高中物理3.0《波粒二象性》课件（教科版）选修3-5

欢迎进入物理课堂 本章内容 考点1光电效应 1 产生条件入射光的频率 金属的截止频率 大于 2 光电效应规律 1 每种金属都有一个截止频率 入射光的频率必须 这个截止频率才能产生光电效应 2 当入射光的频率高于截止频率 光电流出现时 光电流的大小由 决定 越大 光电流越大 3 光电子的最大初动能与入射光的频率成 关系 4 光电效应的发生 的 一般不超过10 9s 大于 光强 光强 线性 几乎是瞬时 1 对光电效应现象的三点说明 1 光电效应的实质是光现象转化为电现象 2 光电效应中的照射光包括可见光和不可见光 3 照射光的频率决定着是否发生光电效应及光电子的最大初动能 2 对光电子的理解光电子是金属表面受光照射逸出的电子 光电子也是电子 与光子不同 光子的本质是光 1 基本物理量 1 光子的能量 其中h 6 63 10 34J s 称为普朗克常量 2 逸出功A 使电子脱离某种金属所做功的 3 最大初动能 发生光电效应时 金属表面上的 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 hv 最小值 电子 考点2光电效应方程 2 光电效应方程光电子的初动能与入射光光子的能量hv和逸出功A之间的关系 h 1 对光电效应规律的解释 存在截止频率v0 电子从金属表面逸出 首先必须克服金属原子核的引力做功A 要使入射光子的能量不小于A 对应的频率即截止频率 光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大 与入射光强度无关 电子吸收光子能量后 一部分克服阻碍作用做功 剩余部分转化为光电子的初动能 只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能 对于确定的金属 A是一定的 故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大 效应具有瞬时性 光照射金属时 电子吸收一个光子的能量后 动能立即增大 不需要能量积累的过程 光较强时饱和电流大 光较强时 包含的光子数较多 照射金属时产生的光电子较多 因而饱和电流较大 2 用图像表示光电效应方程 1 最大初动能与入射光频率v的关系图线如图 2 由图线可以得到的物理量 截止频率 图线与v轴交点的横坐标v0 逸出功 图线与纵轴交点的纵坐标的值A E E 普朗克常量 图线的斜率k h 考点3光的波粒二象性 1 光电效应说明光具有 性 同时光还具有 性 即光具有波粒二象性 2 大量光子运动的规律表现出光的 性 单个光子的运动表现出光的 性 3 光的波长越长 越明显 越容易看到光的干涉和衍射现象 光的频率越高 越明显 穿透本领越强 粒子 波动 波动 粒子 波动性 粒子性 对光的波粒二象性的进一步说明光既有波动性 又有粒子性 两者不是孤立的 而是有机的统一体 其表现规律为 1 从数量上看 个别光子的作用效果往往表现为粒子性 大量光子的作用效果往往表现为波动性 2 从频率上看 频率越低波动性越显著 越容易看到光的干涉和衍射现象 频率越高粒子性越显著 越不容易看到光的干涉和衍射现象 贯穿本领越强 3 从传播与作用上看 光在传播过程中往往表现出波动性 在与物质发生作用时往往表现为粒子性 4 波动性与粒子性的统一 由光子的能量E hv 光子的动量表达式也可以看出 光的波动性和粒子性并不矛盾 表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量 频率v和波长 5 理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波 也不可把光当成宏观概念中的粒子 光电效应规律的理解 例证1 2011 上海高考 用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应 可能使该金属产生光电效应的措施是 A 改用频率更小的紫外线照射B 改用X射线照射C 改用强度更大的原紫外线照射D 延长原紫外线的照射时间 解题指南 解答本题时应理解能否使某金属产生光电效应只由光的频率决定 自主解答 选B 