2017-2018学年高中物理 第17章 波粒二象性 2 光的粒子性学案 新人教版选修3-5

2光的粒子性学习目标1.了解光电效应及其实验规律，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应用.3.了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量一、光电效应及其实验规律 导学探究如图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)验电器指针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知识梳理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3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(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(填“能”或“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109s.4逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W0表示，不同金属的逸出功不同即学即用判断下列说法的正误(1)光电效应中“光”指的是可见光()(2)能否发生光电效应，取决于光的强度()(3)光电子不是光子()(4)逸出功的大小与入射光无关()二、爱因斯坦的光电效应方程导学探究用如图2所示的装置研究光电效应现象所用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表的示数不为零；移动滑动变阻器的滑动触头，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为0.图2(1)光电子的最大初动能是多少？遏止电压为多少？(2)光电管阴极的逸出功又是多少？(3)当滑动触头向a端滑动时，光电流变大还是变小？(4)当入射光的频率增大时，光电子最大初动能如何变化？遏止电压呢？答案(1)1.7 eV1.7 V(2)W0hEkm2.75 eV1.7 eV1.05 eV(3)变大(4)变大变大知识梳理1光子说：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量h.其中h6.631034 Js，称为普朗克常量2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Uc.(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4光电效应方程(1)表达式：hEkW0或EkhW0.(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，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能(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EkhW00，亦即hW0，c，而c恰好是光电效应的截止频率5Ek曲线如图3所示是光电子最大初动能Ek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；斜率为普朗克常量图3即学即用判断下列说法的正误(1)从金属表面出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小()(2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比()(3)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多()(4)遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关()三、康普顿效应导学探究太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？答案在地球上存在着大气，太阳光经大气中微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播知识梳理1光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射2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(1)表达式：p.(2)说明：在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小因此，有些光子散射后波长变大即学即用判断以下说法的正误(1)光子的动量与波长成反比()(2)光子发生散射后，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化()(3)有些光子发生散射后，其波长变大()一、光电效应现象及其实验规律1光电效应的实质：光现象转化为,电现象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4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5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6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109 s.例1一验电器与锌板相连(如图4所示)，用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角图4(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”)偏转答案(1)减小(2)无解析(1)当用紫外线灯照射锌板时，锌板发生光电效应，锌板放出光电子而带上正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，故指针发生了偏转当带负电的金属小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小(2)使验电器指针回到零，用钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外线比黄光的频率还要低，更不可能使锌板发生光电效应能否发生光电效应与入射光的强弱无关例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答案C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错误针对训练1(多选)如图5所示，电路中所有元件完好，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5A入射光太弱B入射光波长太长C光照时间太短D电源正、负极接反答案BD解析金属存在截止频率，超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出射出的光电子的动能随频率的增大而增大，动能小时不能克服反向电压，也不会有光电流入射光的频率低于截止频率，不能产生光电效应，与光照强弱无关，选项B正确，A错误；电路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，D正确；光电效应的产生与光照时间无关，C错误二、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(1)能量为h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(2)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光电效应规律中的两条线索、两个关系：(1)两条线索：(2)两个关系：光强光子数目多发射光电子多光电流大；光子频率高光子能量大产生光电子的最大初动能大例3在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为0，该金属的逸出功为_若用波长为(0)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.答案解析由光电效应方程知，光电子的最大初动能EkhW0，其中金属的逸出功W0h0，又由c知W0，用波长为的单色光照射时，其Ekhc.又因为eUEk，所以遏止电压U.例4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6A1.9 eV B0.6 eVC2.5 eV D3.1 eV答案A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.