2019-2020学年高中物理第17章波粒二象性第2节光的粒子性课件 人教版选修3-5 72页

第 2 节　光的粒子性 [ 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．　 1 ． 光电效应 照射到金属表面的光，能使金属中的 ________ 从表面逸出的现象． 2 ． 光电子 光电效应中发射出来的 ________ ． 要点一　光电效应 电子　 课前教材预案 电子　 3 ． 光电效应的实验规律 (1) 存在着 ________ 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 ________ ；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会增大． 饱和　 越多　 (2) 存在着遏止电压和 ________ 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发生光电效应． (3) 光电效应具有 __________ ：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过 10 － 9 s ． 截止　 瞬时性　 4 ． 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功，用 W 0 表示．不同金属的逸出功不同． 1 ． 光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量组成的，这些能量子被称为 ________ ，频率为 ν 的能量子为 __ __ __ ． 光子　 要点二　爱因斯坦的光电效应方程 hν 　 2 ． 光电效应方程 (1) 表达式： hν ＝ __ _ __ _ __ 或 E k ＝ __ __ __ _ __ ． (2) 物理意义：是能量守恒方程的具体体现，即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 ________ _ __ ，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能 E k ． E k ＋ W 0 　 hν － W 0 　 逸出功 W 0 　 1 ． 光的散射 光在介质中与 ____________ 相互作用，因而传播方向 ____________ ，这种现象叫做光的散射． 物质微粒　 要点三　康普顿效应和光子的动量 发生改变　 2 ． 康普顿效应 (1) 概念：在光的散射中，除了与入射波长 λ 0 ________ 的成分外，还有波长 ________ λ 0 的成分的现象． (2) 意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的 __________ 的一面． 相同　 大于　 粒子性　 变大　 问题与思考 1 ．判断下列说法的正误 (1) 任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应 ( 　　 ) (2) 金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关 ( 　　 ) (3) 入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的 ( 　　 ) 答案　 (1) 光电效应的发生存在着截止频率，当入射光的频率低于截止频率时，光电效应不能发生， (1) 错误． (2) 光电效应的发生只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关， (2) 错误． (3) 光电效应的发生具有瞬时性，一般不超过 10 － 9 s ，即光电子几乎是瞬时发射的， (3) 正确． 2 ．不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的最大初动能是否相同？ 答案　 同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的能量不同，由光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光电子的最大初动能是不同的． 3 ．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． 课堂深度拓展 考点一　正确理解光电效应中的五组概念 1 ． 光子与光电子 (1) 光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电． (2) 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 ． 光电子的初动能与光电子的最大初动能 (1) 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，逸出金属表面的光电子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． (2) 只有当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 (1) 光子的能量即每个光子的能量，其值为 ε ＝ hν ( ν 为光子的频率 ) ，其大小由光的频率决定． (2) 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． 【例题 1 】　 ( 多选 ) 一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列说法正确的是 ( 　　 ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　 A ．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加 B ．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子的最大初动能增加 C ．若改用紫光照射，则可能不会发生光电效应 D ．若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加 答案　 AD 　 解析　 光电效应的规律表明，入射光的频率决定是否发生光电效应以及发生光电效应时逸出的光电子的最大初动能的大小，当入射光的频率增加后，逸出的光电子的最大初动能也增加；又紫光的频率高于绿光的频率，而增加光的照射强度，会使单位时间内逸出的光电子数增加，故选项 A 、 D 正确． 答案　 C 　 解析　 光子能量与频率有关，一个光子能量为 hν ， N 个光子能量为 Nhν ，选项 C 正确． 1 ． 规律 (1) 饱和电流和入射光强度的关系：饱和电流 I m 的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内发射的光电子数目与入射光的强度成正比． 考点二　光电效应的实验规律 (2) 光电子的最大初动能与入射光强度的关系：光电子的最大初动能 ( 或遏止电压 ) 与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关，频率越高，光电子的最大初动能越大． (3) 光电效应的产生与入射光的频率和光强的关系： ① 任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应； ② 频率低于截止频率的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能发生光电效应． (4) 光电效应的瞬时性：光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量精度范围内观察不出这两者间存在滞后现象，即光电效应几乎是瞬时发生的． (1) 截止频率是使某一金属发生光电效应的入射光的最低频率． (2) 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎是瞬时发生的． 光电效应现象中的认知技巧 (1) 上面提到的入射光的强度，指的是单位时间内入射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光的强度与光子数成正比． 