高中物理 第十七章 波粒二象性 第2節(jié) 光的粒子性學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 2　光的粒子性 1．了解光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律。 2．知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義。 3．了解康普頓效應(yīng)及其意義。 早晚霞的顏色都是橘紅色的，這是為什么呢？ 提示：是光散射的結(jié)果。 1．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 (1)光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的____從表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)現(xiàn)象。逸出的電子又稱為______。 (2)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律： ①存在著____電流，表明入射光強(qiáng)度一定，金屬表面單位時(shí)間發(fā)射的光子數(shù)____。入射光越強(qiáng)，飽和電流____，表明入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)____。 ②存在著____電壓和截止頻率，遏止

2、電壓的存在意味著光電子具有一定的______。當(dāng)入射光的頻率________截止頻率時(shí)，不論光多么強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生。 ③光電效應(yīng)具有______。光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的，不超過10－9 s。 ④任何金屬都有一個(gè)截止頻率或極限頻率νc，入射光的頻率ν必滿足：ν____νc才能發(fā)生光電效應(yīng)。 (3)逸出功：電子從金屬逸出所需做功的______叫做該金屬的______，用W0表示，不同金屬的逸出功____。 思考：利用光電效應(yīng)現(xiàn)象能制作傳感器嗎？ 2．愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 (1)光子說：光不僅在____和____時(shí)能量是一份一份的，是不連續(xù)的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的___

3、___組成的，頻率為ν的光的能量子為____，每一個(gè)光的能量子被稱為一個(gè)____，這就是愛因斯坦的光子說。 (2)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：在光電效應(yīng)中，金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的______，剩下的表現(xiàn)為逸出的光電子的________，公式表示為__________。 (3)愛因斯坦解釋光電效應(yīng)： ①光電子的最大初動(dòng)能與入射光的____有關(guān)，與光的強(qiáng)弱無關(guān)。只有hν＞W(wǎng)0時(shí)，才有光電子逸出，νc＝就是光電效應(yīng)的截止頻率。 ②電子一次性吸收光子的________，不需要積累能量的時(shí)間，光電流幾乎是瞬時(shí)的。 ③對(duì)于頻率ν相同的光，光較強(qiáng)時(shí)，包含

4、的______較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的______多，因而飽和電流大。 3．康普頓效應(yīng) (1)在光的散射中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長____λ0的成分。這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。 (2)康普頓效應(yīng)的意義：康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動(dòng)量，深入揭示了光的____性的一面。 4．光子的動(dòng)量 光子的動(dòng)量p＝______，其中h為普朗克常量，λ為________。 答案：1．(1)電子　光電子　(2)飽和　一定　越大　越多　遏止　初動(dòng)能　小于等于　瞬時(shí)性?。尽?3)最小值　逸出功　不同 思考 提示：光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象，利用光電效應(yīng)現(xiàn)象可

5、以制作光電傳感器。 2．(1)發(fā)射　吸收　能量子　hν　光子　(2)逸出功W0　初動(dòng)能Ek　Ek＝hν－W0　(3)頻率　全部能量　光子數(shù)　光電子 3．(1)大于　(2)粒子 4.　光的波長 一、光電效應(yīng)中應(yīng)區(qū)分的概念 1．光子與光電子 光子是指光在空間傳播時(shí)的每一份能量，光子不帶電，光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來的電子，光子是光電效應(yīng)的因，光電子是果。 2．光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能 光照射到金屬表面時(shí)，電子吸收光子的能量，可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動(dòng)能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí)，只需克服原子

6、核的引力做功，才具有最大初動(dòng)能。 3．光電流和飽和光電流 金屬板飛出的光電子到達(dá)陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，這個(gè)飽和值就是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。 4．入射光強(qiáng)度與光子能量 入射光強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量，光子能量即每個(gè)光子的能量。光子總能量等于光子能量與入射光子數(shù)目的乘積。 二、對(duì)光電效應(yīng)方程hν＝W0＋mev2的理解 1．公式中的mev2是光電子的最大初動(dòng)能，對(duì)某個(gè)光電子而言，其離開金屬時(shí)剩余動(dòng)能大小可以是0～mev2范圍內(nèi)的任何數(shù)值。 2．光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方

