2017-2018學(xué)年高中物理第17章波粒二象性2光的粒子性學(xué)案新人教版選修

1、2光的粒子性學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解光電效應(yīng)及其實驗規(guī)律，以及光電效應(yīng)與電磁理論的矛盾.2.知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及應(yīng)用.3.了解康普頓效應(yīng)及其意義，了解光子的動量一、光電效應(yīng)及其實驗規(guī)律 導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，取一塊鋅板，用砂紙將其一面擦一遍，去掉表面的氧化層，連接在驗電器上(弧光燈發(fā)射紫外線)圖1(1)用弧光燈照射鋅板，看到的現(xiàn)象為_，說明_(2)在弧光燈和鋅板之間插入一塊普通玻璃板，再用弧光燈照射，看到的現(xiàn)象為_，說明_(3)撤去弧光燈，換用白熾燈發(fā)出的強光照射鋅板，并且照射較長時間，看到的現(xiàn)象為_，說明_答案(1)驗電器指針偏角張開鋅板帶電了弧光燈發(fā)出的紫外線照射到鋅板上，在鋅板表面發(fā)射出光電

2、子，從而使鋅板帶上了正電(2)指針偏角明顯減小鋅板產(chǎn)生光電效應(yīng)是光中紫外線照射的結(jié)果而不是可見光(3)觀察不到指針的偏轉(zhuǎn)可見光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)知識梳理1光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象2光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子3光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(1)存在著飽和電流：在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大(2)存在著遏止電壓和截止頻率：入射光的頻率低于截止頻率時不能(填“能”或“不能”)發(fā)生光電效應(yīng)(3)光電效應(yīng)具有瞬時性：光電效應(yīng)中產(chǎn)生電流的時間不超過109s.4逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，用W0表示，不同金屬的逸出功不同即學(xué)即用判斷下列說

3、法的正誤(1)光電效應(yīng)中“光”指的是可見光()(2)能否發(fā)生光電效應(yīng)，取決于光的強度()(3)光電子不是光子()(4)逸出功的大小與入射光無關(guān)()二、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程導(dǎo)學(xué)探究用如圖2所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象所用光子能量為2.75 eV的光照射到光電管上時發(fā)生了光電效應(yīng)，電流表的示數(shù)不為零；移動滑動變阻器的滑動觸頭，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于1.7 V時，電流表示數(shù)為0.圖2(1)光電子的最大初動能是多少？遏止電壓為多少？(2)光電管陰極的逸出功又是多少？(3)當(dāng)滑動觸頭向a端滑動時，光電流變大還是變小？(4)當(dāng)入射光的頻率增大時，光電子最大初動能如何變化？遏止電壓呢？答案(1)1.7

4、 eV1.7 V(2)W0hEkm2.75 eV1.7 eV1.05 eV(3)變大(4)變大變大知識梳理1光子說：在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光的能量子，簡稱光子，光子的能量h.其中h6.631034 Js，稱為普朗克常量2最大初動能：發(fā)生光電效應(yīng)時，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值3遏止電壓與截止頻率(1)遏止電壓：使光電流減小到零的反向電壓Uc.(2)截止頻率：能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率)不同的金屬對應(yīng)著不同的極限頻率4光電效應(yīng)方程(1)表達式：hEkW0或EkhW0.(2)物理意

5、義：金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是h，這些能量一部分用于克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動能(3)光電效應(yīng)方程說明了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件若有光電子逸出，則光電子的最大初動能必須大于零，即EkhW00，亦即hW0，eq f(W0,h)c，而ceq f(W0,h)恰好是光電效應(yīng)的截止頻率5Ek曲線如圖3所示是光電子最大初動能Ek隨入射光頻率的變化曲線這里，橫軸上的截距是截止頻率(或極限頻率)；縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值；斜率為普朗克常量圖3即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小()(2)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正

6、比()(3)入射光若能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則入射光的強度越大，照射出的光電子越多()(4)遏止電壓的大小與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的光強無關(guān)()三、康普頓效應(yīng)導(dǎo)學(xué)探究太陽光從小孔射入室內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；宇航員在太空中會發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的，為什么？答案在地球上存在著大氣，太陽光經(jīng)大氣中微粒散射后傳向各個方向，而在太空中的真空環(huán)境下光不再散射只向前傳播知識梳理1光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射2康普頓效應(yīng)美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射

7、波長0相同的成分外，還有波長大于0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)3康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面4光子的動量(1)表達式：peq f(h,).(2)說明：在康普頓效應(yīng)中，入射光子與晶體中電子碰撞時，把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動量變小因此，有些光子散射后波長變大即學(xué)即用判斷以下說法的正誤(1)光子的動量與波長成反比()(2)光子發(fā)生散射后，其動量大小發(fā)生變化，但光子的頻率不發(fā)生變化()(3)有些光子發(fā)生散射后，其波長變大()一、光電效應(yīng)現(xiàn)象及其實驗規(guī)律1光電效應(yīng)的實質(zhì)：光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為,電現(xiàn)象2光電效應(yīng)中的光包括不可見光和可見光3光電子

