高中物理選修3-5第十七章第58講 光的粒子性 光的波動性

1、第58講光的粒子性光的波動性考情 剖析(注：考綱要求及變化中代表了解和認識，代表理解和應(yīng)用；命題難度中的A代表容易，B代表中等，C代表難)考查內(nèi)容考綱要求及變化考查年份考查形式考查詳情考試層級命題難度光電效應(yīng)10年11年12年選擇考查光電效應(yīng)的遏止電壓與飽和電流的相關(guān)知識填空考查光電效應(yīng)現(xiàn)象規(guī)律及光電效應(yīng)方程計算考查光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件填空考查氫原子能量與其電子離核距離的關(guān)系及利用愛因斯坦光電效應(yīng)方程求電子速度計算以光電子照射金屬發(fā)生光電效應(yīng)為背景，考查光子逸出時的動量及金屬的逸出功的計算重點A或B光的波粒二象性 物質(zhì)波09年計算考查德布羅意波長公式的應(yīng)用非重點A普朗克能量子假說 黑體和黑體輻射

2、11年選擇考查黑體輻射規(guī)律非重點A小結(jié)及預測1.小結(jié)：光電效應(yīng)考查形式多樣，側(cè)重考查對光電效應(yīng)實驗的認識及光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件；光的波粒二象性以計算題形式進行考查，側(cè)重考查光的波粒二象性的現(xiàn)象；黑體和黑體輻射以選擇題形式進行考查，考查黑體輻射的規(guī)律2預測：光電效應(yīng)在10、11、12年均有所考查，預計14年考查的可能性很大，而針對其余的知識點，預計14年會考查其中的某一知識點3復習建議：建議復習時重視光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件及其公式的應(yīng)用，了解光的波粒二象性和物質(zhì)波，了解普朗克公式和黑體輻射的含義. 知識 整合一、黑體輻射1熱輻射：我們周圍的一切物體都在輻射_，這種輻射與物體的_有關(guān)，所以叫做熱輻射2黑

3、體：如果某種物體能夠完全吸收入射光的各種波長的電磁波而不發(fā)生_，這種物體就是_，簡稱黑體3能量子的計算公式是：hh，其是_，h是_，是_，c是_二、光電效應(yīng)1光電效應(yīng)在光(包括不可見光)的照射下從物體表面發(fā)射出電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，發(fā)射出的電子常稱為_2光電效應(yīng)的規(guī)律(1)每種金屬都存在極限頻率，只有入射光頻率_，才會發(fā)生光電效應(yīng)(2)光電子的最大初動能與入射光強度無關(guān)，而隨入射光的_增大而增大(3)從入射光照向金屬到光電子發(fā)射幾乎是_的，一般不超過109 s.(4)飽和光電流與入射光_成正比3光電效應(yīng)與電磁波理論的矛盾(1)光的能量與頻率有關(guān)，而不像波動理論中應(yīng)由_決定(2)電子吸收光的能量

4、是_完成的，而不像波動理論所預計的那樣可以逐漸積累4愛因斯坦的光子說在普朗克提出的電磁波的能量是不連續(xù)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦提出了_說，即空間傳播著的光是一份一份的，每一份叫一個光子，一個光子的能量為Eh，為光的頻率三、光的波粒二象性1光電效應(yīng)說明光具有_性，同時光還具有_性，即光具有波粒二象性2大量光子運動的規(guī)律表現(xiàn)出光的_性，單個光子的運動表現(xiàn)出光的_性3光的波長越長，_越明顯，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；光的越率越高，_越明顯，穿透本領(lǐng)越強四、德布羅意波任何一個運動的物體，都有一種波與之對應(yīng)，其波長為_宏觀物體也存在波動性，只是波長太短，難以觀測1光電效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生條件(1)要使金屬發(fā)射光電