7、程。 能量為ε＝hν的光子被電子所吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對(duì)它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)能。如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時(shí)動(dòng)能最大為mev2，根據(jù)能量守恒定律可知： hν＝W0＋mev2。 3．光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件。 若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動(dòng)能必須大于零，即Ek＝hν－W0＞0，亦即hν＞W(wǎng)0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是金屬的極限頻率。 4．Ek－ν曲線。如圖所示是光電子最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率ν的變化曲線。這里，橫軸上的截距是極限頻率；縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值；斜率為普朗克常量。 類型一

8、 光電效應(yīng)規(guī)律的理解和應(yīng)用 【例題1】 入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng)，若入射光的強(qiáng)度減弱，而頻率保持不變，那么(　　)。 A．從光照射金屬表面到發(fā)射出光電子之間的時(shí)間間隔將明顯增加 B．逸出的光電子的最大初動(dòng)能將減小 C．單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少 D．有可能不發(fā)生光電效應(yīng) 解析：根據(jù)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律知，從光照射金屬表面到光電子發(fā)射的時(shí)間間隔極短，這與光的強(qiáng)度無關(guān)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)規(guī)律還指出，逸出光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率有關(guān)，光電流與入射光強(qiáng)度成正比，由此可知，選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤，C正確。 答案：C 題后反思：對(duì)光電效應(yīng)問題要注意： (1)逸出

9、功和極限頻率由金屬本身決定； (2)入射光的頻率決定光電子的最大初動(dòng)能； (3)光電流的強(qiáng)弱與入射光的強(qiáng)度成正比。 類型二 愛因斯坦光電效應(yīng)方程的應(yīng)用 【例題2】 研究光電效應(yīng)的電路如圖所示。用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖象中，正確的是(　　)。 解析：入射光的頻率相同，則光電子的最大初動(dòng)能相同，由－eU＝mv知，兩種情況下遏止電壓相同，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比，所以強(qiáng)光的光電流比弱光的光電流大，故選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤

10、。 答案：C 題后反思：由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知：光電子的最大初動(dòng)能由入射光的頻率和金屬材料的逸出功決定；光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。 1．下列對(duì)光子的認(rèn)識(shí)，正確的是(　　)。 A．光子說中的光子就是牛頓在微粒說中所說的粒子 B．光子說中的光子就是光電效應(yīng)中的光電子 C．在空間中傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光量子，簡(jiǎn)稱光子 D．光子的能量跟光的頻率成正比 2．關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律，下列說法中正確的是(　　)。 A．只有入射光的波長大于該金屬的極限波長，光電效應(yīng)才能產(chǎn)生 B．光電子的最大初動(dòng)能跟入射光強(qiáng)度成正比 C．發(fā)生光電效應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間一般

11、都大于10－7 s D．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從金屬內(nèi)逸出的光電子數(shù)目與入射光強(qiáng)度成正比 3．對(duì)光電管加反向電壓，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極K，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)小于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)為零。由此可知陰極材料的逸出功為(　　)。 A．1.9 eV　 B．0.6 eV C．5 eV D．3.1 eV 4．某金屬的逸出功為2.3 eV，這意味著(　　)。 A．這種金屬內(nèi)部的電子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脫離金屬表面 B．這種金屬表層的電

12、子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脫離金屬表面 C．要使這種金屬有電子逸出，入射光子的能量必須大于2.3 eV D．這種金屬受到光照時(shí)若有電子逸出，則電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)能至少等于2.3 eV 答案：1．CD　根據(jù)光子說，在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光量子，簡(jiǎn)稱光子，而牛頓的微粒說中的微粒指的是宏觀世界的微小顆粒，光電效應(yīng)中的光電子指的是金屬內(nèi)的電子吸收光子后克服原子核的庫侖引力等束縛，逸出金屬表面的粒子，故A、B選項(xiàng)錯(cuò)誤，C選項(xiàng)正確。由ε＝hν知，光子能量ε與其頻率ν成正比，故D選項(xiàng)正確。 2．D　由ε＝hν＝知，當(dāng)入射光波長小于極限波長時(shí)，發(fā)生光電效應(yīng)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤。由Ek＝hν－W0知，最大初動(dòng)能由入射光頻率決定，與光的強(qiáng)度無關(guān)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。發(fā)生光電效應(yīng)的時(shí)間一般不超過10－9 s，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤。 3．A　由題意可知，該光電管的反向截止電壓為Uc＝0.6 V，光電子的最大初動(dòng)能Ek＝0.6 eV，由愛因斯坦光電效應(yīng)方程得： W0＝hν－Ek＝2.5 eV－0.6 eV＝1.9 eV。 4．B　逸出功是指原子的外層電子脫離原子核克服引力所做的功。 5