高中物理 第2章 波和粒子 22 涅盘凤凰再飞翔教师用书.docx

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高中物理第2章波和粒子22涅盘凤凰再飞翔教师用书

2.2　涅槃凤凰再飞翔

学习目标

知识脉络

1.知道光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾.

2.知道光子说及其对光电效应的解释.（重点）

3.掌握爱因斯坦光电效应方程并会用它来解决简单问题.（难点）

4.了解康普顿效应，知道康普顿效应进一步证实了光子的粒子性.

光电效应

[先填空]

1.光电效应定义

在光的照射下物体发射电子的现象.

2.光电子

光电效应中发射出来的电子.

3.光电效应的实验规律

（1）各种金属都存在极限频率，每一种金属对应一种光的最小频率，称极限频率.只有当入射光的频率高于这个极限频率时，才会产生光电效应.如果入射光频率低于这个极限频率，无论光多么强，照射时间多长，都不会产生光电效应.

（2）光电子的最大初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，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多.

（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.

[再判断]

1.任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应.（×）

2.金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关.（×）

3.在发生光电效应的条件下，入射光强度越大，光电流越大.（√）

[后思考]

1.发生光电效应一定要用不可见光吗？

【提示】　不一定.发生光电效应的照射光，可以是可见光，也可以是不可见光，只要入射光的频率大于极限频率就可以了.

2.在光电效应中，只要光强足够大，就能发生光电效应吗？

【提示】　不能.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.

[核心点击]

1.光子与光电子

光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电，光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果.

2.光电子的动能与光电子的最大初动能

光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能.光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能.

3.光子的能量与入射光的强度

光子的能量即每个光子的能量，其值为E＝hν（ν为光子的频率），其大小由光的频率决定.入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积.

4.光电流和饱和光电流

金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关.

5.光的强度与饱和光电流

饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，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.

1.如图221所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是（　　）

图221

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.锌板带的是正电荷

E.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、E正确.红光不能使锌板发生光电效应.

【答案】　ADE

2.对光电效应的理解正确的是（　　）

A.金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属

B.在光电效应中，一个电子只能吸收一个光子

C.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应

D.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大

E.由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应，入射光的最低频率也不同

【解析】　按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大；但要使电子离开金属，电子必须具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，且一个电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象；电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小.综上所述，选项B、C、E正确.

【答案】　BCE

3.利用光电管研究光电效应实验如图222所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则（　　）

图222

A.用紫外线照射，电流表一定有电流通过

B.用红光照射，电流表一定无电流通过

C.用红外线照射，电流表可能有电流通过

D.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过

E.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变

【解析】　因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A正确.因不知阴极K的极限频率，所以用红光照射时，也可能发生光电效应，所以选项B错误，C正确.即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以选项D错误.当滑动触头向B端滑动时，UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，电流达到最大，即饱和电流.若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，所以选项E正确.

【答案】　ACE

关于光电效应的两点提醒

（1）发生光电效应时需满足：

照射光的频率大于金属的极限频率，即ν＞νc，或光子的能量E＞W0.

（2）光电子的最大初动能只与照射光的频率及金属的逸出功有关，而与照射光的强弱无关，强度大小决定了逸出光电子的数目多少.

爱因斯坦的光子说

[先填空]

1.光子说

光在空间传播时不是连续的，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跟光的频率ν成正比，即E＝hν.

2.光电效应方程

（1）表达式：

hν＝W＋Ekm.

（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束缚，剩下的表现为逸出后电子的动能.

[再判断]

1.“光子”就是“光电子”的简称.（×）

2.不同的金属逸出功不同，因此金属对应的极限频率也不同.（√）

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.（√）

[后思考]

1.不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能是否相同？

【提示】　由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同，由光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光电子的初动能是不同的.

2.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比吗？

【提示】　不成正比.光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系.

[核心点击]

1.光电效应方程hν＝W＋Ekm的理解

（1）式中的Ekm是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ekm范围内的任何数值.

（2）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.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.

（3）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零，即Ekm＝hν－W>0，亦即hν＞W，ν＞

＝νc，而νc＝

恰好是光电效应的极限频率.

（4）Ekm－ν曲线：

如图223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223

2.光电效应规律中的两个关系

（1）光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大.

（2）光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大.

4.已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0，则（　　）

A.当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子

B.当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν0

C.当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大

D.金属的逸出功与照射光的频率无关

E.当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍

【解析】　根据极限频率跟逸出功的关系：

W＝hν0，光电效应方程

mv

＝hν－W，判断A、B、D正确.

【答案】　ABD

5.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224所示.用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应.换用同样频率ν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（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电荷量）（　　）

图224

A.U＝

－

　　　　B.U＝

－

C.U＝2hν－WD.U＝

－

E.U＝

－

【解析】　由题意知，一个电子吸收一个光子不能发生光电效应，换用同样频率为ν的强激光照射，则发生光电效应，即吸收的光子能量为nhν，n＝2,3,4，….则由光电效应方程可知：

nhν＝W＋

mv2（n＝2,3,4，…）①

在减速电场中由动能定理得－eU＝0－

mv2②

联立①②得：

U＝

－

（n＝2,3,4，…），选项B、D、E正确.

【答案】　BDE

光电效应的两个决定关系

（1）逸出功W0一定时，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能.

（2）入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数.

光子说的又一证明康普顿效应

[先填空]

1.光子的动量：

p＝

，其中h为普朗克常量，λ为光的波长.

2.光的散射：

光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变的现象.

3.康普顿效应：

X射线通过金属、石墨等物质的散射后，在散射线中，除有与入射线波长相同的射线外，还有波长比入射线波长更长的射线.人们把这种波长变化的现象，叫做康普顿效应.

[再判断]

1.光子的动量与波长成反比.（√）

2.光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化.（×）

3.光子发生散射后，其波长变大.（√）

[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？

【提示】　在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不能散射只向前传播.

[核心点击]

1.如图225，X射线的光子与静止的电子发生弹性碰撞，光子把部分能量转移给了电子，能量由hν减小为hν′，因此频率减小，波长增大.同时，电子获得一定的动量，进一步说明了光的粒子性.

图225

2.康普顿效应进一步证明了爱因斯坦光子说的正确性.

6.科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子.假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中（　　）

A.能量守恒

B.动量守恒

C.λ＜λ′

D.λ＞λ′

E.λ＝λ′

【解析】　能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界.光子与电子碰撞时遵循这两个守恒规律.光子与电子碰撞前光子的能量E＝hν＝h

，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量E′＝hν′＝h

，由E＞E′，可知λ＜λ′，选项A、B、C正确.

【答案】　ABC

7.若一个光子的能量等于一个电子的静止能量，已知静止电子的能量为m0c2，其中m0为电子质量，c为光速，试问该光子的动量和波长是多少？

（电子的质量取9.11×10－31kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s）

【解析】　一个电子静止能量为m0c2，按题意hν＝m0c2

光子的动量p＝

＝

＝

＝m0c

＝9.11×10－31kg×3×108m/s

≈2.73×10－22kg·m/s，

光子的波长λ＝

＝

≈2.4×10－12m.

【答案】　2.73×10－22kg·m/s　2.4×10－12m

康普顿实验的意义

（1）动量守恒定律不但适用于宏观物体，也适用于微观粒子间的作用；

（2）康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面，表明光子除了具有能量之外还具有动量.