5、子，入射光頻率必須大于金屬的極限頻率，反之，無論入射光強度多強，照射時間多長，都不發(fā)射光電子(2)逸出光電子最大初動能隨入射光頻率增大而增大，而與入射光強度無關(guān)2正確理解光電效應(yīng)方程(1)逸出功是指電子從金屬表面直接逸出需要克服原子核引力做功的最小值，電子從金屬中逸出消耗能將大于等于逸出功，而逸出光電子初動能小于等于最大初動能(2)逸出光電子最大初動能隨入射光頻率增大而增大，但不是成正比關(guān)系(3)單位時間內(nèi)逸出光電子與單位時間入射光電子數(shù)成正比【典型例題1】 用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是() A改用頻率更小的紫外線照射 B改用X射線照射 C改用強度

6、更大的原紫外線照射 D延長原紫外線的照射時間溫馨提示解答本題時應(yīng)理解能否使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)只由光的頻率決定，入射光頻率大于極限頻率記錄空間【變式訓練1】 對光電效應(yīng)的解釋正確的是() A金屬鈉的每個電子可以吸收一個或一個以上的光子，當它積累的動能足夠大時，就能逸出金屬 B如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應(yīng) C發(fā)生光電效應(yīng)時，入射光越強，光子的能量就越大，光電子的最大初動能就越大 D由于不同金屬的逸出功是不相同的，因此使不同金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)入射光的最低頻率也不同1對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋對應(yīng)規(guī)律對規(guī)律的產(chǎn)生的解釋存在極限頻率0電子從金屬表

7、面逸出，首先必須克服金屬原子核的引力做功W0，要使入射光子的能量不小于W0，對應(yīng)的頻率0，即極限頻率光電子的最大初動能隨著入射光頻率的增大而增大，與入射光強度無關(guān)電子吸收光子能量后，一部分克服阻礙作用做功，剩余部分轉(zhuǎn)化為光電子的初動能，只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大初動能，對于確定的金屬，W0是一定的，故光電子的最大初動能只隨入射光的頻率增大而增大具有瞬時性光照射金屬時，電子吸收一個光子的能量后，動能立即增大，不需要能量積累的過程光較強時飽和電流大光較強時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大2Ek曲線(如圖所示)由Ek曲線可以得到的物理量(1)極限頻率：圖

8、線與軸交點的橫坐標c.(2)逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值W0E.(3)普朗克常量：圖線的斜率kh.3解決光電效應(yīng)問題的兩條線索(1)光的頻率判斷能否發(fā)生光電效應(yīng)：入射光的頻率大于或等于金屬的極限頻率c，就能發(fā)生光電效應(yīng)求解光電子的最大初動能：mvhW.求解極限頻率：c.光的頻率高E大光電子最大初動能Ekm大(2)光的強度：在能產(chǎn)生光電效應(yīng)的情況下，光的強度大光子數(shù)目多產(chǎn)生光電子多光電流大(3)兩條線索的關(guān)系照射光光電子【典型例題2】如圖所示，當電鍵S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)不為零合上電鍵，調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.60 V時，電流

9、表讀數(shù)仍不為零；當電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時，電流表讀數(shù)為零(1)求此時光電子的最大初動能的大小(2)求該陰極材料的逸出功溫馨提示解答本題時應(yīng)對光電子的最大初動能有正確的理解，綜合應(yīng)用動能定理和光電效應(yīng)方程易解本題記錄空間【變式訓練2】 某同學采用如圖所示的實驗裝置來研究光電效應(yīng)現(xiàn)象當用某單色光照射光電管的陰極K時，會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象現(xiàn)分別用頻率為1和2的單色光照射陰極，測量到反向遏止電壓分別為U1和U2，設(shè)電子的質(zhì)量為m，電荷量為e，則下列關(guān)系式不正確的是() A用頻率為1的光照射時，光電子的最大初速度vm B陰極K金屬的逸出功W0h1eU1 C陰極K金屬的極限頻率c D普朗克常量h

10、對光的波粒二象性的進一步說明光既有波動性，又有粒子性，兩者不是孤立的，而是有機的統(tǒng)一體，其表現(xiàn)規(guī)律為：(1)從數(shù)量上看：個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)為波動性(2)從頻率上看：頻率越低波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高粒子性越顯著，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，貫穿本領(lǐng)越強(3)從傳播與作用上看：光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性(4)波動性與粒子性的統(tǒng)一：由光子的能量Eh，光子的動量p表達式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量頻率和波長.(5)

