高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性导学案新人教版选修3_5

2 光的粒子性[目标定位] 1.了解光电效应和光电效应的实验规律，以及光电效应与电磁理论的矛盾.2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，并会用来解决简单的问题.3.了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量．一、光电效应现象[问题设计]如图1所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接在验电器上(弧光灯发射紫外线)．图1(1)用弧光灯照射锌板，看到的现象为__________________，说明_______________________________________________________________________.(2)在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射，看到的现象为________________________________________________________________________，说明_____________________________________________________________________.(3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较长时间，看到的现象为________________________________________________________________________，说明________________________________________________________________________．答案(1)验电器偏角张开锌板带电了．弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，在锌板表面发射出光电子，从而使锌板带上了正电(2)指针偏角明显减小锌板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见光(3)观察不到指针的偏转可见光不能使锌板发生光电效应[要点提炼]1．光电效应：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．2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．3．光电子：光电效应中发射出来的电子．其本质还是电子． 二、光电效应的实验规律 光电效应解释中的疑难 1．光电效应的四点规律(1)任何一种金属都有一个截止频率νc ，入射光的频率必须大于νc ，才能产生光电效应，与入射光的强度及照射时间无关．(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关．(3)当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关． (4)光电效应几乎是瞬时的，发生的时间一般不超过10－9s. 2．掌握三个概念的含义(1)入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大初动能． (2)对于一定频率的光，入射光的强度决定着单位时间内发射的光子数； (3)对于一定频率的光，饱和电流决定着单位时间内发射的最大光电子数．3．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W 0表示，不同金属的逸出功不同． 4．光电效应与光的电磁理论的矛盾 按光的电磁理论，应有：(1)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关． (2)不存在截止频率，任何频率的光都能产生光电效应． (3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10－9s. 三、爱因斯坦的光电效应方程1．光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光子的能量为 h ν. 2．光电效应方程(1)表达式：h ν＝E k ＋W 0或E k ＝h ν－W 0.(2)对光电效应方程的理解：能量为ε＝h ν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W 0，电子离开金属表面时最大初动能为E k ，则根据能量守恒定律可知：E k ＝h ν－W 0. 3．光电效应方程说明了产生光电效应的条件．若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，即E k ＝h ν－W 0>0，亦即h ν>W 0，ν>W 0h＝νc ，而νc ＝W 0h恰好是光电效应的截止频率．4．E k －ν曲线．如图2所示是光电子最大初动能E k 随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是截止频率(或极限频率)；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量．图2四、康普顿效应1．光的散射：光在介质中与物体微粒相互作用，因而传播方向发生改变的现象．2．康普顿效应：在光的散射中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分． 3．康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面．4．光子的动量：p ＝hλ.一、光电效应的现象分析例1 如图3所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( )图3A ．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B ．用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转C ．锌板带的是负电荷D ．使验电器指针发生偏转的是正电荷解析 将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电．这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出，锌板带正电，选项A 、D 正确．红光不能使锌板发生光电效应． 答案 AD二、光电效应的实验规律例2 入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么( )A．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B．逸出的光电子的最大初动能将减小C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D．有可能不发生光电效应解析发生光电效应几乎是瞬时的，选项A错误．入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少；频率不变，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误．入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也就减少，故选项C正确．入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项D错误．答案 C针对训练利用光电管研究光电效应实验如图4所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则( )图4A．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过B．用红光照射，电流表一定无电流通过C．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变答案 D解析因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A错误．因不知阴极K的截止频率，所以用红光照射时，也可能发生光电效应，所以选项B错误．即使U AK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以选项C错误．当滑动触头向B端滑动时，U AK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，电流达到最大，即饱和电流．若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大U AK，光电流也不会增大，所以选项D 正确．三、光电效应方程及其应用例3如图5所示，当电键K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零．合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为( )图5A．1.9 eV B．0.6 eVC．2.5 eV D．3.1 eV解析由题意知光电子的最大初动能为E k＝eU c＝0.60 eV所以根据光电效应方程E k＝hν－W0可得W0＝hν－E k＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV答案 A1．