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第3讲 光的粒子性,知识梳理 一、光电效应 1.在光的照射下物体发射电子的现象叫做光电效应,发射出的电子叫光 电子。光电效应的实验规律如下: (1)任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须 大于 这 个极限频率,才能产生光电效应,低于这个频率的光不能使金属产生光 电效应。 (2)光电子的最大初动能与 入射光的强度 无关,只随入射光频率,的 增大 而增大。 (3)入射光照射到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过10-9 s。 (4)当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度与入射光的强度成 正比 。,2.爱因斯坦为解释光电效应现象,提出了光子说,其内容为:空间传播的 光是不连续的,是一份一份的,每一份叫做一个 光子 ,每个光子的 能量为 =h 。,3.光电效应方程 最大初动能与入射光频率之间的关系: =h-W(或Ek=h-W)。 若入射光子的能量恰等于金属的 逸出功 ,则光电子的最大初动能 为零,入射光的频率就是该金属的极限频率。此时有h0=W,即0= ,可 求出极限频率,反过来从实验中测出金属的极限频率0,也可求出逸出 功。,二、光的波粒二象性、物质波,1.光具有波粒二象性 光的波粒二象性,既不能把光波理解成宏观状态的波,也不能把光子当 成实物粒子。 大量光子产生的效果往往显示出 波动性 (如光的干涉、衍射现 象),个别光子产生的效果往往显示出 粒子性 (如光子与电子的相 互作用);频率越 低 的光波动性越明显,频率越 高 的光粒子 性越明显;光在传播过程中往往显示出 波动 性,在与物质作用时 往往显示出 粒子 性。,2.物质波 一切运动的微观粒子都具有波粒二象性,其波长与动量的关系都符合德 布罗意公式= ,这种波叫做物质波或德布罗意波。物质波是一 种 概率波 。,1.光的散射:由于光在介质中与物质微粒的相互作用,使光的 传播方向 发生改变的现象,叫做光的散射。,三、康普顿效应,2.康普顿效应:在光的散射中,除有与入射波长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。,1.在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连, 用弧光灯照射锌板时,验电器的指针张开一个角度,如图所示,这时 ( ) A.锌板带正电,指针带负电 B.锌板带正电,指针带正电 C.锌板带负电,指针带正电 D.锌板带负电,指针带负电,B,答案 B 锌板受弧光灯照射,吸收光子发生光电效应,放出光电子,锌 板因失去电子而带正电,与锌板连在一起的静电计指针也带正电。,2.用单色光照射某种金属表面发生光电效应。已知单色光的频率为, 金属的逸出功为W,普朗克常量为h,光电子的最大初动能为Ek,下列关于 它们之间关系的表达式正确的是 ( ) A.Ek=h-W B.Ek=h+W C.W=Ek-h D.W=Ek+h,答案 A 由爱因斯坦光电效应方程可知,A正确。,A,3.一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.增大入射光的频率,金属的逸出功将增大 B.增大入射光的频率,光电子的最大初动能将增大 C.增大入射光的强度,光电子的最大初动能将增大 D.延长入射光照射时间,光电子的最大初动能将增大,答案 B 题干叙述现象为光电效应,Ek=h-W,逸出功由金属材料决定, A选项错;增大入射光的频率,光电子的最大初动能Ek增大,B项正确;增 大入射光的强度,光电子的最大初动能不变,C项错;延长入射光照射时 间,光电子的最大初动能不改变,D项错。,B,4.对光的认识,以下说法错误的是 ( ) A.个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现出波动性 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:在某种情况下光的波动性表现明显,在另 外某种情况下,光的粒子性表现明显,答案 C 往往个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出 波动性;通常光与物质相互作用时表现出粒子性,光的传播规律表现出 波动性,光的波动性和粒子性都是光的本身的一种属性,光的波动性表 现明显时仍具有粒子属性,光的粒子性表现明显时仍具有波动性。,C,深化拓展,考点一 对光电效应规律的理解,考点二 对光电效应现象的实验研究方法,考点三 有关光的能量问题的综合分析,深化拓展 考点一 对光电效应规律的理解 1.用光子说解释光电效应及其规律 (1)光照射金属时,电子吸收一个光子(形成光电子)的能量后,动能立即 增大,不需要积累能量的过程。 (2)电子从金属表面逸出,首先需克服金属表面原子核的引力做功(逸出 功W)。要使入射光子的能量不小于W,对应频率0= 为极限频率。 (3)光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大。 (4)入射光越强,单位时间内入射到金属表面的光子数越多。,2.掌握以下两条决定关系 (1)入射光频率决定光子能量决定光电子最大初动能。 (2)入射光强度决定单位时间内接收的光子数决定单位时间内发射 的光电子数。,1-1 (2017北京东城二模,19)如图所示,把一块不带电的锌板连接在验 电器上。当用紫外线照射锌板时,发现验电器指针偏转一定角度,则 ( ),A.锌板带正电,验电器带负电 B.若改用强度更小的紫外线照射锌板,验电器的指针也会偏转 C.若改用红外线照射锌板,验电器的指针仍然会发生偏转 D.这个现象可以说明光具有波动性,B,答案 B 紫外线使锌板发生光电效应,锌板失去电子而带正电,则与 之连接的验电器也带正电。红外线的频率小于锌的截止频率,不发生光 电效应,验电器的指针不偏转。该现象说明光具有粒子性。