针对训练2(多选)一单色光照到某金属表面时，有光电子从金属表面逸出，下列说法中正确的是()A只增大入射光的频率，金属逸出功将减小B只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能将不变C只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大D只增大入射光的频率，光电子逸出所经历的时间将缩短答案BC解析金属的逸出功由金属本身的构成决定，与入射光的频率无关，选项A错误；根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0可知，当金属的极限频率确定时，光电子的最大初动能取决于入射光的频率，与光照强度、照射时间、光子数目无关，选项B、C正确，D错误1逸出功W0对应着某一截止频率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3逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关1(多选)如图7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7A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答案AD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2(多选)下列对光子的认识，正确的是()A光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的微粒B光子说中的光子就是光电效应的光电子C在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子D光子的能量跟光的频率成正比答案CD解析根据光子说，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒光电效应中，金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚，逸出金属表面，成为光电子，故A、B选项错误，C选项正确；由Eh知，光子能量E与其频率成正比，故D选项正确3利用光电管研究光电效应实验如图8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()图8A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，不一定发生光电效应，所以选项B错误即使UAK0，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，UAK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UAK，光电流也不会增大，所以选项D正确4几种金属的逸出功W0见下表：金属钨钙钠钾铷W0(1019J)7.265.123.663.603.41用一束可见光照射上述金属的表面，请通过计算说明哪些能发生光电效应已知该可见光的波长范围为4.01077.6107 m，普朗克常量h6.631034 Js.答案钠、钾、铷能发生光电效应解析光子的能量E，取4.0107 m，则E5.01019J，根据EW0判断，钠、钾、铷能发生光电效应一、选择题(18题为单选题，910题为多选题)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等于金属的极限频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D均错误；又因，所以选项C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1AA光的强度大于B光的强度BB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定向移动的方向相同，与负电荷定向移动的方向相反，故选项C正确，D错误4某金属的逸出功为2.3 eV，这意味着()A这种金属内部的电子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脱离表面B这种金属表层的电子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脱离表面C要使这种金属有电子逸出，入射光子的能量可能小于2.3 eVD这种金属受到光照时若有电子逸出，则电子离开金属表面时的动能至少等于2.3 eV答案B解析逸出功指原子的最外层电子脱离原子核克服引力做的功，选项B正确5如图2所示是光电效应中光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系图象从图中可知()图2AEk与成正比B入射光频率必须小于极限频率c时，才能产生光电效应C对同一种金属而言，Ek仅与有关DEk与入射光强度成正比答案C解析由EkhW0知C正确，A、B、D错误6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Ek1hW0Ek2hW0又Ek22Ek1联立得W0，A正确7研究光电效应的电路如图3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UAK的关系图象中，正确的是()图3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；饱和光电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和光电流越大，故选项C正确8实验得到金属钙的光电子的最大初动能Ekm与入射光频率的关系如图4所示下表中列出了几种金属的截止频率和逸出功，参照下表可以确定的是()图4金属钨钙钠截止频率0/1014Hz10.957.735.53逸出功W0/eV4.543.202.29A.如用金属钨做实验得到的Ekm图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大B如用金属钠做实验得到的Ekm图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大C如用金属钠做实验得到的Ekm图线也是一条直线，设其延长线与纵轴交点的坐标为(0，Ek2)，则Ek2Ek1D如用金属钨做实验，当入射光的频率1时，可能会有光电子逸出答案C解析由光电效应方程EkmhW0可知Ekm图线是直线，且斜率相同，A、B项错；由表中所列的截止频率和逸出功数据可知C项正确，D项错误9现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生下列说法正确的是()A保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B入射光的频率变高，饱和光电流变大C入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生答案AC解析在发生光电效应时，饱和光电流大小由光照强度来决定，与频率无关，光照强度越大饱和光电流越大，因此A正确，B错误；根据EkmhW0可知，对于同一光电管，逸出功W0不变，当频率变高时，最大初动能Ekm变大，因此C正确；由光电效应规律可知，当频率低于截止频率时无论光照强度多大，都不会有光电流产生，因此D错误10图5为一真空光电管的应用电路，其阴极金属材料的极限频率为4.51014 Hz，则以下判断正确的是()图5A发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率B发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度C用0.5 m的光照射光电管时，电路中有光电流产生D光照射时间越长，电路中的电流越大答案BC解析在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关据此可判断A、D错误，B正确波长0.5 m的光子的频率 Hz61014 Hz4.51014 Hz，可发生光电效应，所以C正确二、 非选择题11在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率的关系如图6所示若该直线的斜率和纵截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为_，所用材料的逸出功可表示为_图6答案ekeb解析光电效应中，入射光子能量h，克服逸出功W0后多余的能量转换为电子动能，eUchW0，整理得Uc，斜率即k，所以普朗克常量hek，纵截距为b，即ebW0，所以逸出功W0eb.12小明用金属铷为阴极的光电管观测光电效应现象，实验装置示意图如图7甲所示已知普朗克常量h6.631034 Js.图7(1)图甲中电极A为光电管的_(选填“阴极”或“阳极”)；(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率c_Hz，逸出功W0_J；(3)如果实验中入射光的频率7.001014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek_J.答案(1)阳极(2)5.1510143.411019(3)1.231019解析(1)在光电效应中，电子向A极运动，故电极A为光电管的阳极(2)由题图可知，铷的截止频率c为5.151014 Hz，逸出功W0hc6.6310345.151014 J3.411019 J(3)当入射光的频率为7.001014 Hz时，由Ekhhc得，光电子的最大初动能为Ek6.631034(7.005.15)1014 J1.231019 J.14