《2017-2018学年高中物理 第十七章 波粒二象性 17.2 光的粒子性 新人教版选修3-5》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2017-2018学年高中物理 第十七章 波粒二象性 17.2 光的粒子性 新人教版选修3-5（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2 光的粒子性 读一读思一思辨一辨议一议 一、光电效应的实验规律 阅读教材第31页“光电效应的实验规律”部分,知道光电效应的概 念,理解光电效应的实验规律。 1.光电效应的概念是什么? 答案: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。 2.什么是光电子? 答案:光电效应中发射出来的电子。 读一读思一思辨一辨议一议 3.光电效应的实验规律有哪些? 答案:(1)存在着饱和光电流:在光的颜色不变的情况下,入射光越 强,饱和电流越大。 (2)存在着遏止电压和截止频率:入射光的频率低于截止频率时不 能发生光电效应。 (3)光电效应具有瞬时性:光电效应中产生电流的时间不超过10-9 s。 4
2、.什么是逸出功? 答案:使电子脱离某种金属所做功的最小值。不同金属的逸出功 不同。 读一读思一思辨一辨议一议 二、爱因斯坦的光电效应方程 阅读教材第32页“爱因斯坦的光电效应方程”部分,知道光子说, 理解光电效应方程。 1.什么是光子说? 答案:光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就 是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为的光的能量子为h, 这些能量子被称为光子。 2.爱因斯坦的光电效应方程表达式是什么?有什么物理意义? 答案:(1)表达式:h=Ek+W0或Ek=h-W0。 (2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是h,这些能 量一部分用于克服金属的逸出功W0,剩下的表现
3、为逸出后电子的初 动能Ek。 读一读思一思辨一辨议一议 三、康普顿效应(见教材第35页) 1.什么是光的散射? 答案:光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变, 这种现象叫作光的散射。 2.什么是康普顿效应? 答案:美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在 散射的X射线中,除了与入射波长0相同的成分外,还有波长大于0 的成分,这个现象称为康普顿效应。 3.康普顿效应的意义是什么? 答案: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.写出光子的动量的表达式:_。 读一读思一思辨一辨议一议 1.思考辨析。 (1)同一频率的光照射不同金属,
4、如果都能产生光电效应,则逸出 功越大的金属产生的光电子的最大初动能也越大。 ( ) 解析:同一频率的光照射到不同金属上时,因各种金属的逸出功 不相同,产生的光电子的最大初动能也不相同,逸出功越小,电子摆 脱金属的束缚也越容易,电子脱离金属表面时的初动能越大。 答案: (2)康普顿散射的主要特征是散射光的波长有些与入射光的相同, 有些散射光的波长比入射光的波长长些,且散射光波长的改变量与 散射角的大小有关。 ( ) 解析:光子和电子相碰撞,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。散射角不同, 能量减少情况不同,散射光的波长也有所不同。 答案: 读一读思一
5、思辨一辨议一议 2.探究讨论。 (1)怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程? 答案:爱因斯坦光电效应方程中的h是入射光子的能量,逸出功 W0是光子飞出金属表面消耗的能量,Ek是光子的最大初动能,因此 爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律。 (2)发生光电效应时,电路中光电流的饱和值取决于什么? 答案:在光电管中若发生了光电效应,光电流的饱和值只与单位 时间内发射光电子的数目有关,单位时间内发射光电子的数目只与 入射光的强度有关,因此电路中光电流的饱和值取决于入射光的强 度。 探究一探究二 正确理解光电效应的相关知识 问题导引 从前面的探究讨论我们知道,将锌板和验电器连在一起,然后
6、用紫 外线灯照射锌板,会发生一个奇妙的现象,验电器的金属箔片张开 一个角度,这一现象说明了锌板在紫外线照射下带电了。为什么会 这样呢?验电器上带何种电荷? 要点提示:锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应,发射出光电 子,因此锌板会显示正电性,验电器会因带正电荷而使金属箔片张 开一定角度。 探究一探究二 名师精讲 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,光照射金属是因,产生光电子是果。 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,光 子的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量,可能向各个方 向运
7、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,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。 探究一探究二 3.光子的能量与入射光的强度:光子的能量即每个光子的能量,其 值为=h(为光子的频率),其大小由光的频率决定。入射光的强度 指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,入射光的强度 等于单位时间内光子能量h与入射光子数n的乘积。即光强等于 nh。 4.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
8、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。 5.光的强度与饱和光电流:饱和光电流与入射光强度成正比的规 律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。对于不同频 率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间 没有简单的正比关系。 探究一探究二 6.光电效应与经典电磁理论的矛盾 (1)矛盾之一:遏止电压由入射光频率决定,与光的强弱无关 按照光的经典电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,所以 遏止电压应与光的强弱有关,而实验表明:遏止电压由入射光的频 率决定,与光强无关。 (2)矛盾之二:存在截止频率 按照光的经典电磁理论,不管光的频率如何,只要光足够强
