学年高中物理第2章波和粒子22涅盘凤凰再飞翔学案沪科版选修35.docx

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学年高中物理第2章波和粒子22涅盘凤凰再飞翔学案沪科版选修35

2．2　涅槃凤凰再飞翔

[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

图1

[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）．

（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

在光的照射下物体发射电子的现象叫做光电效应．发射出来的电子叫光电子．

2．光电效应的实验规律

（1）对于各种金属都存在着一个极限频率，当入射光的频率高于这个极限频率时，才能产生光电效应；

（2）光电子的最大动能随着入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关；

（3）当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关；

（4）入射光射到金属表面时，光电子的产生几乎是瞬时的，不超过1×10－9_s.

[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．（　√　）

二、爱因斯坦的光子说

[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2.75eV的光

图2

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1.7V时，电流表示数为0.

（1）光电子的最大动能是多少？

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）1.7eV　1.7V

（2）W0＝hν－Ekm＝2.75eV－1.7eV＝1.05eV

（3）变大　（4）变大　变大

[知识梳理]

1．光子说：

光在空间传播时是不连续的，而是一份一份的，一份叫做一个光量子，简称光子．光子的能量E＝hν.

2．逸出功

使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W表示，不同金属的逸出功不同．

3．最大动能：

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．

4．遏止电压与极限频率

（1）遏止电压：

使光电流减小到零的反向电压U.

（2）极限频率：

能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的极限频率．不同的金属对应着不同的极限频率．

5．光电效应方程

（1）表达式：

hν＝Ekm＋W或Ekm＝hν－W.

（2）物理意义：

金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W，剩下的表现为逸出后电子的最大动能．

（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，则光电子的最大动能必须大于零，即Ekm＝hν－W>0，亦即hν>W，ν>

＝ν0，而ν0＝

恰好是光电效应的截止频率．

6．Ekm－ν曲线

如图3所示是光电子最大动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是极限频率；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动能越大，这种金属的逸出功越小．（　×　）

（2）光电子的最大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．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，除了与入线射波长相同的成分外，还有波长大于入射线波长的成分，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，进一步为光的粒子性提供了证据．

3．光子的动量

表达式：

p＝

.

[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）不存在极限频率，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10－9s.

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

　（多选）用如图5所示的光电管研究光电效应的实验中，用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转．而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，那么（　　）

图5

A．a光的频率一定大于b光的频率

B．增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转

C．用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流是由d到c

D．只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大

答案　AD

解析　单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，说明没发生光电效应，故b光的频率较小，故A正确；发生光电效应只由频率决定，与光强无关，故B错误；发生光电效应时，电子从阴极K逸出向阳极A运动，电流方向应由c到d，故C错误；增加a光的强度，单位时间入射的光子数增加，因此单位时间逸出的光电子数增加，故D正确．

针对训练　（多选）如图6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6

A．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　金属存在极限频率，超过极限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．入射光的频率低于极限频率，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ε＝hν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W，则电子离开金属表面时动能最大为Ekm，根据能量守恒定律可知：

Ekm＝hν－W.

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→产生光电子的最大动能大．

例3

　在光电效应实验中，某金属的极限频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为______．若用波长为λ（λ<λ0）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，光电子的最大动能Ekm＝hν－W，其中金属的逸出功W＝hν0，又由c＝λν知W＝

，用波长为λ的单色光照射时，其Ekm＝

－

＝hc

.又因为eU＝Ekm，所以遏止电压U＝

＝

.

例4

　（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，光电子的最大动能将不变

C．只增大入射光的频率，光电子的最大动能将增大

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Ekm＝hν－W可知，当金属的极限频率确定时，光电子的最大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，光电效应的产生是瞬时的，与入射光的频率无关，D错误．

1．逸出功W对应着某一极限频率ν0，即W＝hν0，只有入射光的频率ν≥ν0时才有光电子逸出，即才能发生光电