏实验等。
二、光的粒子性：然而，在一定的条件下，光也可以被视为由一系列微粒组成的粒子。
这些粒子被称为光子，是光的基本单位。
光的粒子性主要可以通过光电效应来观察到。
在光电效应中，金属表面会吸收光的能量，产生光电子。
三、光电效应：光电效应的实验结果与波动理论的预测不一致，这推动了对光的粒子性的认识。
实验证明，在特定的频率下，只有光的强度达到一定的阈值，才会引起金属表面的电子发射。
这一现象可以通过光的粒子性来解释，即光子携带着一定的能量，当其能量足够大时，可以克服金属表面对电子的束缚力，使电子脱离金属表面。
四、德布罗意假设：进一步的研究表明，光不仅具有粒子性，同时也具有波动性。
这一观点得到了波动方程以及德布罗意假设的支持。
德布罗意假设认为，不仅电子具有粒子和波动性质，其他物质粒子也具备这种双重属性。
五、光的波粒二象性的应用：光的波粒二象性不仅仅在光电效应中起到关键作用，它还应用于量子力学的发展和解释物质微粒行为的研究。
例如，光在干涉与衍射现象中的波动特性得到了光的干涉仪和衍射仪的应用。
而光的粒子特性被用于光的探测、通信和光谱分析等领域。
光的波粒二象性是现代物理学的基础概念之一，它揭示了光的多样性和奇妙性质。
光的波动性和粒子性共同解释了一系列的实验现象，同时也推动了对自然界本质的重新思考。
通过进一步的研究和实验，我们可以更加完整地理解光的本质，并将其应用于更广泛的领域，推动科学的发展。
光电效应、波粒二象性
）光的本性的认识过程。
世纪的两种对立学说：牛顿的微粒说——光是实物粒子惠更斯的波动说——光是机械波世纪：麦克斯韦（理论上）、赫兹（实验证实）——光是电磁波、光的波动理论。
爱因斯坦（光子说）、密立根（实验证实）——光是光子、光具有粒子性。
）光的波粒二象性。
光既具有粒子性又具有波动性，两种相互矛盾的性质在光子身上得光在传播过程中，主要表现为波动性；大量光子表现出来的是波动性。
而当光与物质相互作用时，主要表现为粒子性；少量光子表现出来的是粒子性。
施 （一次主题誓词找标准、誓词，交流思想体织集中学习，每次确员集中学习。
支部每季度召本宗旨，敢于担当作为”、“论不得少于1天。
（三）开展“四，开展党组班子成员到联系区县X X 局带课，邀请党校教师、专家学者给党员干部系列 讲话，做合格党员”学习教育实施方案话，做合格党员”学习教育（以下简称“两学“学党章党规、学系列讲话，做合格党员印发〈关于在全市党员中开展“学党章016〕28号），结合我局实际，现”学习教育，基础全面贯彻落实党的十八大和三严三实”专题教育成、创先争优，进一进一步坚持问以上率下，“决胜光强一般是指单位时间内入射到单位面积上光子的总能量。
若用n 表示每秒钟射到每平方光强=n·hv(J/s·m 2)由公式可以看出光强是由光的频率和光子的发射率两个因素决定的，对同一色光来说，光强相等时，光子数当然相等，光强不等时，也就是说光子数不同。
对不同色光来说，尽管他们的光强相等，但由于频率不同，每个光子的能量不同，单位时间内入射到单位面积上某单色光使某一金属逸出光电子，是因为大量光子射到金属表布时，所谓“万箭齐发、，按统计规律，金属表面的电子能吸收光子的能量而逸出的光电子数目与入射的光子数成正比。
若使这一单色光的强度增大一倍，由于其频率不变，发射的光子数也就增大一倍，那么逸出的光电子数也必然增多一倍。
从这个意义上说，单位时间、单位面积上发射出的光电子数跟入射光频率无关，跟入射光强度成正比。
光电效应 光的波粒二象性
物理学
1515-2
第五版
光电效应 光的波粒二象性
理论解释: 理论解释 瞬时性：光子射至金属表面， 瞬时性：光子射至金属表面， 一个 将一次性被一个电子吸收， 光子的能量 hν 将一次性被一个电子吸收， 电子立即逸出，无需时间积累. 若 ν > ν 0 ，电子立即逸出，无需时间积累 光强越大，光子数越多， 光强越大，光子数越多，单位时间内 产生光电子数目越多,光电流越大 ( 产生光电子数目越多 光电流越大.( ν > ν 0时） 光电流越大
第十五章 量子物理
10
物理学
1515-2
第五版
光电效应 光的波粒二象性
爱因斯坦光电效应方程
1 2 hν = mv + W 2
逸出功与 材料有关
几种金属逸出功的近似值(eV) 几种金属逸出功的近似值 钠 铝 锌 4.31 铜 4.70 银 铂
2.46 4.08
4.73 6.35
11
第十五章 量子物理
9
物理学
1515-2
第五版
光电效应 光的波粒二象性
由能量守恒： 由能量守恒： 入射光子能量 = 逸出功 + 光电子最大初动能 1 2 h ν = W + mv m 2 1 2 mv m = eU a 2
W = hν o