11、理解光的波粒二象性時不可把光當成宏觀概念中的波，也不可把光當成宏觀概念中的粒子【典型例題3】 在驗證光的波粒二象性的實驗中，下列說法正確的是() A使光子一個一個地通過單縫，如果時間足夠長，底片上會出現(xiàn)衍射圖樣 B單個光子通過單縫后，底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣 C光子通過單縫的運動路線像水波一樣起伏 D單個光子通過單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)出隨機性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性溫馨提示正確理解光的波粒二象性后易得本題正確答案記錄空間【變式訓練3】 在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95%以上假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，那么該光子() A一定落在中央亮紋處

12、 B一定落在亮紋處 C可能落在暗紋處 D落在中央亮紋處的可能性最大 隨堂 演練1光電效應(yīng)的實驗結(jié)論是：對于某種金屬() A無論光強多強，只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng) B無論光的頻率多低，只要光照時間足夠長就能產(chǎn)生光電效應(yīng) C超過極限頻率的入射光強度越弱，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越小 D超過極限頻率的入射光頻率越高，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越大2.第2題圖黑體輻射的實驗規(guī)律如圖所示，由圖可知() A隨溫度升高，各種波長的輻射強度都有增加 B隨溫度降低，各種波長的輻射強度都有增加 C隨溫度升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動 D隨溫度降低，輻射強度的極大值向波長較長的方

13、向移動3在中子衍射技術(shù)中，常利用熱中子研究晶體的結(jié)構(gòu)，因為熱中子的德布羅意波長與晶體中原子間距相近，已知中子質(zhì)量m1.67×1027 kg，普朗克常量h6.63×1034 J·s，可以估算德布羅意波長1.82×1010 m的熱中子動能的數(shù)量級為() A1017 J B1019 J C1021 J D1024 J4(1)研究光電效應(yīng)的電路如圖所示，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()第4題圖(2)鈉金屬中的電子吸收光子

14、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，其能量的大小_(選填“增大”、“減小”或“不變”)，原因是_5用不同頻率的光照射某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，測量金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率，得到Uc圖象如圖，根據(jù)圖象求出該金屬的截止頻率c_Hz，普朗克常量h_J·s.(已知電子電量e1.6×1019C)第5題圖6某種金屬的逸出功是3 eV，用波長為500 nm的綠光照射該金屬能否發(fā)生光電效應(yīng)？用波長為400 nm的紫光照射能否發(fā)生光電效應(yīng)？光電子的最大初動能是多少？7.第7題圖如圖所示，一光電管的陰極用極限波長05 000 Å的鈉制成用波長3 000

15、Å的紫外線照射陰極，光電管陽極A和陰極K之間的電勢差U2.1 V，飽和光電流的值(當陰極K發(fā)射的電子全部到達陽極A時，電路中的電流達到最大值，稱為飽和光電流)I0.56 A.(1)求每秒鐘內(nèi)由K極發(fā)射的光電子數(shù)目；(2)求電子到達A極時的最大動能；(3)如果電勢差U不變，而照射光的強度增到原來的三倍，此時電子到達A極時最大動能是多大？(普朗克常量h6.63×1034 J·s)第58講光的粒子性光的波動性知識整合基礎(chǔ)自測一、1.電磁波溫度2.反射絕對黑體3.頻率普朗克常量波長真空中的光速二、1.光電子2.(1)等于或大于極限頻率(2)頻率(3)瞬時(4)強度3.(1

16、)振幅(2)瞬時4.光子三、1.粒子波動2.波動粒子3.波動性粒子性四、重點闡述【典型例題1】 用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是() A改用頻率更小的紫外線照射 B改用X射線照射 C改用強度更大的原紫外線照射 D延長原紫外線的照射時間【答案】B【解析】 每一種金屬對應(yīng)一個極限頻率，低于極限頻率的光，無論照射時間有多長，光的強度有多大，都不能使金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，只要照射光的頻率大于極限頻率，就能產(chǎn)生光電效應(yīng)因為X射線的頻率高于紫外線的頻率，所以改用X射線照射可能發(fā)生光電效應(yīng)，B選項正確變式訓練1BD【解析】 按照愛因斯坦的光子說，光的能量是由光的頻率決定