【例题 2 】 ( 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　 增大入射光强度，单位时间内照射到金属表面单位面积的光电子数增加，则光电流将增大，故选项 A 正确；光电效应是否发生取决于照射光的频率，而与照射强度无关，故选项 B 错误； 【变式 2 】　 用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应．在这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是 __________ ，可能相同的是 __________ ，一定不相同的是 __________ ． A ．光子的能量　　　　　 B ．金属的逸出功 C ．光电子初动能 D ．光电子最大初动能 解析　 光子的能量由频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同．逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功，因此只由材料决定，锌片和银片的光电效应中，光电子的逸出功一定不相同．由 E k ＝ hν － W 0 ，照射光子的能量 hν 相同，逸出功 W 0 不同，则光电子最大初动能一定不同． 由于光电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的初动能分布在零到最大初动能之间，所以，在两个不同光电效应的光电子中，初动能是可能相同的． 答案　 A 　 C 　 BD 1 ． 对光电效应方程 E k ＝ hν － W 0 的理解 (1) 式中的 E k 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 ～ E k 范围内的任何数值． 考点三　光电效应方程及其应用 (2) 光电效应方程实质上是能量守恒方程 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．如果克服吸引力做功最少为 W 0 ，则电子离开金属表面的动能最大为 E k ，根据能量守恒定律可知 E k ＝ hν － W 0 ． 求解光电效应问题时只需理清两条线索，明确两个关系，熟练运用光电效应方程即可． (1) 两条线索 (2) 两个关系 ① 光照强度高 → 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． 2 ． E k － ν 曲线 如图甲所示为光电子最大初动能 E k 随入射光频率 ν 的变化曲线．由于 E k ＝ hν － W 0 ，这里横轴上的截距是阴极金属的截止频率；纵轴上的截距是阴极金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量． ( E k ＝ hν － W 0 ， E k 是 ν 的一次函数，不是正比例函数 ) 光电效应曲线的拓展应用 (1) 在同一坐标系中画不同物质的 E k － ν 曲线，则必平行，因为图线的斜率等于普朗克常量． (2) I － U 图象中，同一频率但强度不同的光对应的遏止电压 U c 一定相等，但饱和光电流 I m 不等． 【例题 3 】　 在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线 ( 甲光、乙光、丙光 ) ，如图所示．则可判断出 ( 　　 ) A ．甲光的频率大于乙光的频率 B ．乙光的波长大于丙光的波长 C ．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率 D ．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能 答案　 B 　 【变式 3 】 爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得 1921 年诺贝尔物理学奖．某种金属逸出光电子的最大初动能 E km 与入射光频率 ν 的关系如图所示，其中 ν 0 为极限频率．从图中可以确定的是 ( 　　 ) A ．逸出功与 ν 有关 B ． E km 与入射光强度成正比 C ．当 ν < ν 0 时，会逸出光电子 D ．图中直线的斜率与普朗克常量有关 答案　 D 　 解析　 金属的逸出功由金属自身决定，与入射光频率无关，选项 A 错误；电子的最大初动能与入射光强度无关，选项 B 错误；只有入射光频率大于极限频率时，才有光电子逸出，选项 C 错误；由光电效应方程 E km ＝ hν － W 0 可知，选项 D 正确． 考点四　光子说对康普顿效应的解释 康普顿效应的意义 康普顿效应证明了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． 【例题 4 】　 康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量．如图所示给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向 ________ 运动，并且波长 __________.( 选填“不变”“变短”或“变长” ) 答案　 1 　变长 【变式 4 】　 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，动量守恒，且 λ ＝ λ ′ B ．能量不守恒，动量不守恒，且 λ ＝ λ ′ C ．能量守恒，动量守恒，且 λ < λ ′ D ．能量守恒，动量守恒，且 λ > λ ′ 答案　 C 　 1 ．硅光电池是利用光电效应原理制成的器件，下列表述正确的是 ( 　　 ) A ．硅光电池是把光能转变为电能的一种装置 B ．硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出 课末随堂演练 C ．逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关 D ．任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应 答案　 A 　 解析　 光电效应是光 ( 包括不可见光 ) 照射金属使其逸出电子的现象，因此，硅光电池是把光能转化为电能的一种装置，选项 A 正确．根据光电效应规律知，大于极限频率的光才能被金属中的电子吸收而发生光电效应，跑向金属内部的电子并不能飞出金属，选项 B 、 D 错误．光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，选项 C 错误． 2 ．已知电磁波的波长从小到大依次排列，其顺序为： γ 射线、 X 射线、紫外线、可见光 ( 紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红 ) 、红外线、无线电波．当用绿光照射某金属表面时，能产生光电效应现象，为了增大光电子的最大初动能 ( 　　 ) A ．可选用紫外线照射 B ．可选用红光照射 C ．可增强绿光照射强度 D ．可延长绿光的照射时间 答案　 A 　 解析　 由波速公式 c ＝ λν 可知，波长越长的电磁波，频率越小，波长越短的电磁波，频率越大；由光电效应方程 E km ＝ hν － W 0 ，当入射光的频率增大时，光电子的最大初动能增大，与光照强度和光照时间无关，故选项 A 正确， B 、 C 、 D 错误． 3 ．用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能 E k 随入射光频率 ν 变化的 E k － ν 图象．已知钨的逸出功是 3.28 eV ，锌的逸出功是 3.34 eV ，若将二者的图象画在同一个 E k － ν 坐标系中，如图所示用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的是 ( 　　 ) 答案　 A 　 4 ．在光电效应实验中，小明同学用同一实验装置，如图甲所示，在甲、乙、丙三种光的照射下得到了三条电流表与电压表读数之间的关系曲线，如图乙所示．则正确的是 ( 　　 ) A ．乙光的频率小于甲光的频率 B ．甲光的波长大于丙光的波长 C ．丙光的光子能量小于甲光的光子能量 D ．乙光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能 答案　 B 　 5 ． A 、 B 两种光子的能量之比为 2∶1 ，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为 E A 、 E B ． 求 A 、 B 两种光子的动量之比和该金属的逸出功． 答案　 2∶1 　 E A － 2 E B