W
爱因斯坦光电效应理论荣获1921年诺贝尔物理 年诺贝尔物理 爱因斯坦光电效应理论荣获 密立根用实验验证实该理论荣获1923年诺 奖，密立根用实验验证实该理论荣获 年诺 贝尔物理奖。 贝尔物理奖。
第十五章 量子物理
6
物理学
1515-2
第五版
光电效应 光的波粒二象性
3 经典理论遇到的困难 初动能问题： 初动能问题：按经典理论光电子的初动 能应决定于入射光的光强， 能应决定于入射光的光强，而不决定于光 的频率。 的频率。 红限问题：按经典理论, 红限问题：按经典理论,无论何种频率 的入射光,只要强度足够大， 的入射光,只要强度足够大，就能使电子 逸出金属. 与实验结果不符. 逸出金属. 与实验结果不符. 瞬时性问题：按经典理论, 瞬时性问题：按经典理论,电子逸出金 属所需的能量，需要有一定的时间来积累, 属所需的能量，需要有一定的时间来积累, 与实验结果不符. 与实验结果不符.
光电效应揭示了光的波粒二象性
光电效应揭示了光的波粒二象性光电效应是指当光照射到金属表面时，金属会发射出电子的现象。
这一现象的发现不仅解释了许多关于光的行为的难题，还对量子力学的发展产生了重大影响。
通过对光电效应的研究，科学家们逐渐揭示了光的波粒二象性，从而开启了现代物理学的新篇章。
首先，光电效应的观察结果与传统的波动模型存在明显的差异，推动了光的粒子性的提出。
按照经典的波动理论，根据最大振动模型，预测物质需要吸收大量能量才能释放电子。
然而，实验结果表明，只需小量能量即可实现金属的电子发射。
这种现象无法用传统的波动理论来解释，为了解释这一现象，爱因斯坦在1905年提出了光的粒子性假设，即光的能量是以粒子（光子）的形式传播的。
其次，光电效应的结果还清晰地展示了光的波动和粒子特性之间的相互关系。
尽管在波动理论下，光的波长和频率应该是决定其能量的因素，然而实验结果却表明，光的频率对光电效应有着决定性的作用。
根据普朗克的能量量子化假设，光的能量与频率成正比。
这一观察结果不仅验证了波动-粒子二象性的存在，同时也为量子力学的发展奠定了基础。
光电效应的研究还启示了电子行为的量子本质。
光电效应的实验表明，金属中的电子存在着“能级”，只有当光子的能量大于材料的最低能级时，电子才能被激发并发射出来。
这进一步表明，电子具有离散能量值的特性，而不是连续的能带结构。
这种离散能量的存在是量子力学描述电子行为的基础，同时也解释了为什么在阻止电子运动的金属中，光电效应仍然发生。
此外，光电效应对现代技术的发展产生了重要的影响。
光电效应的实验结果直接导致了光电管和光电二极管的发明和应用。
这些器件将光能转化为电能，广泛应用于通信、成像和能量转换等领域。
光电效应的研究也推动了激光技术、光电子学和光谱学等领域的发展，为科学研究和工程应用提供了有力的工具。
最后，光电效应的研究也对量子力学的发展起到了催化剂的作用。
爱因斯坦的光量子假设揭示了光和物质之间基本的相互作用，为量子理论的建立提供了关键线索。
光电效应与波粒二象性
光电效应与波粒二象性光电效应是指光束照射到金属上，当光束的频率超过一定阈值时，会引起金属表面电子的发射现象。
这个现象的发现对于量子力学的发展起到了重要的推动作用，揭示了光既可以被看作波动也可以被看作粒子的特性。
一、实验观察首先，我们来回顾一下光电效应的实验观察及其结果。
实验中通常采用一个金属板作为阴极，通过一个光源发射出光束照射到金属表面，然后测量发射出的电子的动能。
实验结果表明，当光束频率小于阈值频率时，无论光的强度如何增加，金属表面都不会发射电子。
然而，一旦光束频率超过了阈值频率，即使光的强度很弱，金属表面也会发射出电子，并且电子的动能与入射光的频率成正比。
二、波动理论的困境在实验观察到这一现象之初，科学家们试图用传统的波动理论来解释这个实验结果。
然而，他们遇到了困境。
根据波动理论，光束的强度应该是与光的振幅平方成正比的。
因此，根据这个理论，增加光束的强度，应该能够增加光的能量，从而使得光束频率低于阈值频率的情况下也能引起光电效应。
然而实验结果却与这个预期相悖。
三、爱因斯坦的贡献爱因斯坦在1905年对光电效应进行了深入的研究，并提出了量子理论来解释这个现象。
他认为，光既具有波动性又具有粒子性，而频率就是描述光粒子（即光子）能量的一个关键参数。
根据量子理论，入射光的能量必须大于金属表面电子的结合能，光子才能将电子从金属中解离出来。
因此，无论光束的强度如何增加，如果光束的频率低于阈值频率，光子的能量仍然无法克服电子的结合能，从而无法引起光电效应。
这样解释不仅符合实验结果，也解决了波动理论无法解释的困境。
四、波粒二象性光电效应的实验结果揭示了光既具有波动性又具有粒子性，这是量子力学中的波粒二象性概念。