8、：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)還是電子4能不能發(fā)生光電效應(yīng)由入射光的頻率決定，與入射光的強度無關(guān)5發(fā)生光電效應(yīng)時，產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光的頻率無關(guān)，與入射光的強度有關(guān)6光電效應(yīng)與光的電磁理論的矛盾按光的電磁理論，應(yīng)有：(1)光越強，光電子的初動能越大，遏止電壓與光的強弱有關(guān)(2)不存在截止頻率，任何頻率的光都能產(chǎn)生光電效應(yīng)(3)在光很弱時，放出電子的時間應(yīng)遠大于109 s.例1一驗電器與鋅板相連(如圖4所示)，用一紫外線燈照射鋅板，關(guān)燈后，驗電器指針保持一定偏角圖4(1)現(xiàn)用一帶負(fù)電的金屬小球與鋅板接觸，則驗電器指針偏角將_(填“增大”“減小”或“不變”)(2)使驗電器指針回到零，再用相同

9、強度的鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板，驗電器指針無偏轉(zhuǎn)那么，若改用強度更大的紅外線燈照射鋅板，可觀察到驗電器指針_(填“有”或“無”)偏轉(zhuǎn)答案(1)減小(2)無解析(1)當(dāng)用紫外線燈照射鋅板時，鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，鋅板放出光電子而帶上正電，此時與鋅板連在一起的驗電器也帶上了正電，故指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)當(dāng)帶負(fù)電的金屬小球與鋅板接觸后，中和了一部分正電荷，從而使驗電器的指針偏角減小(2)使驗電器指針回到零，用鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板，驗電器指針無偏轉(zhuǎn)，說明鈉燈發(fā)出的黃光的頻率小于鋅的極限頻率，而紅外線比黃光的頻率還要低，更不可能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強弱無關(guān)例2入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電

10、效應(yīng)，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，那么()A從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加B逸出的光電子的最大初動能將減小C單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少D有可能不發(fā)生光電效應(yīng)答案C解析發(fā)生光電效應(yīng)幾乎是瞬時的，選項A錯誤入射光的強度減弱，說明單位時間內(nèi)的入射光子數(shù)目減少；頻率不變，說明光子能量不變，逸出的光電子的最大初動能也就不變，選項B錯誤入射光子的數(shù)目減少，逸出的光電子數(shù)目也減少，故選項C正確入射光照射到某金屬上發(fā)生光電效應(yīng)，說明入射光頻率不低于這種金屬的極限頻率，入射光的強度減弱而頻率不變，同樣能發(fā)生光電效應(yīng)，故選項D錯誤針對訓(xùn)練1(多選)如圖5所示，電路

11、中所有元件完好，光照射到光電管上，靈敏電流計中沒有電流通過其原因可能是()圖5A入射光太弱B入射光波長太長C光照時間太短D電源正、負(fù)極接反答案BD解析金屬存在截止頻率，超過截止頻率的光照射金屬時才會有光電子射出射出的光電子的動能隨頻率的增大而增大，動能小時不能克服反向電壓，也不會有光電流入射光的頻率低于截止頻率，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，與光照強弱無關(guān)，選項B正確，A錯誤；電路中電源正、負(fù)極接反，對光電管加了反向電壓，若該電壓超過了遏止電壓，也沒有光電流產(chǎn)生，D正確；光電效應(yīng)的產(chǎn)生與光照時間無關(guān)，C錯誤二、光電效應(yīng)方程的理解與應(yīng)用1光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程(1)能量為h的光子被電子所吸收，電子

12、把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時的動能(2)如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時動能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：EkhW0.2光電效應(yīng)規(guī)律中的兩條線索、兩個關(guān)系：(1)兩條線索：(2)兩個關(guān)系：光強光子數(shù)目多發(fā)射光電子多光電流大；光子頻率高光子能量大產(chǎn)生光電子的最大初動能大例3在光電效應(yīng)實驗中，某金屬的截止頻率相應(yīng)的波長為0，該金屬的逸出功為_若用波長為(0)的單色光做該實驗，則其遏止電壓為_已知電子的電荷量、真空中的光速和普朗克常量分別為e、c和h.答案eq f(hc,0)eq f(hc0,e0)解析由光電效應(yīng)方程知，光電子的最

