2012屆高中物理第一輪總復(fù)習(xí) 第14章 第4講 光電效應(yīng) 光的波粒二象性學(xué)案（教師版）新人教版

1、 1幾個(gè)概念 光電子：光電效應(yīng)現(xiàn)象中金屬表面發(fā)射出的電子稱為光電子 光電流：在光電管的陽極A和陰極K之間加上直流電壓U，當(dāng)用頻率足夠高的單色光照射陰極K時(shí)，陰極K上會(huì)有光電子逸出，它們?cè)诩铀匐妶?chǎng)的作用下飛向陽極A而形成電流I，稱為光電流光電流I隨正向電壓U的增大而增大，并逐漸趨于其飽和值Is，這一電流稱為飽和電流可以解釋為，當(dāng)光電流達(dá)到飽和時(shí)，陰極K上所有逸出的光電子全部飛到了陽極A上 遏止電壓：A和K兩極間的電壓為零時(shí)，光電流并不為零，只有當(dāng)兩極間加了反向電壓UUC<0時(shí)，光電流I才為零，UC稱為遏止電壓 極限頻率：對(duì)于給定的金屬材料制成的陰極，當(dāng)入射光頻率低到某值0時(shí)，光電子的最大初

2、動(dòng)能為零.若入射光頻率再降低，則無論光的強(qiáng)度多大，都沒有光電子產(chǎn)生，不發(fā)生光電效應(yīng)這個(gè)由陰極金屬材料性質(zhì)決定的頻率0，稱為金屬的截止頻率，或極限頻率 逸出功Wh0：金屬表面的電子吸收了光子的能量h0后恰能掙脫金屬的束縛，但這些光電子脫離金屬表面后不具有初動(dòng)能，即光電子的逸出功Wh0. 2光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律 光照射金屬表面，使金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象，這就是光電效應(yīng)現(xiàn)象 (1)存在著飽和電流在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓增大，光電流趨于一個(gè)飽和值入射光越強(qiáng)，飽和電流越大. (2)存在著遏止電壓和極限頻率使光電流減小到零的反向電壓稱為遏止電壓，對(duì)于一定顏色(頻率)的光，無論光的強(qiáng)弱如何，遏止電壓

3、都是一樣的，光的顏色改變，遏止電壓也會(huì)改變光電子的能量與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)，不同金屬的截止頻率不同 (3)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性只要滿足發(fā)生光電效應(yīng)的條件，光電效應(yīng)幾乎是瞬間發(fā)生的，不超過109s. 3光子說 1905年愛因斯坦提出了光量子概念，認(rèn)為光能量也和輻射能量一樣，不是連續(xù)分布的，而是一份一份地集中在一個(gè)個(gè)粒子光子上或者說，光是由大量以光速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的光子流每個(gè)光子具有的能量為Ehh (是光的頻率，h是普朗克常量，c是光速，是光波波長)光子的動(dòng)量為p. 4光的波粒二象性 干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實(shí)表明光是一種波；光電效

4、應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無可辯駁的事實(shí)表明光是一種粒子；因此現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：光具有波粒二象性 6愛因斯坦光電效應(yīng)方程 EkhW，其中Ek為光電子獲得的最大初動(dòng)能，h為光子的能量，W為光電子的逸出功 1光子說怎樣對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行解釋？ 解答：為解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，愛因斯坦提出了“光量子”假設(shè)他認(rèn)為：光在空間傳播時(shí)也是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子光子的能量和它的頻率成正比，即Eh，式中的為光的頻率，h為普朗克常量光子在和電子作用時(shí)，每個(gè)光子只能把能量傳遞給一個(gè)電子，每個(gè)電子也只能吸收一個(gè)光子 根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程，可以很明確地得出： (1)電子的最大初動(dòng)能與光的頻率呈線性關(guān)系，而與光的

5、強(qiáng)度無關(guān)(因?yàn)楣庾拥哪芰颗c光的強(qiáng)度無關(guān)，而光的強(qiáng)度與光子的數(shù)目有關(guān)) (2)只有當(dāng)入射光的光子能量大于或等于逸出功，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的極限頻率0可由下式得出：h0W即0 2怎樣理解波粒二象性？ 解答：波粒二象性中所說的波是一種概率波，對(duì)大量光子才有意義波粒二象性中所說的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量 (1)個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性 (2)高的光子容易表現(xiàn)出粒子性；低的光子容易表現(xiàn)出波動(dòng)性 (3)光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性 例1：對(duì)愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW，下面的理解正確的有() A只要是

6、用同種頻率的光照射同一種金屬，那么從金屬中逸出的所有光電子都會(huì)具有同樣的初動(dòng)能Ek B式中的W表示每個(gè)光電子從金屬中飛出過程中克服金屬中正電荷引力所做的功 C逸出功W和極限頻率0之間應(yīng)滿足關(guān)系式Wh0 D光電子的最大初動(dòng)能和入射光的頻率成正比 解析：愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW中的W表示從金屬表面直接逸出的光電子克服金屬中正電荷引力做的功，因此是所有逸出的光電子中克服引力做功的最小值對(duì)應(yīng)的光電子的初動(dòng)能是所有光電子中最大的其他光電子的初動(dòng)能都小于這個(gè)值若入射光的頻率恰好是極限頻率，即剛好能有光電子逸出，可理解為逸出的光電子的最大初動(dòng)能是0，因此有Wh0.由EkhW可知Ek和之間是一次函數(shù)關(guān)系，