根据波粒二象性原理，光可以被视为由粒子（光子）组成的电磁波，也可以被视为通过振动传播的波动现象。
这样的观点不仅适用于光，还适用于其他微观粒子，如电子和中子等。
五、应用与意义光电效应不仅在理论物理学研究中具有重要意义，在实际应用中也有广泛的应用。
光电效应3(光的波粒二象性)
4.2光电效应3（光的波粒二象性）
从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说，到麦克斯韦的光的电磁理论，再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学,人类对光的认识构成了一部科学史诗。
课堂练习1、康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。
如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰后光子( )
A.可能沿1方向,且波长变短
B.可能沿2方向,且波长变短
C.可能沿1方向,且波长变长
D.可能沿3方向,且波长变长
解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,可见碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分动量转移给电子,光子的动量减小,由 知,波长变长,故C 项正确。
答案：C
理解光的粒子性和波动性分别表现在哪些方面。
完成课堂练习。
课堂小结
一、康普顿效应和光子的动量 二、光的波粒二象性
νh E =
λ
h
P =
总结本节课知识。
课堂小结，帮助学生总计知识，形成知识框架。
第一讲光电效应波粒二象性(原卷版+解析)
第一讲 光电效应 波粒二象性➢ 知识梳理一、光电效应及其规律 1．光电效应现象照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象称为光电效应，发射出来的电子叫光电子。
2．光电效应的产生条件入射光的频率大于或等于金属的截止(极限)频率。
3．光电效应规律(1)每种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于或等于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无关，只随入射光频率的增大而增大。
(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截止频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。
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，每一份叫作一个光子，光子的能量ε＝hν。
2．逸出功W 0：电子从金属中逸出所需做功的最小值。
3．最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子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。
4．光电效应方程(1)表达式：hν＝E k ＋W 0或E k ＝hν－W 0。
(2)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W 0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。
三、光的波粒二象性1．光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。
2．光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性。
3．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。
四、物质波任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝hp ，p 为运动物体的动量，h 为普朗克常量。
考点一、光电效应规律的理解 1．对光电效应规律的解释对应规律对规律的解释存在截止频率νc电子从金属表面逸出，必须克服金属的逸出功W 0，则入射光子的能量不能小于W 0，对应的频率必须不小于νc ＝W 0h，即截止频率光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大，与入射光的强度无关电子吸收光子能量后，一部分用来克服金属的逸出功，剩余部分表现为光电子的初动能，只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能。
