高中物理 第十七章 波粒二象性 2 光的粒子性同步备课学案 新人教版选修

我带领班子成员及全体职工，积极参加县委、政府和农牧局组织的政治理论学习，同时认真学习业务知识，全面提高了自身素质，增强职工工作积极性，杜绝了纪律松散 2 光的粒子性 目标定位 1.了解光电效应及其实验规律.2.知道爱因斯坦光电效应方程及其应用.3.了解康普顿效应及其意义 一、光电效应 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光电子：光电效应中发射出来的电子 【深度思考】 如图1，把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开用紫外线灯照射锌板，这时，验电器指针有什么变化，这个现象说明了什么？若开始锌板不带电，用紫外线灯照射时，验电器指针又会有什么变化？ 图1 答案 可以看到验电器指针张开的角度变小，说明锌板失去了电子光电效应的本质是逸出了电子，所以当锌板不带电，用紫外线灯照射时，可看到验电器指针张开一个角度，这时锌板和验电器都带正电 【例1】 (多选)如图2所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( ) 图2 A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 能否发生光电效应取决于入射光的频率是否大于或等于极限频率，与入射光的强度无关 二、光电效应的实验规律 1存在着饱和电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大这表明对于一定颜色的光，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109 s. 【深度思考】 如图3是光电效应实验中得到的光电流与电压的关系图象，从图象中可以得到哪些结论？ 图3 答案 (1)饱和电流和入射光强度的关系入射光越强，饱和电流越大因为光越强，包含的光子数越多，照射金属时形成的光电子越多，形成的饱和电流就越大 (2)遏止电压(或截止频率)与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关入射光的频率越大，遏止电压越大，光电子逸出时的最大初动能越大 【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 1能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关 2发生光电效应时，产生的光电子数与入射光的频率无关，与入射光的强度有关 3逸出功对应金属的极限频率，由波速公式可知，逸出功还对应极限波长 针对训练1 (多选)如图4所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是( ) 图4 A入射光太弱 B入射光波长太长 C光照时间短 D电源正负极接反 答案 BD 解析 光电管能否产生光电效应与入射光的强度没有关系；若入射光波长太长，频率低于截止频率，不能产生光电效应，B正确；光电管能否产生光电效应与光照时间没有关系；电源正负极接反时，光电管加上反向电压，若电压超过了遏止电压，也没有光电流 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，频率为的光的能量子为 h. 2爱因斯坦光电效应方程的表达式 hEkW0或EkhW0. 3逸出功W0：电子从金属中逸出需要克服束缚而消耗的能量的最小值光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少 4光电效应方程的理解 (1)光电效应方程实质上是能量守恒方程 能量为Eh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：EkhW0. (2)光电效应方程包含了产生光电效应的条件 若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于等于零，即EkhW00，亦即hW0，c，而c恰好是光电效应的截止频率 (3)Ekm曲线 图5 如图5所示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 【深度思考】 光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率的关系，而遏制电压Uc与最大初动能也有关，你能根据所学推导出Uc与和W0的关系吗？ 答案 由光电效应方程EkhW0，而遏制电压Uc与最大初动能的关系为eUcEk，所以得Uc与入射光频率的关系是：eUchW0，即Uc. 【例3】 如图6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0.6 V时，电流表读数仍不为零当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零由此可知阴极材料的逸出功为( ) 图6 A1.9 eV B0.6 eV C2.5 eV D3.1 eV 解析 由题意知光电子的最大初动能为 EkeUc0.6 eV 所以根据光电效应方程EkhW0可得 W0hEk(2.50.6)eV1.9 eV 答案 A 1逸出功W0对应着某一极限频率c，即W0hc，只有入射光的频率c时才有光电子逸出，即才能发生光电效应 2对于某一金属(c一定)，入射光的频率决定着能否产生光电效应及光电子的最大初动能，而与入射光的强度无关 针对训练2 (多选)如图7所示是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，由图象可知( ) 图7 A该金属的逸出功等于E B该金属的逸出功等于hc C入射光的频率为c时，产生的光电子的最大初动能为E D入射光的频率为2c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Ek与入射光频率的关系，根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率c时，光电子的最大初动能Ek0，此时有hcW0，即该金属的逸出功等于hc，选项B正确；根据图线的物理意义，有W0E，故选项A正确，选项C、D错误 四、康普顿效应 1康普顿效应 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 2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，深刻揭示了光的粒子性的一面 3光子的动量表达式：p. 1. (光电效应现象)在用如图8所示装置做光电效应实验中，当紫外线照射锌板时，发现原本闭合的验电器指针发生了明显的偏转中，则此时( ) 图8 A验电器的金属球不带电 B验电器的金属指针带正电 C锌板被紫外线照射到的一面带负电 D锌板未被紫外线照射到的一面带负电 答案 B 解析 用弧光灯发出的紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，则验电器的金属球和金属指针带正电，故B正确，A、C、D错误 2(光电效应规律)关于光电效应，下列说法正确的是( ) A当入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应 B只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应 C光电效应现象中存在极限频率，导致含有光电管的电路存在饱和电流 D入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多 答案 A 解析 光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率，与入射光的强度无关，饱和电流的大小与极限频率无关，与入射光的强度有关；入射光的光强一定时，频率越高，光子的能量值越大，入射光中光子的数目越少，单位时间内逸出的光电子数就越少 3(光电效应规律)某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是( ) A延长光照时间 B增大光的强度 C换用波长较短的光照射 D换用频率较低的光照射 答案 C 解析 光照射金属时能否产生光电效应，取决于入射光的频率是否大于金属的截止频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D错误；又因，所以选项C正确 4(光电效应方程的理解与应用)(多选)在光电效应实验中，用频率为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改用频率小于的光照射，一定不发生光电效应 D改用频率大于的光照射，光电子的最大初动能变大 答案 AD 解析 增大入射光的强度，单位时间内发射的光电子数增加，则光电流增大，选项A正确；光电效应能否发生与照射光频率有关，与照射光强度无关，选项B错误；改用频率较小的光照射时，如果光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，否则，不能发生光电效应，选项C错误；光电子的最大初动能EkhW0，故改用频率大于的光照射，光电子的最大初动能变大，选项D正确 5分别用波长为和的单色光照射同一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为12，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为( ) A. B. C. D. 答案 A 解析 根据光电效应方程得 Ek1hW0 Ek2hW0 又Ek22Ek1 联立得W0，A正确. 题组一 光电效应的现象及规律 1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. (多选)在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏静电计相连，用弧光灯(紫外线)照射锌板时，静电计的指针就张开一个角度，如图1所示，这时( ) 图1 A锌板带正电，指针带负电 B锌板带正电，指针带正电 C若用黄光照射锌板，则可能不产生光电效应现象 D若用红光照射锌板，则锌板能发射光电子 答案 BC 解析 锌板在紫外线照射下，发生光电效应现象，有光电子飞出，故锌板带正电，指针上的部分电子被吸引到锌板上发生中和，使指针带正电，B对，A错；红光和黄光的频率都小于紫外线的频率，都可能不产生光电效应，C对，D错 3用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则( ) A逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变 B逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小 C逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小 D光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了 答案 A 解析 光的频率不变，表示光子能量不变，仍会有光电子从该金属表面逸出，逸出的光电子的最大初动能也不变；若再减弱光的强度，逸出的光电子数就会减少，选