13、大初動能EkhW0，其中金屬的逸出功W0h0，又由c知W0eq f(hc,0)，用波長為的單色光照射時，其Ekeq f(hc,)eq f(hc,0)hceq f(0,0).又因為eUEk，所以遏止電壓Ueq f(Ek,e)eq f(hc0,e0).例4如圖6所示，當(dāng)開關(guān)K斷開時，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零合上開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.6 V時，電流表讀數(shù)仍不為零當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.6 V時，電流表讀數(shù)為零由此可知陰極材料的逸出功為()圖6A1.9 eV B0.6 eVC2.5 eV D3.1 eV答案A解析由題意知光電子的最大初動

14、能為EkeUc0.6 eV所以根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0可得W0hEk(2.50.6) eV1.9 eV.針對訓(xùn)練2(多選)一單色光照到某金屬表面時，有光電子從金屬表面逸出，下列說法中正確的是()A只增大入射光的頻率，金屬逸出功將減小B只延長入射光照射時間，光電子的最大初動能將不變C只增大入射光的頻率，光電子的最大初動能將增大D只增大入射光的頻率，光電子逸出所經(jīng)歷的時間將縮短答案BC解析金屬的逸出功由金屬本身的構(gòu)成決定，與入射光的頻率無關(guān)，選項A錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0可知，當(dāng)金屬的極限頻率確定時，光電子的最大初動能取決于入射光的頻率，與光照強度、照射時間、光子數(shù)目無關(guān)，選項B

15、、C正確，D錯誤1逸出功W0對應(yīng)著某一截止頻率c，即W0hc，只有入射光的頻率c時才有光電子逸出，即才能發(fā)生光電效應(yīng)2對于某一金屬(c一定)，入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應(yīng)及光電子的最大初動能，而與入射光的強度無關(guān)3逸出功和截止頻率均由金屬本身決定，與其他因素?zé)o關(guān)1(多選)如圖7所示，用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，驗電器指針張開一個角度，則下列說法中正確的是()圖7A用紫外線照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)B用紅光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)C鋅板帶的是負(fù)電荷D使驗電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷答案AD解析將擦得很亮的鋅板與驗電器連接，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗電器指針張開一個角度

16、，說明鋅板帶了電，進一步研究表明鋅板帶正電這說明在紫外線的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出，鋅板帶正電，選項A、D正確紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)2(多選)下列對光子的認(rèn)識，正確的是()A光子說中的光子就是牛頓在微粒說中所說的微粒B光子說中的光子就是光電效應(yīng)的光電子C在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子D光子的能量跟光的頻率成正比答案CD解析根據(jù)光子說，在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子而牛頓的“微粒說”中的微粒指宏觀世界的微小顆粒光電效應(yīng)中，金屬內(nèi)的電子吸收光子后克服原子核的庫侖引力等束縛，逸出金屬表面，成為光電

17、子，故A、B選項錯誤，C選項正確；由Eh知，光子能量E與其頻率成正比，故D選項正確3利用光電管研究光電效應(yīng)實驗如圖8所示，用頻率為的可見光照射陰極K，電流表中有電流通過，則()圖8A用紫外線照射，電流表不一定有電流通過B用紅光照射，電流表一定無電流通過C用頻率為的可見光照射K，當(dāng)滑動變阻器的滑動觸頭移到A端時，電流表中一定無電流通過D用頻率為的可見光照射K，當(dāng)滑動變阻器的滑動觸頭向B端滑動時，電流表示數(shù)可能不變答案D解析因紫外線的頻率比可見光的頻率高，所以用紫外線照射時，電流表中一定有電流通過，選項A錯誤因不知陰極K的截止頻率，所以用紅光照射時，不一定發(fā)生光電效應(yīng)，所以選項B錯誤即使UAK0，

18、電流表中也可能有電流通過，所以選項C錯誤當(dāng)滑動觸頭向B端滑動時，UAK增大，陽極A吸收光電子的能力增強，光電流會增大，當(dāng)所有光電子都到達陽極A時，電流達到最大，即飽和電流若在滑動前，電流已經(jīng)達到飽和電流，那么即使增大UAK，光電流也不會增大，所以選項D正確4幾種金屬的逸出功W0見下表：金屬鎢鈣鈉鉀銣W0(1019J)7.265.123.663.603.41用一束可見光照射上述金屬的表面，請通過計算說明哪些能發(fā)生光電效應(yīng)已知該可見光的波長范圍為4.01077.6107 m，普朗克常量h6.631034 Js.答案鈉、鉀、銣能發(fā)生光電效應(yīng)解析光子的能量Eeq f(hc,)，取4.0107 m，則E

19、5.01019J，根據(jù)EW0判斷，鈉、鉀、銣能發(fā)生光電效應(yīng)一、選擇題(18題為單選題，910題為多選題)1當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時，產(chǎn)生了光電效應(yīng)，這時()A鋅板帶負(fù)電B有正離子從鋅板逸出C有電子從鋅板逸出D鋅板會吸附空氣中的正離子答案C解析當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時，產(chǎn)生了光電效應(yīng)，有電子從鋅板逸出，鋅板帶正電，選項C正確，A、B、D錯誤2某單色光照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下述措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是()A延長光照時間B增大光的強度C換用波長較短的光照射D換用頻率較低的光照射答案C解析光照射金屬時能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于入射光的頻率是否大于等于金屬的極限頻率，與入射光的強度和照