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光电效应与光的波粒二象性说明：本试卷分为第Ⅰ、Ⅱ卷两部分，请将第Ⅰ卷选择题的答案填入题后括号内，第Ⅱ卷可在各题后直接作答.共100分，考试时间90分钟.第Ⅰ卷（选择题共40分）一、本题共10小题，每小题4分，共40分.在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确.全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分.1.下列关于光电效应的说法正确的是 （ ）A.若某材料的逸出功是W ，则它的极限频率h W v =0B.光电子的初速度和照射光的频率成正比C.光电子的最大初动能和照射光的频率成正比D.光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大解析：由光电效应方程k E =hv -W 知，B 、C 错误，D 正确.若k E =0，得极限频率0v =hW ,故A 正确.答案AD2.在下列各组所说的两个现象中，都表现出光具有粒子性的是 （ ）A.光的折射现象、偏振现象B.光的反射现象、干涉现象C.光的衍射现象、色散现象D.光电效应现象、康普顿效应解析：本题考查光的性质.干涉、衍射、偏振都是光的波动性的表现，只有光电效应现象和康普顿效应都是光的粒子性的表现，D 正确.答案D3.关于光的波粒二象性的理解正确的是 （ ）A.大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C.高频光是粒子，低频光是波D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著解析：根据光的波粒二象性知，A 、D 正确，B 、C 错误.答案AD4.当具有5.0 eV 能量的光子照射到某金属表面后，从金属表面逸出的电子具有最大的初动能是1.5 eV.为了使这种金属产生光电效应，入射光的最低能量为 （ ）A.1.5 eVB.3.5 eVC.5.0 eVD.6.5 eV解析：本题考查光电效应方程及逸出功.由W hv E k −=得W =hv -k E =5.0 eV-1.5 eV=3.5 eV则入射光的最低能量为h min v =W =3.5 eV故正确选项为B.答案B5.紫外线光子的动量为chv .一个静止的3O 吸收了一个紫外线光子后 （ ） A.仍然静止 B.沿着光子原来运动的方向运动C.沿光子运动相反方向运动D.可能向任何方向运动 解析：由动量守恒定律知,吸收了紫外线光子的3O 分子与光子原来运动方向相同.故正确选项为B.答案B6.关于光电效应，以下说法正确的是 （ ）A.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B.光电子的最大初动能越大，形成的光电流越强C.能否产生光电效应现象，决定于入射光光子的能量是否大于或等于金属的逸出功D.用频率是1v 的绿光照射某金属发生了光电效应，改用频率是2v 的黄光照射该金属一定不发生光电效应解析：本题考查光电效应.由光电效应方程知，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系，A 错.光电流的强度与入射光的强度成正比，与光电子的最大初动能无关，B 错.用频率是1v 的绿光照射某金属发生了光电效应，改用频率是2v 的黄光照射该金属不一定不发生光电效应，D错、C 对.答案C7.在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是 （ ）A.使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现衍射图样B.单个光子通过单缝后，底片上会出现完整的衍射图样C.光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏D.单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现出随机性，大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性解析：根据光的波粒二象性知，A 、D 正确，B 、C 错误.