2018-2019版物理新導學筆記人教通用版選修3-5講義：第十七章 波粒二象性 章末總結

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精章末總結一、量子論、光子說、光子能量的計算1．量子論德國物理學家普朗克提出：電磁波的發(fā)射和吸收是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份電磁波的能量ε＝hν。2．光子說愛因斯坦提出：空間傳播的光也是不連續(xù)的，也是一份一份的,每一份稱為一個光子，光子具有的能量與光的頻率成正比,即ε＝hν，其中h為普朗克常量,h＝6。63×10－34J·s.3．光的頻率與波長的關系：ν＝eq\f（c，λ）.例1激光器是一個特殊的光源，它發(fā)出的光便是激光，紅寶石激光器發(fā)射的激光是不連續(xù)的一道一道的閃光，每道閃光稱為一個光脈沖,現(xiàn)有一紅寶石激光器，發(fā)射功率為1.0×1010W，所發(fā)射的每個光脈沖持續(xù)的時間Δt為1.0×10－11s，波長為793。4nm。問每個光脈沖的長度l是多少？其中含有的光子數(shù)n是多少?（普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3×108m/s)答案3×10－3m4×1017個解析光脈沖的長度是光在一個脈沖時間內(nèi)傳播的距離，設為l。則l＝cΔt＝3×108×1。0×10－11m＝3×10－3m。根據(jù)W＝PΔt可知每列光脈沖能量W＝PΔt＝1。0×1010×1.0×10－11J＝0.1J。而每個光子能量ε＝heq\f(c，λ）＝6.63×10－34×eq\f(3×108，793。4×10－9）J≈2.507×10－19J。故每個光脈沖含有光子數(shù)n＝eq\f(W,ε)＝eq\f（0。1，2.507×10－19）個≈4×1017個．二、光電效應的規(guī)律和光電效應方程1．理解光電效應的規(guī)律的四個角度（1）任何一種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于等于這個截止頻率才能發(fā)生光電效應，低于這個截止頻率則不能發(fā)生光電效應．（2）發(fā)生光電效應時,光電子的最大初動能與入射光的強度無關，隨入射光頻率的增大而增大．(3)光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的，產(chǎn)生電流的時間不超過10－9s。（4）大于截止頻率的光照射金屬時，光電流(反映單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)的多少）與入射光強度成正比．2．愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0W0表示金屬的逸出功，νc表示金屬的截止頻率，則W0＝hνc。例2如圖1甲所示為研究光電效應的電路圖．圖1(1)對于某金屬用紫外線照射時，電流表指針發(fā)生偏轉．將滑動變阻器滑片向右移動的過程中，電流表的示數(shù)不可能________(選填“減小"或“增大”)．如果改用頻率略低的紫光照射，電流表______（選填“一定”“可能”或“一定沒”)有示數(shù)．(2）當用光子能量為5eV的光照射到光電管上時，測得電流表上的示數(shù)隨電壓變化的圖象如圖乙所示．則光電子的最大初動能為________J，金屬的逸出功為______J.答案（1)減小可能(2）3。2×10－194。8×10－19解析（1)AK間所加的電壓為正向電壓，光電子在光電管中加速，滑動變阻器滑片向右移動的過程中，若光電流達到飽和，則電流表示數(shù)不變，若光電流沒達到飽和電流，則電流表示數(shù)增大，所以滑動變阻器滑片向右移動的過程中，電流表的示數(shù)不可能減小,紫光照射不一定能發(fā)生光電效應，所以電流表可能有示數(shù)．（2）由題圖乙可知,當該裝置所加的電壓為反向電壓,當電壓為－2V時，電流表示數(shù)為0,得光電子的最大初動能為2eV即3。2×10－19J，根據(jù)光電效應方程Ekm＝hν－W0得W0＝3eV＝4.8×10－19J。愛因斯坦光電效應方程的應用技巧愛因斯坦光電效應方程表達式為Ek＝hν－W0,其中Ek＝eq\f（1，2)mvm2是最大初動能，W0為金屬的逸出功．