20、射時間無關(guān)，故選項A、B、D均錯誤；又因eq f(c,)，所以選項C正確3如圖1所示，在研究光電效應(yīng)的實驗中，發(fā)現(xiàn)用一定頻率的A單色光照射光電管時，電流表指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而用另一頻率的B單色光照射光電管時不發(fā)生光電效應(yīng)，則()圖1AA光的強度大于B光的強度BB光的頻率大于A光的頻率C用A光照射光電管時流過電流表G的電流方向是由a流向bD用A光照射光電管時流過電流表G的電流方向是由b流向a答案C解析根據(jù)產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件可知選項A、B均錯誤；電流的方向與正電荷定向移動的方向相同，與負(fù)電荷定向移動的方向相反，故選項C正確，D錯誤4某金屬的逸出功為2.3 eV，這意味著()A這種金屬內(nèi)部的電子克服原

21、子核引力做2.3 eV的功即可脫離表面B這種金屬表層的電子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脫離表面C要使這種金屬有電子逸出，入射光子的能量可能小于2.3 eVD這種金屬受到光照時若有電子逸出，則電子離開金屬表面時的動能至少等于2.3 eV答案B解析逸出功指原子的最外層電子脫離原子核克服引力做的功，選項B正確5如圖2所示是光電效應(yīng)中光電子的最大初動能Ek與入射光頻率的關(guān)系圖象從圖中可知()圖2AEk與成正比B入射光頻率必須小于極限頻率c時，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)C對同一種金屬而言，Ek僅與有關(guān)DEk與入射光強度成正比答案C解析由EkhW0知C正確，A、B、D錯誤6分別用波長為和eq f(2,3)的

22、單色光照射同一金屬板，發(fā)出的光電子的最大初動能之比為12，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，則此金屬板的逸出功為()A.eq f(hc,2) B.eq f(3hc,2) C.eq f(3hc,4) D.eq f(2h,c)答案A解析根據(jù)光電效應(yīng)方程得Ek1heq f(c,)W0Ek2heq f(c,f(2,3)W0又Ek22Ek1聯(lián)立得W0eq f(hc,2)，A正確7研究光電效應(yīng)的電路如圖3所示用頻率相同、強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)系圖象中，正確的是()圖3答案C解析用頻

23、率相同的光照射同一金屬時，發(fā)射出的光電子的最大初動能相同，所以遏止電壓相同；飽和光電流與光的強度有關(guān)，光的強度越大，飽和光電流越大，故選項C正確8實驗得到金屬鈣的光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率的關(guān)系如圖4所示下表中列出了幾種金屬的截止頻率和逸出功，參照下表可以確定的是()圖4金屬鎢鈣鈉截止頻率0/1014Hz10.957.735.53逸出功W0/eV4.543.202.29A.如用金屬鎢做實驗得到的Ekm圖線也是一條直線，其斜率比圖中直線的斜率大B如用金屬鈉做實驗得到的Ekm圖線也是一條直線，其斜率比圖中直線的斜率大C如用金屬鈉做實驗得到的Ekm圖線也是一條直線，設(shè)其延長線與縱軸交點的坐

24、標(biāo)為(0，Ek2)，則Ek2Ek1D如用金屬鎢做實驗，當(dāng)入射光的頻率1時，可能會有光電子逸出答案C解析由光電效應(yīng)方程EkmhW0可知Ekm圖線是直線，且斜率相同，A、B項錯；由表中所列的截止頻率和逸出功數(shù)據(jù)可知C項正確，D項錯誤9現(xiàn)用某一光電管進行光電效應(yīng)實驗，當(dāng)用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生下列說法正確的是()A保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大B入射光的頻率變高，飽和光電流變大C入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大D保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生答案AC解析在發(fā)生光電效應(yīng)時，飽和光電流大小由光照強度來決定，與頻率無關(guān)，光照強度越大飽和光電流越大，因此A正確，B錯誤；根據(jù)EkmhW0可知，對于同一光電管，逸出功W0不變，當(dāng)頻率變高時，最大初動能Ekm變大，因此C正確；由光電效應(yīng)規(guī)律可知，當(dāng)頻率低于截止頻率時無論光照強度多大，都不會有光電流產(chǎn)生，因此D錯誤10圖5為一真空光電管的應(yīng)用電路，其陰極金屬材料的極限頻率為4.51014 Hz，則以下判斷正確的是()圖5A發(fā)生光電效應(yīng)時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的頻率B發(fā)生光電效應(yīng)時，電路中光電流的飽和值取決