答案AD8.用波长为1λ和2λ的单色光A 和B 分别照射两种金属C 和D 的表面.单色光A 照射两种金属时都能产生光电效应现象；单色光B 照射时，只能使金属C 产生光电效应现象，不能使金属D 产生光电效应现象.设两种金属的逸出功分别为C W 和D W ，则下列选项正确的是（ ）A. 1λ＞2λ,C W ＞D WB. 1λ＞2λ,C W ＜D WC. 1λ＜2λ,C W ＞D WD. 1λ＜2λ,C W ＜D W解析：由题意知，A 光光子的能量大于B 光光子，根据E =hv =h λc ,得1λ＜2λ；又因为单色光B 只能使金属C 产生光电效应现象，不能使金属D 产生光电效应现象，所以C W ＜D W ,故正确选项是D.答案D9.光子有能量，也有动量p =λh ，它也遵守有关动量的规律.如图所示，真空中有一“∞”字形装置可绕通过横杆中点的竖直轴O O 在水平面内灵活地转动，其中左边是圆形黑纸片，右边是和左边大小、质量均相同的圆形白纸片.当用平行白光垂直照射这两个圆面时，关于此装置开始时转动情况（俯视）的下列说法中正确的是 （ ）A.顺时针方向转动B.逆时针方向转动C.都有可能D.不会转动解析：本题考查光子的动量.光照射到黑纸片上被吸收，照射到白纸片上被反射，因此白纸片受到的冲量大，装置逆时针转动.故正确选项为B.答案B10.如图所示为一光电管的工作原理图，当用波长为λ的光照射阴极K 时，电路中有光电流，则 （ ）A.换用波长为1λ(1λ＞λ)的光照射阴极K 时，电路中一定没有光电流B.换用波长为2λ (2λ＜λ)的光照射阴极K 时，电路中一定有光电流C.增加电路中电源的路端电压，电路中的光电流一定增大D.将电路中电源的极性反接，电路中可能还有光电流解析：用波长为λ的光照射阴极K ，电路中有光电流，表明λ小于该金属的极限波长0λ，换用波长为1λ照射，虽然1λ＞λ，但是1λ不一定大于0λ,所以用波长为1λ的光照射时，可能仍有光电流，故A 错误.用波长为2λ (2λ＜λ)的光照射阴极K 时，因2λ＜λ＜0λ,故电路中一定有光电流，B 对.如果电源的端电压已经足够大，阴极K 逸出的光电子都能全部被吸引到阳极形成光电流，此时再增大路端电压，电路中的光电流也不再增大，C 错.将电路中电源的极性反接，具有最大初动能的光电子有可能能够克服电场阻力到达阳极A ，从而形成光电流，所以D 正确.答案BD第Ⅱ卷（非选择题共60分）二、本题共5小题，每小题4分，共20分.把答案填在题中的横线上.11.如右图所示，一验电器与锌板相连，在A 处用一紫外线灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角.（1）现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将 （填“增大”“减小”或“不变”）.（2）使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转.那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针 （填“有”或“无”）偏转.解析：当用紫外光照射锌板时，锌板发生光电效应，放出光电子而带上了正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，从而指针发生了偏转.当带负电的小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏转减小.使验电器指针回到零，用钠灯黄光照射，验电器指针无偏转，说明钠灯黄光的频率小于极限频率，红外光比钠灯黄光的频率还要低，更不可能发生光电效应.能否发生光电效应与入射光的强度无关.答案（1）减小 （2）无12.在某种介质中，某单色光的波长为λ，已知该色光光子能量为E ，光在真空中的速度为c ，则该介质对这种色光的折射率为 .解析：由E =hv 得色光频率：v =hE 单色光在介质中传播的速度：v =hE v λλT λ== 介质对这种色光的折射率：n =Ehc v c λ=. 答案E hc λ 13.在绿色植物的光合作用中，每放出一个氧分子要吸收8个波长为6.68×10-7m 的光子，同时每放出1 mol 氧气，植物储存469 kJ 的能量.则绿色植物能量转化效率为 （普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ）.解析：吸收的能量为E =8N A h λc =8×6.0×1023×6.63×10-34×781068.6100.3−⨯⨯J =1.43×106J 则能量转化效率为 η=E E '×100%=651043.11069.4⨯⨯×100%=33%. 