17、的，與光強無關(guān)，入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應(yīng)時產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大但要使電子離開金屬須使電子具有足夠的動能，而電子增加的動能只能來源于照射光的光子能量，但電子只能吸收一個光子，不能吸收多個光子，否則即使光的頻率低，照射時間足夠長，也會發(fā)生光電效應(yīng)電子從金屬逸出時只有從金屬表面外逃出的電子克服原子核的引力所做的功最小【典型例題2】如圖所示，當電鍵S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)不為零合上電鍵，調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.60 V時，電流表讀數(shù)仍不為零；當電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時，電流表讀數(shù)為零(1)求此時光電子的最大初動能的大小

18、(2)求該陰極材料的逸出功【答案】(1)0.6 eV(2)1.9 eV【解析】 設(shè)用光子能量為2.5 eV的光照射時，光電子的最大初動能為Ek，陰極材料逸出功為W0，當反向電壓達到U0.60 V以后，具有最大初動能的光電子達不到陽極，因此eUEk由光電效應(yīng)方程得：EkhW0由以上兩式得：Ek0.6 eV，W01.9 eV.【點評】應(yīng)用光電效應(yīng)方程時的注意事項(1)每種金屬都有一個截止頻率，光頻率大于這個截止頻率才能發(fā)生光電效應(yīng)(2)截止頻率是發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率，對應(yīng)著光的極限波長和金屬的逸出功，即h0hW0.(3)應(yīng)用光電效應(yīng)方程EkhW0時，注意能量單位電子伏和焦耳的換算(1 eV1.6

19、×1019J)變式訓練2C【解析】 當用頻率為1的光照射光電管的陰極時，發(fā)生光電效應(yīng)，在U1作用下，具有最大初動能的光電子也沒能到達陽極，則由動能定理有EkmmveU1，則vm，選項A正確；由愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkmhW0知，當用頻率為1的光照射時有W0h1Ekmh1eU1，選項B正確；用頻率分別為1和2的光照射時，有Ek1eU1h1W0，Ek2eU2h2W0，聯(lián)立可得h，選項D正確；由W0hc和W0h1eU1知，陰極K的極限頻率c1，代入h得c，顯然選項C錯誤故不正確的是選項C.【典型例題3】 在驗證光的波粒二象性的實驗中，下列說法正確的是() A使光子一個一個地通過單縫，如果時

20、間足夠長，底片上會出現(xiàn)衍射圖樣 B單個光子通過單縫后，底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣 C光子通過單縫的運動路線像水波一樣起伏 D單個光子通過單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)出隨機性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性【答案】AD【解析】 根據(jù)光的波粒二象性易知，A、D正確，B、C錯誤變式訓練3CD【解析】根據(jù)光是概率波的理論，一個光子通過單縫落在何處，是不確定的，但落在中央明條紋區(qū)域的概率最大，也有可能落在其他亮條紋和暗條紋處，但落在暗條紋處的概率極小隨堂演練1.AD【解析】 本題考查對光電效應(yīng)的產(chǎn)生和規(guī)律的理解只有當入射光的頻率大于極限頻率時才會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，且光電子的最大初動能mv2h

21、W只取決于頻率，與光的強度無關(guān)A、D正確，B、C錯誤2.ACD【解析】 由題圖可知，隨溫度升高，各種波長的輻射強度都有增加，且輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，當溫度降低時，上述變化都將反過來，故A、C、D正確，B錯誤3.C【解析】 本題考查物質(zhì)波知識及數(shù)量級估算能力由得p，而EkJ4.0×1021J.4.(1)C(2)減小光電子從金屬表面逸出過程中要受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)【解析】 (1)由愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0和動能定理eUc0Ek可得Uc，遏止電壓Uc與入射光的頻率有關(guān)，與光強無關(guān)由發(fā)生光電效應(yīng)的規(guī)律可知，光電流與光的強度有關(guān)，光越強，光電流越強，所以選項C正確(2)鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，由于光電子在從金屬表面逸出過程中，要受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)，所以在光電子從金屬表面逸出的過程中，其能量減小5.5.0×10146.4×1034【解析】 光電子的最大初動能Ek與遏止電Uc的關(guān)系為EkeUc