每一种金属对应一个截止频率 低于截止频率的光 无论照射时间有多长 光的强度有多大 都不能使金属产生光电效应 只要照射光的频率大于截止频率 就能产生光电效应 因为X射线的频率高于紫外线的频率 所以改用X射线照射可能发生光电效应 B选项正确 总结提升 解答关键在于理解光电效应的规律 掌握光电效应发生的条件 对易错选项及错误原因具体分析如下 逸出功与最大初动能的计算 例证2 8分 如图所示 当电键S断开时 用光子能量为2 5eV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 60V时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于0 60V时 电流表读数为零 1 求此时光电子的最大初动能的大小 2 求该阴极材料的逸出功 解题指南 反向遏止电压 使电子减速为零 光电子的最大初动能 逸出功 动能定理 光电效应方程 规范解答 设用光子能量为2 5eV的光照射时 光电子的最大初动能为Ek 阴极材料逸出功为A 当反向电压达到U 0 60V以后 具有最大初动能的光电子达不到阳极 因此eU 3分 由光电效应方程得 3分 由以上两式得 2分 答案 1 0 6eV 2 1 9eV 总结提升 应用光电效应方程时的注意事项 1 每种金属都有一个截止频率 光频率大于这个截止频率才能发生光电效应 2 截止频率是发生光电效应的最小频率 对应着光的极限波长和金属的逸出功 即 3 应用光电效应方程 hv A时 注意能量单位电子伏和焦耳的换算 1eV 1 6 10 19J 1 2011 广东高考 光电效应实验中 下列表述正确的是 A 光照时间越长光电流越大B 入射光足够强就可以有光电流C 遏止电压与入射光的频率有关D 入射光频率大于极限频率才能产生光电子 解析 选C D 要产生光电效应入射光的频率必须大于最小频率 即极限频率 当入射光的频率小于极限频率时 不管光的强度多大都不会产生光电效应 与光照时间无关 故D正确 A B错误 对同一种金属 入射光的频率越大 光电子的最大初动能越大 需要的遏止电压越大 C正确 2 在光电效应实验中 飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线 甲光 乙光 丙光 如图所示 则可判断出 A 甲光的频率大于乙光的频率B 乙光的波长大于丙光的波长C 乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D 甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 解析 选B 由图像知甲光 乙光对应的遏止电压Uc2相等 且小于丙光对应的遏止电压Uc1 所以甲光和乙光对应的光电子最大初动能相等且小于丙光的光电子最大初动能 故D项错误 根据爱因斯坦光电效应方程Ek hv W0知甲光和乙光的频率相等 且小于丙光的频率 故A错误 B正确 而截止频率是由金属决定的 与入射光无关 故C错误 3 用波长为2 0 10 7m的紫外线照射钨的表面 释放出来的光电子中最大的动能是4 7 10 19J 由此可知 钨的截止频率是 普朗克常量h 6 63 10 34J s 光速c 3 0 108m s 结果取两位有效数字 A 5 5 1014HzB 7 9 1014HzC 9 8 1014HzD 1 2 1015Hz 解析 选B 根据光电效应方程在恰好发生光电效应时最大初动能为0 有h 0 A 且c 化简得 0 故B正确 4 2011 上海高考 用极微弱的可见光做双缝干涉实验 随着时间的增加 在屏上先后出现如图 a b c 所示的图像 则 A 图像 a 表明光具有粒子性B 图像 c 表明光具有波动性C 用紫外光观察不到类似的图像D 实验表明光是一种概率波 解析 选A B D 少数光子的行为表现出光的粒子性 A正确 大量光子的行为表现出光的波动性 B正确 出现亮条纹的地方是光子到达概率大的地方 出现暗条纹的地方是光子到达概率小的地方 光是概率波 D正确 紫外光虽然不是可见光 但也能够产生光的干涉现象 C错误 5 2011 新课标全国卷 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 