答案33%14.康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，下图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向 运动，并且波长 （填“不变”“变小”或“变长”）.解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致，可见碰后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由E =hv 知，频率变小，再根据c =λv 知，波长变长.答案1 变长15.实验室用功率P =1 500 W 的紫外灯演示光电效应.紫外线波长λ=2 537︒A ,阴极离光源距离d =0.5 m,原子半径取r =0.5×10-10 m,则阴极表面每个原子每秒钟接收到的光子数为.解析：以紫外灯为圆心，作半径为d 的球面，则每个原子每秒钟接收到的光能量为 E =⨯24ππP πr 2=3.75×10-20J 因此每个原子每秒钟接收到的光子数为 n =hc E hv E λ==5个. 答案5个三、本题共4小题，共40分.解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案的不能得分.有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位.16.（8分）为引起人眼的视觉，进入人眼的绿光的能量至少为每秒E =10-16 J.假设在漆黑的夜晚，在距人s =100 m 远处点亮一只绿光小灯泡，为使人看到它的光线，小灯泡的功率至少为多大？（人用一只眼看，瞳孔直径为4 mm ） 解析：由题意知E =22)2π(4π1·d s P ⨯ 解得P =W 10W )104(1001016166-2321622=⨯⨯⨯=−−d Es . 答案W 10-617.（9分）分别用λ和43λ的单色光照射同一金属，发出的光电子的最大初动能之比为1∶2.以h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速，则此金属板的逸出功是多大？解析：设此金属的逸出功为W ,根据光电效应方程得如下两式：当用波长为λ的光照射时：W hc E k −=λ1 ① 当用波长为34λ的光照射时：W hc E k −=3λ42 ② 又2121=K k E E ③解①②③组成的方程组得：λ32hc W =. ④ 答案λ32hc 18.（11分）纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面.将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官.糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以避免失明的严重后果.一台功率为10 W 氩激光器，能发出波长λ=500 nm 的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要2×10-3 J 的能量，则每次“点焊”视网膜的时间是多少？在这段时间内发出的激光光子的数量是多少？解析：（1）根据E =Pt ,所以t =101023−⨯=P Es=2×10-4s. （2）由E =n 0E =nh λc 得： n =83493100.31063.610500102λ⨯⨯⨯⨯⨯⨯=−−−hc E 个=5×1015个. 答案2×10-4 s 5×1015个19.（12分）如图所示，伦琴射线管两极加上一高压电源，即可在阳极A 上产生X 射线.（h =6.63×10-34 J ·s,电子电荷量e =1.6×10-19 C)（1）如高压电源的电压为20 kV ，求X 射线的最短波长;（2）如此时电流表读数为5 mA ，1 s 内产生5×1013个平均波长为1.0×10-10m 的光子，求伦琴射线管的工作效率.解析：（1）X 射线管阴极上产生的热电子在20 kV 高压加速下获得的动能全部变成X 光子的能量，X 光子的波长最短.由W =Ue =hv =hc /λ 得λ=Ue hc =194834106.11021031063.6−−⨯⨯⨯⨯⨯⨯m =6.2×10-11 m.（2）高压电源的电功率P 1=UI=100 W每秒产生X 光子的能量P 2=nhc /λ=0.1 W效率为η=12P P =0.1%.答案（1）6.2×10-11 m (2)0.1%。