(光电效应现象)当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时( )A．锌板带负电B．有正离子从锌板逸出C．有电子从锌板逸出D．锌板会吸附空气中的正离子答案 C解析当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，有电子从锌板逸出，锌板带正电，选项C正确，A、B、D错误．2．(光电效应方程的应用)如图6所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能E k与入射光频率ν的关系图象，由图象可知( )图6A．该金属的逸出功等于EB．该金属的逸出功等于hνcC．入射光的频率为νc时，产生的光电子的最大初动能为ED．入射光的频率为2νc时，产生的光电子的最大初动能为2E答案AB解析题中图象反映了光电子的最大初动能E k与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程E k＝hν－W0知，当入射光的频率恰为该金属的截止频率νc时，光电子的最大初动能E k＝0，此时有hνc＝W0，即该金属的逸出功为E，故选项A、B正确，选项C、D错误．3．(光电效应方程的应用)以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出．强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实．光电效应实验装置示意如图7所示．用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应．换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在K、A之间就形成了使光电子减速的电场．逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是(其中W为逸出功，h为普朗克常量，e 为电子电荷量)( )图7A ．U ＝h νe －W eB ．U ＝2h νe －W eC ．U ＝2h ν－WD ．U ＝5h ν2e －We答案 B解析 由题意知，一个电子吸收一个光子不能发生光电效应，换用同样频率为ν的强激光照射，则发生光电效应，即吸收的光子能量为nh ν，n ＝2,3,4，….则由光电效应方程可知：nh ν＝W ＋12mv 2(n＝2,3,4，…)①在减速电场中由动能定理得－eU ＝0－12mv 2②联立①②得：U ＝nh νe －We(n ＝2,3,4，…)，选项B 正确．题组一 光电效应现象及规律的理解1．对于任何一种金属，能发生光电效应的条件是( ) A ．入射光的强度大于某一极限强度 B ．入射光的波长大于某一极限波长 C ．入射光照射时间大于某一极限时间 D ．入射光的频率不低于某一极限频率 答案 D2．在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是( ) A ．增大入射光的强度，光电流增大 B ．减小入射光的强度，光电效应现象消失C ．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应D ．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大 答案 AD解析 增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积的光子数增加，则光电流将增大，故选项A 正确；光电效应是否发生取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，故选项B 错误．用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，选项C 错误；根据h ν－W 逸＝12mv 2可知，增加照射光频率，光电子的最大初动能也增大，故选项D正确．3．如图1所示，在研究光电效应的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射光电管时不发生光电效应，则( )图1A．A光的强度大于B光的强度B．B光的频率大于A光的频率C．用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是由a流向bD．用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是由b流向a答案 C解析根据产生光电效应的条件可知选项A、B均错误；电流的方向与正电荷的移动方向相同，与负电荷移动的方向相反，故选项C正确、D错误．4．研究光电效应的电路如图2所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流．下列光电流I与A、K之间的电压U AK的关系图象中，正确的是( )图2答案 C解析用频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以遏止电压相同；饱和电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大，故选项C 正确． 题组二 光电效应方程及应用5．在光电效应实验中，用同一种单色光，先后照射锌和银的表面，都能发生光电效应现象．对于这两个过程，下列四个物理量中，一定不同的是( ) A ．单位时间逸出的光电子数 B ．反向遏止电压 C ．饱和光电流 D ．光电子的最大初动能 答案 BD6．已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014Hz 和5.44×1014Hz ，在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应，比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子，钙逸出的光电子具有较大的( ) A ．波长 B ．频率 C ．能量 D ．动量 答案 A解析 根据爱因斯坦光电效应方程12mv 2m ＝h ν－W .由题知W 钙>W 钾，所以钙逸出的光电子的最大初动能较小．根据p ＝2mE k 及p ＝hλ和c ＝λν知，钙逸出的光电子的特点是：动量较小、波长较长、频率较小．选项A 正确，选项B 、C 、D 错误．7．如图3所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴的交点坐标为0.5)．由图可知( )图3A ．该金属的截止频率为4.27×1014Hz B ．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz C ．该图线的斜率表示普朗克常量的倒数 D ．该金属的逸出功为0.5 eV 答案 A解析 根据光电效应方程E k ＝h ν－W 0可知，图线的斜率表示普朗克常量，图线与ν轴的交点对应的频率表示截止频率：E k －ν图象中ν＝0时对应的E k 的值表示逸出功的负值，易知该金属的逸出功不等于0.5 eV ，所以选项A 正确．8．已知能使某金属产生光电效应的极限频率为νc ，则( ) A ．当用频率为2νc 的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B ．当用频率为2νc 的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为h νcC ．当入射光的频率ν大于νc 时，若ν增大，则逸出功增大D ．当入射光的频率ν大于νc 时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍 答案 AB解析 因入射光的频率大于极限频率时会产生光电效应，所以A 正确；因为金属的极限频率为νc ，所以逸出功W 0＝h νc ，再由E k ＝h ν－W 0得，E k ＝2h νc －h νc ＝h νc ，B 正确；因为逸出功是光电子恰好逸出时需要做的功，对于同种金属是恒定的，故C 错误；由E k ＝h ν－W 0＝h ν－h νc ＝h (ν－νc )可得，当ν增大一倍时：E k ′E k ＝2ν－νcν－νc ≠2，故D 错误．题组三 综合应用9．在光电效应实验中，某金属的截止频率对应的波长为λ0，则该金属的逸出功为________．若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为________．已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e 、c 和h .答案 hc λ0 hc λ0－λe λ0λ10．铝的逸出功为4.2 eV ，现用波长为200 nm 的光照射铝的表面．已知h ＝6.63×10－34J·s，求：(1)光电子的最大初动能； (2)遏止电压； (3)铝的截止频率． 答案 (1)3.225×10－19J (2)2.016 V(3)1.014×1015Hz解析 (1)根据光电效应方程E k ＝h ν－W 0有E k ＝hc λ－W 0＝6.63×10－34×3.0×108200×10－9J －4.2×1.6×10－19 J ＝3.225×10－19J (2)由E k ＝eU c 可得 U c ＝E k e ＝3.225×10－191.6×10－19 V≈2.016 V.(3)由h νc ＝W 0知 νc ＝W 0h ＝4.2×1.6×10－196.63×10－34Hz ≈1.014×1015Hz.。