解题指南 解答本题时可按以下思路分析 先由爱因斯坦光电效应方程计算出逸出功 再由遏止电压与光电子最大初动能的关系及光电效应方程 可求出遏止电压 解析 由A hv0 又eU Ek 且Ek hv A 所以答案 6 1 研究光电效应的电路如图所示 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的关系图像中 正确的是 2 钠金属中的电子吸收光子的能量 从金属表面逸出 这就是光电子 光电子从金属表面逸出的过程中 其能量的大小 选填 增大 减小 或 不变 原因是 解析 1 选C 由爱因斯坦光电效应方程和动能定理可得遏止电压Uc与入射光的频率有关 与光强无关 由发生光电效应的规律可知 光电流与光的强度有关 光越强 光电流越强 所以选项C正确 2 钠金属中的电子吸收光子的能量 从金属表面逸出 由于光电子在从金属表面逸出过程中 要受到金属表面层中力的阻碍作用 或需要克服逸出功 所以在光电子从金属表面逸出的过程中 其能量减小 答案 1 C 2 减小光电子从金属表面逸出过程中要受到金属表面层中力的阻碍作用 或需要克服逸出功 总结提升 光电效应问题的分析技巧 1 光电效应实验规律可理解记忆 放不放 光电子 看光限 入射光最低频率 放多少 光电子 看光强 光电子的 最大初动能 大小 看 入射光的 频率 要放瞬时放 2 要求掌握爱因斯坦光电效应方程 作为能量守恒的一种表达式可以定性理解方程的意义 即入射光子的能量一部分相当于转换在金属的逸出功上 剩余部分转化为光电子的动能 对某种金属来说A为定值 因而光子频率 决定了能否发生光电效应及光电子的初动能大小 每个光子的一份能量h 与一个光电子的动能对应 3 要特别注意两种错误认识 误区一 有的同学认为频率高 光子能量大 光就强 产生的光电流也强 误区二 有的同学认为光电子的动能大 电子跑得快 光电流就强 思维突破 我们所研究的光电流是所有光电子都参与了导电 而由爱因斯坦光电效应方程可知光电子和光子一对一产生 有一个光电子就对应着一个光子 光电流关键取决于单位时间来了多少个光子 即光强 而光电子的最大初动能与频率有关 7 太阳能光电直接转换的基本原理是利用光电效应 将太阳辐射能直接转换成电能 如图所示是测定光电流的电路简图 光电管加正向电压 1 说出电源和电流表的正 负极 2 入射光应照射在 极上 3 若电流表读数是10 A 则每秒钟从光电管阴极发射出的光电子至少是 个 解析 1 电源左边为正极 右边为负极 电流表是上边正极下边负极 2 入射光应照射到阴极板上 即题图中的B极 3 q It 10 10 6 1C 10 5C而所以每秒发射出6 25 1013个光电子 答案 1 电源左边为正极 右边为负极电流表是上边正极下边负极 2 B 3 6 25 1013 8 用不同频率的光照射某金属产生光电效应 测量金属的遏止电压Uc与入射光频率v 得到Uc v图像如图 根据图像求出该金属的截止频率vc Hz 普朗克常量h J s 已知电子电量e 1 6 10 19C 解析 光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系为Ek eUc 爱因斯坦光电效应方程为Ek h A 两式联立得与遏止电压Uc 0对应的频率为截止频率 从图中可知截止频率为5 0 1014Hz直线的斜率 4 0 10 15V s已知e 1 6 10 19C可知h 6 4 10 34J s答案 5 0 10146 4 10 34 9 某种金属的逸出功是3eV 用波长为500nm的绿光照射该金属能否发生光电效应 用波长为400nm的紫光照射能否发生光电效应 光电子的最大初动能是多少 解析 金属逸出功A hv0 v0为极限频率 由c v得绿光频率紫光频率 v绿 v0 所以绿光照射不能发生光电效应 v紫 v0 所以紫光照射能够发生光电效应 Ek hv紫 A 6 63 10 34 7 5 1014J 3 1 6 10 19J 0 17 10 19J 0 11eV 紫光照射产生的光电子的最大初动能为0 11eV 答案 见解析 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全