9、,电子 都可获得足够的能量从而逸出表面,不应存在截止频率。而实验表 明:不同金属有不同的截止频率,入射光频率大于截止频率时才会 发生光电效应。 (3)矛盾之三:具有瞬时性 按照光的经典电磁理论,如果光很弱,电子需几分钟到十几分钟 的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明:无论入射光怎 样微弱,光电效应几乎是瞬时的。 探究一探究二 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 。光照射金属是因,产生光电子是果。 探究一探究二 典例剖析 【例题1】(多选)一束绿光照射某金属发生了光电效应,则下列说 法正确的是( ) A.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子数增加 B.若增加绿光的照
10、射强度,则逸出的光电子最大初动能增加 C.若改用紫光照射,则可能不会发生光电效应 D.若改用紫光照射,则逸出的光电子的最大初动能增加 解析:光电效应的规律表明:入射光的频率决定着是否发生光电 效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能的大小,当入 射光频率增加后,产生的光电子最大初动能也增加,而照射光的强 度增加,会使单位时间内逸出的光电子数增加,又知紫光频率高于 绿光,故选项正确的有A、D。 答案:AD 探究一探究二 归纳总结入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电 效应时产生的光电子的最大初动能的大小,能否发生光电效应与入 射光的强弱无关。 探究一探究二 变式训练1利用光电管研究
11、光电效应实验如图所示,用频率为的 可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( ) A.用紫外线照射,电流表不一定有电流通过 B.用红外线照射,电流表一定无电流通过 C.用频率为的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片移到最右 端时,电流表一定无电流通过 D.用频率为的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片向左端移 动时,电流表示数可能不变 探究一探究二 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,电 流表一定有电流通过,选项A错误;因不知阴极K的极限频率,所以用 红外线照射,可能发生光电效应,电流表可能有电流通过,选项B错误 ;由于发生了光电效应,即使A、K间的电压UAK=0,电流表中
12、也有电 流通过,所以选项C错误;当滑动变阻器的滑片向左端移动时,阳极 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 时,电流达到最大,即饱和电流,若在移动前,电流已经达到饱和电流, 那么再增大UAK,光电流也不会增大,所以选项D正确。 答案:D 探究一探究二 爱因斯坦的光电效应方程 问题导引 用光照射光电管且能产生光电效应,如果给光电管加上反向电压, 光电管中就没有电流了吗? 要点提示:由于光电子具有一定的动能,当所加的电压较小时,光 电管中仍然有电流,当电压大于遏止电压时,电路中无电流。 探究一探究二 名师精讲 1.光电效应的四个规律 (1)任何一种金属都有一个截止频率c,入射
13、光的频率必须大于c, 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10-9 s。 探究一探究二 2.光电效应方程的理解与应用 (1)光电效应方程实质上是能量守恒方程 能量为E=h的光子被电子吸收,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W0,则电子离开金属表面时动能最 大为Ek,根据能量守恒定律可知:Ek=h-W0。
14、(2)光电效应方程包含了产生光电效应的条件 探究一探究二 3.Ekm-曲线 右图是光电子最大初动能Ekm随入射光频率的变化曲线。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。 特别提醒(1)逸出功和截止频率均由金属本身决定,与其他因素无 关。 (2)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。 探究一探究二 典例剖析 【例题2】如图所示,当开关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。合上开关,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.
15、60 V时,电流表读数为零。由此可知阴极材料 的逸出功为( ) A.1.9 eVB.0.6 eV C.2.5 eVD.3.1 eV 【思考问题】 如何求解光电子的最大初动能? 提示:利用电场力做功公式W=eUc。 解析:由题意知光电子的最大初动能为Ek=eUc=0.60 eV,所以根据 光电效应方程Ek=h-W0可得W0=h-Ek=(2.5-0.6) eV=1.9 eV。 答案:A 归纳总结光电子克服电场力做功,动能减少,电势能增加。 探究一探究二 变式训练2(多选)某金属在光的照射下,光电子最大初动能Ek与入 射光频率的关系图象如图所示,由图象可知( ) A.该金属的逸出功等于E B.该金属
16、的逸出功等于h0 C.入射光的频率为0时,产生的光电子的最大初动能为E D.入射光的频率为20时,产生的光电子的最大初动能为2E 解析:题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率的 关系,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0,知当入射光的频率恰 为该金属的截止频率0时,光电子的最大初动能Ek=0,此时有 h0=W0,即该金属的逸出功等于h0,选项B正确;根据图线的物理意 义,有W0=E,故选项A正确,而选项C、D错误。 答案:AB 12345 1.(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 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。 答案:C 12345 2.(光电
