高中物理 第5章 波与粒子 第1节 光电效应 第2节 康普顿效应教师用书 鲁科版选修3-5

第1节光电效应第2节康普顿效应学 习 目 标知 识 脉 络1.知道什么是光电效应及其实验现象(重点)2.理解光子说和爱因斯坦光电效应方程，能够利用它解释光电效应实验现象(重点)3.知道什么是康普顿效应及X射线实验原理(重点)4.理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波(难点) 光 电 效 应先填空1光电效应现象：在物理学中，在光的照射下电子从物体表面逸出的现象2光电效应的实验规律(1)发生的条件：每一种金属对应一种光的最小频率，又称极限频率只有当光的频率大于或等于这个最小频率时，才会产生光电效应当光的频率小于这个最小频率时，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应(2)与光的强度的关系：产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多(3)发生光电效应所需的时间：从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在109_s内发生光电效应3光子说：看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的光子组成的，每一个光子的能量为h.光在发射和吸收时能量是一份一份的4光电效应方程(1)表达式：hWmv2.(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从金属表面逸出时做功，剩下的表现为电子逸出后的最大初动能5光电效应的应用(1)光电开关(2)光电成像(3)光电池再判断1光电效应实验中光照时间越长光电流越大()2光电效应实验中入射光足够强就可以有光电流()3光电子的最大初动能与入射光的强度无关()后思考你对光电效应中的“光”是怎样认识的？【提示】这里的光，可以是可见光，也可以是紫外线、X光等核心点击1爱因斯坦光子理论对光电效应的解释(1)解释极限频率的存在：光照射到金属板时，光子将能量传递给电子，每个光子的能量为h，所以一个光子传递给一个电子的能量为h，电子要脱离原子核的引力，有一个最小能量，最小能量对应发生光电效应时入射光的最小频率，即极限频率如果小于这一频率，即使增大光强，也不会使电子逸出这是因为增大光强，只是增加了吸收光子能量的电子数，单个电子吸收的光子能量仍为h，电子仍不能逸出(2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出因为一个电子吸收一个光子后，在极短的时间内就可以把能量传递给其他粒子，所以电子不可能通过能量积累逸出金属表面(3)解释最大初动能与频率的关系：由爱因斯坦光电效应方程hWmv2可知，电子从金属中逸出所需克服束缚而消耗的能量的最小值为逸出功，从金属表面逸出的电子消耗的能量最少，逸出时的动能值最大，称为最大初动能就其他逸出的电子而言，离开金属时的动能小于最大初动能最大初动能的大小与光的强度无关，与光的频率有关2光电效应规律中的两个关系(1)由hWmv2得mv2hW，逸出电子的最大初动能Ekm(即mv2)与入射光的频率成一次函数关系(2)产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多即如果形成光电流，光电流的强度与入射光的强度成正比1光电效应实验的装置如图511所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下面说法中正确的是()图511A用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B.用绿色光照射锌板，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E锌板带的是正电荷【解析】弧光灯发出的紫外线可使锌板发生光电效应，锌板带正电，验电器小球带正电，验电器指针也带正电，使其指针发生偏转，故A、D、E正确，C错误；绿光的频率小于锌板的极限频率，所以用绿光照射锌板，验电器指针不会发生偏转，B错误【答案】ADE2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() 【导学号：18850062】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，仍可能发生光电效应D改用频率大于的光照射，光电子的最大初动能变大E改用频率为2的光照射，光电子的最大初动能变为原来的2倍【解析】增大入射光的强度，单位时间内照射到单位面积上的光子数增加，光电流增大，A项正确减小入射光的强度，只是光电流减小，光电效应现象是否消失与光的频率有关，而与光的强度无关，B项错误改用频率小于的光照射，但只要光的频率大于极限频率0仍然可以发生光电效应，C项正确由爱因斯坦光电效应方程hW逸mv2得：光频率增大，而W逸不变，故光电子的最大初动能变大，但与mv2不成正比，故D正确，E错误【答案】ACD3如图512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512A该金属的逸出功等于EB该金属的逸出功等于h0C入射光的频率为0时，产生的光电子的最大初动能为ED入射光的频率为20时，产生的光电子的最大初动能为2EE入射光的频率为20时，产生的光电子的最大初动能为E【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0时，光电子的最大初动能Ek0，此时有h0W0，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W0E，故选项A、E正确，选项C、D错误【答案】ABE (1)极限频率为0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功Wh0.(2)某种金属的逸出功是一定值，随入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比 康普顿效应及光的波粒二象性先填空1光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变的现象蔚蓝的天空、殷红的晚霞是大气层对阳光散射形成的，夜晚探照灯或激光的光柱，是空气中微粒对光散射形成的2康普顿效应在光的散射现象中，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关这种现象称为康普顿效应3康普顿的理论当光子与电子相互作用时，既遵守能量守恒定律，又遵守动量守恒定律在碰撞中光子将能量h的一部分传递给了电子，光子能量减少，波长变长4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，为光子说提供了又一例证5光电效应与康普顿效应发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长当波长较短的X射线或射线入射时，产生康普顿效应；当波长较长的可见光或紫外光入射时，主要产生光电效应6光的波粒二象性(1)光的本性：光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性(2)光是一种电磁波(3)当光的波长较长时，光在传播过程中波动性明显；当光的波长较短时，光子与粒子相互作用时，粒子性明显再判断1康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量()2康普顿效应进一步说明光具有粒子性()3光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性()后思考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，尽管太阳光线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？【提示】地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空的真空环境下，光不再散射，只向前传播核心点击1对康普顿效应的理解(1)实验现象X射线管发出波长为0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关(2)康普顿效应与经典物理理论的矛盾按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系(3)光子说对康普顿效应的解释假定X射线光子与电子发生弹性碰撞光子和电子相碰撞时，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因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长的改变与散射角有关2对光的波粒二象性的理解(1)光的粒子性的含义粒子的含义是“不连续”、“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质少量或个别光子易显示出光的粒子性频率高，波长短的光，粒子性特征显著(2)光的波动性的含义光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性(概率)大小可用波动规律描述足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质频率低，波长长的光，波动性特征显著(3)光的波粒二象性光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为4关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是()A光的频率越高，衍射现象越容易看到B光的频率越高，粒子性越显著C大量光子产生的效果往往显示波动性D光的波粒二象性否定了光的电磁说E麦克斯韦提出的光的电磁说，将光的波动说发展到了相当完美的地步【解析】光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故B对、A错误大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C对麦克斯韦提出了光是一种电磁波的学说，将光的波动说发展到了相当完善的地步，E正确【答案】BCE5对光的认识，下列说法正确的是()A个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性B光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的C光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了D光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒子性表现明显E光表现出波动性还是粒子性由光的频率大小决定，频率大的光就显示粒子性【解析】本题考查光的波粒二象性光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C、E选项错误，D选项正确【答案】ABD6康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量如图513给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿_方向运动，并且波长_(选填“不变”“变短”或“变长”). 【导学号：18850063】图513【解析】因光子与电子在碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致，可见碰后光子运动的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由h知，频率变小，再根据c知，波长变长【答案】1变长对光的波粒二象性的两点提醒1光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证2波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著