,考点二 对光电效应现象的实验研究方法 1.实验研究电路,2.实验图像,3.两条关系 (1)光的强度与饱和光电流的关系 对相同频率的入射光:饱和光电流与入射光强度成正比。 对不同频率的入射光:由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光 强度之间没有简单的正比关系。 (2)遏止电压与最大初动能的关系 Ek=eUc。,2-1 (2013北京理综,20,6分)以往我们认识的光电效应是单光子光电效 应,即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。 强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,由 于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从 而形成多光子光电效应,这已被实验证实。,光电效应实验装置示意如图。用频率为的普通光源照射阴极K,没有 发生光电效应。换用同样频率的强激光照射阴极K,则发生了光电效 应;此时,若加上反向电压U,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极, 在K、A之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U,光电流会逐 渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是下列的(其中 W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电量) ( ) A.U= - B.U= - C.U=2h-W D.U= -,B,答案 B 同频率的光照射K极,普通光不能使其发生光电效应,而强激 光能使其发生光电效应,说明一个电子吸收了多个光子。设吸收的光子 个数为n,光电子逸出的最大初动能为Ek,由光电效应方程知:Ek=nh-W(n 2);光电子逸出后克服减速电场做功,由动能定理知Ek=eU,联立上 述两式得U= - ,当n=2时,即为B选项,其他选项均不可能。,2-2 从1907年起,密立根就开始测量金属的遏止电压Uc(即图甲所示的 电路中电流表G的读数减小到零时加在电极K、A之间的反向电压)与 入射光的频率,由此算出普朗克常量h,并与普朗克根据黑体辐射得出 的h相比较,以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。按照密立根的方 法我们利用图示装置进行实验,得到了某金属的Uc-图像如图乙所示。 下列说法正确的是 ( ),甲,A,乙 A.该金属的截止频率约为4.271014 Hz B.该金属的截止频率约为5.501014 Hz C.该图线的斜率为普朗克常量,D.该图线的斜率为这种金属的逸出功,答案 A 设金属的逸出功为W0,截止频率为c,则W0=hc,光电子的最大 初动能Ek与遏止电压Uc的关系是Ek=eUc,由光电效应方程有Ek=h-W0。 联立两式可得:Uc= - c,故Uc-图线的斜率为 ,C、D错误。当Uc=0 时,可解得=c,此时读图可知,4.31014 Hz,即金属的截止频率约为4.3 1014 Hz,在误差允许范围内,可以认为A正确,B错误。,考点三 有关光的能量问题的综合分析 光子学说认定每个光子有一定的能量=h,而光强是光子总能量的 体现,即E=Nh。可以把光子能量与其他有关能量的知识联系起来,构成 综合性的题目。,3-1 (2017北京理综,18,6分)2017年年初,我国研制的“大连光源” 极紫外自由电子激光装置,发出了波长在100 nm(1 nm=10-9 m)附近连续 可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。大连光源因其光子的能量大、 密度高,可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要 作用。 一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子,但又不会 把分子打碎。据此判断,能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h =6.610-34 Js,真空光速c=3108 m/s) ( ) A.10-21 J B.10-18 J C.10-15 J D.10-12 J,B,答案 B 由题意知,电离一个分子的能量等于照射分子的光子能量, E=h=h =210-18 J,故选项B正确。,3-2 太阳光垂直射到地面上时,地面上1 m2接受的太阳光的功率为 1.4 kW,其中可见光部分约占45%。 (1)假如认为可见光的波长约为0.55 m,日地间距离R=1.51011 m。普朗 克常量h=6.610-34 Js,估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少? (2)若已知地球的半径为6.4106 m,估算地球接受的太阳光的总功率。,答案 (1)4.91044个 (2)1.81014 kW,解析 构建太阳光传播模型如图所示 (1)设地面上垂直阳光的1 m2面积上每秒钟接受的可见光光子数为n。 则有P45%=nh 解得n= = =1.751021(个) 设想一个以太阳为球心,以日、地距离为半径的大球包围着太阳。大球 面接受的光子数即等于太阳辐射的全部光子数。则所求可见光光子数,N=n4R2=1.75102143.14(1.51011)2 =4.91044(个) (2)地球背着阳光的半个球面没有接受太阳光,地球向阳的半个球面面 积也不都与太阳光垂直。接受太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是 以地球半径为半径的圆平面的面积。则地球接受阳光的总功率 P地=Pr2=1.43.14(6.4106)2 kW=1.81014 kW,
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