【物理】2018届一轮复习人教版光电效应　波粒二象性教案 11页

第1节　光电效应　波粒二象性 一、光电效应及其规律 ‎1．光电效应现象 在光的照射下，金属中的电子从表面逸出的现象，发射出来的电子叫光电子．‎ ‎2．光电效应的产生条件 入射光的频率大于金属的极限频率．‎ ‎3．光电效应规律 ‎(1)每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．‎ ‎(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)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.‎ ‎(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比．‎ 二、爱因斯坦光电效应方程 ‎1．光子说 在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每—份叫做一个光子，光子的能量ε＝hν.‎ ‎2．逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值．‎ ‎3．最大初动能：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．光电效应方程 ‎(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.‎ ‎(2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能．‎ 三、光的波粒二象性 ‎1．光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性．‎ ‎2．光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性．‎ ‎3．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性．‎ ‎[自我诊断]‎ ‎1．判断正误 ‎(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应．(×)‎ ‎(2)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于金属的逸出功．(√)‎ ‎(3)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比．(×)‎ ‎(4)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性．(√)‎ ‎(5)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律．(×)‎ ‎(6)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性．(√)‎ ‎(7)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子具有波动性．(√)‎ ‎2．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 解析：选C.发生光电效应时，有光电子从锌板中逸出，逸出光电子后的锌板带正电，对空气中的正离子有排斥作用，C正确．‎ ‎3．(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．无论增大入射光的频率还是增大入射光的强度，金属的逸出功都不变 B．只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能将增大 C．只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大 D．只增大入射光的频率，光电子逸出所经历的时间将缩短 解析：选AC.金属逸出功只与极限频率有关，A正确．根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能由入射光的频率和逸出功决定，只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能将不变，B错误，C正确．发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，光电子逸出所经历的时间几乎同时，D错误．‎ ‎4．关于光的本性，下列说法正确的是(　　)‎ A．光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对立的 B．光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点 C．大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性 D．由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的—切行为，只能认为光具有波粒二象性 解析：选D.光既具有波动性，又具有粒子性，但不同于宏观的机械波和机械粒子，波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现，是同一客体的两个不同的侧面、不同属性，只能认为光具有波粒二象性，A、B、C错误，D正确．‎ ‎5．在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示．若该直线的斜率和截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为________，所用材料的逸出功可表示为________．‎ 解析：根据光电效应方程Ekm＝hν－W0及Ekm＝eUc得Uc＝－，故＝k，b ‎＝－，得h＝ek，W0＝－eb.‎ 答案：ek　－eb 考点一　光电效应的理解 ‎1．光电效应中的几个概念比较 ‎(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．‎ ‎(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，电子吸收光子的全部能量，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的情况，才具有最大初动能．‎ ‎(3)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．‎ ‎(4)光的强弱与饱和光电流 频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大．‎ ‎2．对光电效应规律的解释 对应规律 对规律的产生的解释 光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大，与入射光强度无关 电子吸收光子能量后，一部分克服原子核引力做功，剩余部分转化为光电子的初动能，只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能，对于确定的金属，逸出功W0是一定的，故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大 光电效应具有瞬时性 光照射金属时，电子吸收一个光子的能量后，动能立即增大，不需要能量积累的过程 光较强时饱和电流大 光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大 ‎1．(2016·高考全国乙卷)(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是(　　)‎ A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大 B．入射光的频率变高，饱和光电流变大 C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大 D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生 解析：选AC.产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和光电流越大，说法A正确．饱和光电流大小与入射光的频率无关，说法B错误．光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关，说法C正确．减小入射光的频率，如低于极限频率，则不能发生光电效应，没有光电流产生，说法D错误．‎ ‎2．(2017·广东深圳模拟)(多选)在光电效应实验中，用同一种单色光，先后照射锌和银的表面，都能发生光电效应．对于这两个过程，下列物理过程中一定不同的是(　　)‎ A．遏止电压　　 B．饱和光电流 C．光电子的最大初动能 D．逸出功 解析：选ACD.同一束光照射不同的金属，一定相同的是入射光的光子能量，不同金属的逸出功不同，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0知，最大初动能不同，则遏止电压不同，选项A、C、D正确；同一束光照射，单位时间内射到金属表面的光子数目相等，所以饱和光电流是相同的，选项B错误．‎ ‎3．(2017·广东省湛江一中高三模拟)(多选)用如图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(　　)‎ A．a光的频率一定大于b光的频率 B．只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大 C．增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转 D．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 解析：选AB.