根據(jù)公式得到常見物理量的求解：（1)最大初動能：eq\f(1，2)mvm2＝hν－W0（2)遏止電壓：eUc＝Ek?Uc＝eq\f(Ek，e)（3）截止頻率:νc＝eq\f(W0,h）針對訓練關于光電效應，下列說法正確的是()A．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B．入射光的光強一定時，頻率越高,單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多C．極限頻率越大的金屬材料逸出功越大D．只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能發(fā)生光電效應答案C解析金屬的逸出功只與金屬的材料有關，與從金屬表面逸出的光電子的最大初動能無關，故A錯誤．入射光的光強一定時，入射光頻率越高，光子的能量越大,則單位時間內(nèi)射到金屬表面的光子數(shù)越少，發(fā)生光電效應從金屬表面逸出的光電子數(shù)越少，故B錯誤．根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0可知，hνc＝W0，金屬的極限頻率越大，金屬材料的逸出功越大，故C正確．只要入射光的頻率低于金屬的極限頻率，無論時間多長,無論光的強度多大，都不能發(fā)生光電效應，故D錯誤．三、用圖象表示光電效應的規(guī)律1．Ek－ν圖象根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0，光電子的最大初動能Ek是入射光頻率ν的一次函數(shù),圖象如圖2所示．其橫軸截距為金屬的極限頻率νc，縱軸截距是金屬的逸出功的負值，斜率為普朗克常量h。圖22．I－U圖象光電流I隨光電管兩極間電壓U的變化圖象如圖3所示，圖中Im為飽和光電流，Uc為遏止電壓．利用eq\f（1,2)mvm2＝eUc可得光電子的最大初動能．圖33．Uc－ν圖象遏止電壓與入射光頻率ν的關系圖象如圖4所示:圖中的橫軸截距νc為截止頻率．當入射光頻率大于截止頻率時，遏止電壓Uc隨入射光頻率的增大而增大．圖4例3(多選）在如圖5所示的光電管的實驗中(電源正、負極可以對調(diào)),用同一光電管得到了三條可見光的光電流與電壓之間的關系曲線（圖中的甲光、乙光、丙光）．下列說法中正確的有（）圖5A．只要電流表中有電流通過,光電管中就發(fā)生了光電效應B．同一光電管對不同顏色的單色光有各自不同的截止頻率C．電流表G的電流方向可以是a流向b、也可以是b流向aD．由于甲光和乙光有共同的Uc2，可以確定甲光和乙光是同一種色光答案AD解析由題圖可知,只要電流表中有電流,則有光電子通過電流表,因此一定會發(fā)生光電效應，故A正確；同一金屬，截止頻率是相同的，故B錯誤；由光電管結構可知，光電子由右向左運動，則電流方向是從左向右，即a流向b，故C錯誤；根據(jù)eUc＝Ek＝hν－W0，入射光的頻率越高，對應的遏止電壓Uc越大，甲光、乙光的遏止電壓相等,所以甲光、乙光的頻率相等,即為同種光，故D正確．故選A、D.四、波粒二象性的理解1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應現(xiàn)象、康普頓效應則證明光具有粒子性，因此,光具有波粒二象性，對于光子這樣的微觀粒子只有從波粒二象性出發(fā)，才能統(tǒng)一說明光的各種行為．（2)大量光子產(chǎn)生的效果顯示出光的波動性，少數(shù)光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性，且隨著光的頻率的增大，波動性越來越不顯著，而粒子性卻越來越顯著．2．運動著的實物粒子（如：電子、質(zhì)子等）都有一種波與之對應(物質(zhì)波的波長λ＝eq\f（h,p），頻率ν＝eq\f(ε，h))．3．物質(zhì)波與光波一樣都屬于概率波．概率波的實質(zhì)：粒子在空間分布的概率是受波動規(guī)律支配的．例4(多選)關于光的波粒二象性，正確的說法是（）A．光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著B．光的波長越長，光子的能量越小，波動性越顯著C．頻率高的光子不具有波動性，波長較長的光子不具有粒子性D．個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性答案ABD解析光具有