7、但不是成正比 【答案】 C 方法點(diǎn)撥：正確理解金屬的逸出功的概念，知道極限頻率(或最大波長)存在的原因是解決光電效應(yīng)問題的關(guān)鍵；光電效應(yīng)是金屬中的自由電子吸收了光子的能量后，其動(dòng)能大到足以克服金屬離子的引力而逃逸出金屬表面，成為光電子對(duì)一定的金屬來說，逸出功是一定的照射光的頻率越大，光子的能量越大，從金屬中逸出的光電子的初動(dòng)能就越大如果入射光子的頻率較低，它的能量小于金屬的逸出功，就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，這就是存在極限頻率的原因 變式訓(xùn)練1：如圖1441所示是光電管使用的原理圖當(dāng)頻率為0的可見光照射至陰極K上時(shí)，電流表中有電流通過，則( )圖1441 A若將滑動(dòng)觸頭P移到A端時(shí)，電流表中一定沒有電

8、流通過 B若將滑動(dòng)觸頭P逐漸由圖示位置移向B端時(shí)，電流表示數(shù)一定增大 C若用紫外線照射陰極K時(shí)，電流表中一定有電流通過 D若用紅外線照射陰極K時(shí)，電流表中一定有電流通過 答案：C 圖1442 2光電效應(yīng)的綜合應(yīng)用 例2：(2010·江蘇卷) (1)研究光電效應(yīng)的電路如圖1331所示用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖象的，正確的是() (2)鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，這就是光電子，光電子從金屬表面逸出的過程中，其動(dòng)量的大小_(選填“增大”、“減

9、小”或“不變”)，原因是_ (3)已知?dú)湓犹幵诘谝弧⒌诙ぐl(fā)態(tài)的能級(jí)分別為3.4eV和1.51eV, 金屬鈉的截止頻率為5.53×1014Hz, 普朗克常量h6.63×1034J·s.請(qǐng)通過計(jì)算判斷，氫原子從第二激發(fā)態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)過程中發(fā)出的光照射金屬鈉板， 能否發(fā)生光電效應(yīng) 解析：(1)對(duì)于一定頻率的光，無論光的強(qiáng)弱如何變化，遏止電壓都是一樣的，只有光的頻率改變，遏止電壓才會(huì)改變；但發(fā)生了光電效應(yīng)后，入射光越強(qiáng)，飽和光電流越強(qiáng)C正確 (2)光電子從金屬表面逸出的過程中，受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)，動(dòng)能要減少，速度要減小，所以動(dòng)量也要減

10、小 (3)氫原子放出的光子能量EE3E2，代入數(shù)據(jù)得：E 1.89eV，金屬鈉的逸出功W0h0，代入數(shù)據(jù)得W02.3eV，因?yàn)镋W0，所以不能發(fā)生光電效應(yīng) 答案：(1)C(2)減小光電子受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)(3)見解析 方法點(diǎn)撥：光電效應(yīng)重點(diǎn)問題主要圍繞四個(gè)結(jié)論、圖象、光電效應(yīng)方程、能量守恒定律等方面進(jìn)行 變式訓(xùn)練2：太陽能是一種巨大的能源據(jù)估計(jì)，人類每年消耗的能量僅相當(dāng)于太陽在20分鐘內(nèi)投射到地球上的能量太陽的能量來源于太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng) (1)寫出這個(gè)核反應(yīng)方程 (2)寫出這一核反應(yīng)釋放出能量的表達(dá)式 (3)太陽光電能直接轉(zhuǎn)

11、換的基本原理是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，如圖1443所示，是測(cè)定光電流的電路簡(jiǎn)圖，光電管加正向電壓 在圖1443上標(biāo)出電源和電流表的正負(fù)接線柱； 入射光照射在_極上(填A(yù)或B) 若電流表讀數(shù)是10A，則每秒鐘從光電管陰極發(fā)射出來的光電子至少是多少個(gè)？1443 入射光應(yīng)照射在陰極上，即照在B極上 電流表讀數(shù)為I10A105A，則每秒鐘通過電流表的電荷量qIt105×1C105C從陰極發(fā)射的電子數(shù)nq/e105/(1.6×1019)6.25×1013個(gè) 3波粒二象性 例3：在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，在光屏處放上照相底片，若減弱光的強(qiáng)度使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過狹縫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果曝光時(shí)間不太長，底片上只能出現(xiàn)一些無規(guī)則的亮點(diǎn)；如果曝光時(shí)間足夠長，底片上就會(huì)出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋下列與這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)的分析中，正確的是() A曝光時(shí)間不長時(shí)，光的能量太小，底片上的條紋看不清楚，故出現(xiàn)無規(guī)