由于用单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，说明发生了光电效应，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，说明b光不能发生光电效应，即a光的频率一定大于b光的频率；增加a光的强度可使单位时间内逸出光电子的数量增加，则通过电流计G的电流增大；因为b光不能发生光电效应，所以即使增加b光的强度也不可能使电流计G的指针发生偏转；用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电子的方向是由d到c，所以电流方向是由c到d.选项A、B正确．‎ 光电效应实质及发生条件 ‎(1)光电效应的实质是金属中的电子获得能量后逸出金属表面，从而使金属带上正电．‎ ‎(2)能否发生光电效应，不取决于光的强度，而是取决于光的频率．只要照射光的频率大于该金属的极限频率，无论照射光强弱，均能发生光电效应．‎ 考点二　光电效应方程及图象的理解 ‎1．爱因斯坦光电效应方程 Ek＝hν－W0‎ hν：光子的能量 W0：逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服原子核引力所做的功．‎ Ek：光电子的最大初动能．‎ ‎2．四类图象 图象名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ‎①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc ‎②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝|－E|＝E ‎③普朗克常量：图线的斜率k＝h 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系 ‎①遏止电压Uc：图线与横轴的交点 ‎②饱和光电流Im：电流的最大值 ‎③最大初动能：Ekm＝eUc 颜色不同时，光电流与电压的关系 ‎①遏止电压Uc1、Uc2‎ ‎②饱和光电流 ‎③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2‎ ‎=遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ‎①截止频率νc：图线与横轴的交点 ‎②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大 ‎③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)‎ ‎[典例]　(2017·重庆万州二中模拟)(多选)某金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图象如图所示．则由图象可知(　　)‎ A．该金属的逸出功等于hν0‎ B．若已知电子电荷量e，就可以求出普朗克常量h C．遏止电压是确定的，与照射光的频率无关 D．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为hν0‎ 解析　当遏止电压为零时，最大初动能为零，则入射光的能量等于逸出功，所以W0＝hν0，A正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0和－eUc＝0－Ek得，Uc＝ν－，可知当入射光的频率大于极限频率时，遏止电压与入射光的频率呈线性关系，C错误；因为Uc＝ν－，知图线的斜率等于，从图象上可以得出斜率的大小，已知电子电荷量e，可以求出普朗克常量h，B正确；从图象上可知逸出功W0＝hν0，根据光电效应方程Ek＝h·2ν0－W0＝hν0，D正确．‎ 答案　ABD 应用光电效应方程时的注意事项 ‎(1)每种金属都有一个截止频率，光频率大于这个截止频率才能发生光电效应．‎ ‎(2)截止频率是发生光电效应的最小频率，对应着光的极限波长和金属的逸出功，即hν0＝h＝W0.‎ ‎(3)应用光电效应方程Ek＝hν－W0时，注意能量单位电子伏和焦耳的换算(1 eV＝1.6×10－19 J)．‎ ‎1．(多选)甲、乙两种金属发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光频率间的关系分别如图中的a、b所示．下列判断正确的是(　　)‎ A．图线a与b不一定平行 B．乙金属的极限频率大于甲金属的极限频率 C．改变入射光强度不会对图线产生任何影响 D．图线的斜率是定值，与入射光和金属材料均无关 解析：选BCD.根据光电效应方程Ek＝hν－W0＝hν－hν0知，图线的斜率表示普朗克常量，根据图线斜率可得出普朗克常量，因此a与b一定平行，且两斜率是固定值，与入射光和金属材料皆无关系，A错误，D正确；横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率，此时的频率等于金属的极限频率，由图可知乙金属的极限频率大，故B正确；纵截距对应ν＝0的时候，此时纵截距就是逸出功的相反数，根据W0＝hν0可求出，与入射光强度无关，C正确．‎ ‎2．(多选)用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应，得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示．则这两种光(　　)‎ A．照射该光电管时，a光使其逸出的光电子最大初动能大 B．从同种玻璃射入空气发生全反射时，a光的临界角大 C．通过同一装置发生双缝干涉，a光的相邻条纹间距大 D．通过同一玻璃三棱镜时，a光的偏折程度大 解析：选BC.从b的反向遏止电压更高可知b光频率更高，使逸出的光电子最大初动能大，A错误．a光频率低，则折射率小，临界角大，B正确．a光频率低，则波长长，干涉时相邻条纹间距大，C正确．a光频率低，折射率小，通过同一玻璃三棱镜时，a光的偏折程度小，D错误．‎ ‎3．从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量．他通过如图所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率ν，作出Uc－ν的图象，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较，以检验爱因斯坦方程的正确性．图中频率ν1、ν2，遏止电压Uc1、Uc2及电子的电荷量e均为已知，求：‎ ‎(1)普朗克常量h；‎ ‎(2)该金属的截止频率ν0.‎ 解析：根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及动能定理eUc＝Ek得Uc＝ν－ν0‎ 结合图象知k＝＝＝ 普朗克常量h＝，ν0＝.‎ 答案：(1)　(2) 考点三　光的波粒二象性　物质波 光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：‎ ‎(1)从数量上看：个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性．‎ ‎(2)从频率上看：频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象．‎ ‎(3)从传播与作用上看：光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性．‎ ‎(4)波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝hν、光子的动量表达式p＝也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ.‎ ‎(5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子．‎ ‎1．(多选)如图甲所示为实验小组利用100多个电子通过双缝后的干涉图样，可以看出每一个电子都是一个点；如图乙所示为该小组利用70 000多个电子通过双缝后的干涉图样，为明暗相间的条纹．则对本实验的理解正确的是(　　)‎ A．图甲体现了电子的粒子性 B．图乙体现了电子的粒子性 C．单个电子运动轨道是确定的 D．图乙中明条纹是电子到达概率大的地方 解析：选AD.题图甲中的每一个电子都是一个点，说明少数粒子体现粒子性，到达的位置不同，说明单个电子的运动轨道不确定，A正确，C错误；题图乙中明暗相间的条纹说明大量的粒子表现为波动性，B错误；明条纹是电子到达概率大的地方，D正确．‎ ‎2．(多选)实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是(　　)‎ A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样 B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹 C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构 D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构 解析：选ACD.电子束具有波动性，通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，选项A正确. β射线在云室中高速运动时，径迹又细又直，表现出粒子性，选项B错误．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，体现出波动性，选项C正确．电子显微镜是利用电子束工作的，体现了波动性，选项D正确．‎ ‎3．如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的________也相等．‎ A．速度 B．动能 C．动量 D．总能量 解析：选C.由德布罗意波长λ＝知二者的动量应相同，故C正确，由p＝mv可知二者速度不同，Ek＝mv2＝，二者动能不同，由E＝mc2可知总能量也不同，A、B、D均错．‎