高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性同步备课学案新人教选修35.docx

高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性同步备课学案新人教选修35.docx

《高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性同步备课学案新人教选修35.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性同步备课学案新人教选修35.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性同步备课学案新人教选修35

2光的粒子性

[目标定位]　1.了解光电效应及其实验规律.2.知道爱因斯坦光电效应方程及其应用.3.了解康普顿效应及其意义．

一、光电效应

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．

【深度思考】

如图1，把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开．用紫外线灯照射锌板，这时，验电器指针有什么变化，这个现象说明了什么？

若开始锌板不带电，用紫外线灯照射时，验电器指针又会有什么变化？

图1

答案　可以看到验电器指针张开的角度变小，说明锌板失去了电子．光电效应的本质是逸出了电子，所以当锌板不带电，用紫外线灯照射时，可看到验电器指针张开一个角度，这时锌板和验电器都带正电．

【例1】　（多选）如图2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2

A．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

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．

答案　AD

能否发生光电效应取决于入射光的频率是否大于或等于极限频率，与入射光的强度无关．

二、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．这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．

2．存在着遏止电压和截止频率：

光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关．当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应．

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10－9s.

【深度思考】

如图3是光电效应实验中得到的光电流与电压的关系图象，从图象中可以得到哪些结论？

图3

答案　

（1）饱和电流和入射光强度的关系．入射光越强，饱和电流越大．因为光越强，包含的光子数越多，照射金属时形成的光电子越多，形成的饱和电流就越大．

（2）遏止电压（或截止频率）与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关．入射光的频率越大，遏止电压越大，光电子逸出时的最大初动能越大．

【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

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．

答案　C

1．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．

2．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．

3．逸出功对应金属的极限频率，由波速公式可知，逸出功还对应极限波长．

针对训练1　（多选）如图4所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是（　　）

图4

A．入射光太弱B．入射光波长太长

C．光照时间短D．电源正负极接反

答案　BD

解析　光电管能否产生光电效应与入射光的强度没有关系；若入射光波长太长，频率低于截止频率，不能产生光电效应，B正确；光电管能否产生光电效应与光照时间没有关系；电源正负极接反时，光电管加上反向电压，若电压超过了遏止电压，也没有光电流．

三、爱因斯坦的光电效应方程　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．光子说

光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν.

2．爱因斯坦光电效应方程的表达式

hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.

3．逸出功W0：

电子从金属中逸出需要克服束缚而消耗的能量的最小值．光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少．

4．光电效应方程的理解

（1）光电效应方程实质上是能量守恒方程

能量为E＝hν的光子被电子吸收，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．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：

Ek＝hν－W0.

（2）光电效应方程包含了产生光电效应的条件

若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于等于零，即Ek＝hν－W0＞0，亦即hν＞W0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．

（3）Ekm－ν曲线

图5

如图5所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν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．

【深度思考】

光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系，而遏制电压Uc与最大初动能也有关，你能根据所学推导出Uc与ν和W0的关系吗？

答案　由光电效应方程Ek＝hν－W0，而遏制电压Uc与最大初动能的关系为eUc＝Ek，所以得Uc与入射光频率ν的关系是：

eUc＝hν－W0，即Uc＝－.

【例3】　如图6所示，当开关K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．合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.6V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为（　　）

图6

A．1.9eVB．0.6eV

C．2.5eVD．3.1eV

解析　由题意知光电子的最大初动能为

Ek＝eUc＝0.6eV

所以根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得

W0＝hν－Ek＝（2.5－0.6）eV＝1.9eV

答案　A

1．逸出功W0对应着某一极限频率νc，即W0＝hνc，只有入射光的频率ν≥νc时才有光电子逸出，即才能发生光电效应．

2．对于某一金属（νc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．

针对训练2　（多选）如图7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ν的关系图象，由图象可知（　　）

图7

A．该金属的逸出功等于E

B．该金属的逸出功等于hνc

C．入射光的频率为νc时，产生的光电子的最大初动能为E

D．入射光的频率为2νc时，产生的光电子的最大初动能为2E

答案　AB

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ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率νc时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hνc＝W0，即该金属的逸出功等于hνc，选项B正确；根据图线的物理意义，有W0＝E，故选项A正确，选项C、D错误．

四、康普顿效应　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0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，深刻揭示了光的粒子性的一面．

3．光子的动量表达式：

p＝.

1.（光电效应现象）在用如图8所示装置做光电效应实验中，当紫外线照射锌板时，发现原本闭合的验电器指针发生了明显的偏转中，则此时（　　）

图8

A．验电器的金属球不带电

B．验电器的金属指针带正电

C．锌板被紫外线照射到的一面带负电

D．锌板未被紫外线照射到的一面带负电

答案　B

解析　用弧光灯发出的紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，则验电器的金属球和金属指针带正电，故B正确，A、C、D错误．

2．（光电效应规律）关于光电效应，下列说法正确的是（　　）

A．当入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应

B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应

C．光电效应现象中存在极限频率，导致含有光电管的电路存在饱和电流

D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多

答案　A

解析　光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率，与入射光的强度无关，饱和电流的大小与极限频率无关，与入射光的强度有关；入射光的光强一定时，频率越高，光子的能量值越大，入射光中光子的数目越少，单位时间内逸出的光电子数就越少．

3．（光电效应规律）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金属的截止频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D错误；又因ν＝，所以选项C正确．

4．（光电效应方程的理解与应用）（多选）在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是（　　）

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ν的光照射，一定不发生光电效应

D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大

答案　AD

解析　增大入射光的强度，单位时间内发射的光电子数增加，则光电流增大，选项A正确；光电效应能否发生与照射光频率有关，与照射光强度无关，选项B错误；改用频率较小的光照射时，如果光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，否则，不能发生光电效应，选项C错误；光电子的最大初动能Ek＝hν－W0，故改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大，选项D正确．

5．分别用波长为λ和λ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1∶2，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

Ek1＝h－W0①

Ek2＝h－W0②

又Ek2＝2Ek1③

联立①②③得W0＝，A正确.

题组一　光电效应的现象及规律

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.（多选）在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏静电计相连，用弧光灯（紫外线）照射锌板时，静电计的指针就张开一个角度，如图1所示，这时（　　）

图1

A．锌板带正电，指针带负电

B．锌板带正电，指针带正电

C．若用黄光照射锌板，则可能不产生光电效应现象

D．若用红光照射锌板，则锌板能发射光电子

答案　BC

解析　锌板在紫外线照射下，发生光电效应现象，有光电子飞出，故锌板带正电，指针上的部分电子被吸引到锌板上发生中和，使指针带正电，B对，A错；红光和黄光的频率都小于紫外线的频率，都可能不产生光电效