2020-2021學(xué)年高二物理人教版選修3-5學(xué)案：第十七章 第2節(jié) 光的粒子性 Word版含解析

1、第2節(jié)光的粒子性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理解光電效應(yīng)方程及其意義，會用愛因斯坦光電效應(yīng)方程分析有關(guān)問題，了解愛因斯坦光子說的提出過程，感受實驗探究在物理學(xué)發(fā)展中的作用。3會用圖象描述光電效應(yīng)有關(guān)物理量之間的關(guān)系，能利用圖象求最大初動能、截止頻率和普朗克常量。4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)的實驗規(guī)律1光電效應(yīng)：在光的照射下金屬發(fā)射電子的現(xiàn)象，發(fā)射出來的電子叫做光電子。2光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(1)存在飽和電流。(2)存在遏止電壓和截止頻率。(3)光電效應(yīng)具有瞬時性。二、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程1光子說：光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而

2、且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，這些能量子被稱為光子，頻率為的光的能量子的能量為h。2愛因斯坦光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式：hekw0或ekhw0。(2)物理意義：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)為逸出后電子的初動能ek。三、康普頓效應(yīng)1光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒的相互作用，使光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。2康普頓效應(yīng)：在光的散射中，散射光中除了與入射光波長相同的成分外，還有波長更長的成分的現(xiàn)象。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康普頓效應(yīng)解釋：光子的動量p。當(dāng)入射光

3、子與晶體中的電子碰撞時，要把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，因此有些光子散射后波長變長。判一判(1)不同頻率的光照射到同一金屬表面發(fā)生光電效應(yīng)時，光電子的初動能可能相同，但最大初動能一定不同。()(2)用光照射光電管能發(fā)生光電效應(yīng)，若給光電管加正向電壓時，光電流隨電壓的增大會一直增大，加反向電壓時，光電流隨電壓增大而逐漸減小至0。()(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)。()(4)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比。()提示：(1)(2)×(3)(4)×想一想(1)驗電器開始帶負(fù)電并與鋅板相連，當(dāng)用紫外線燈照射時，驗電器夾角如何變化？提示：驗電器夾角會先減小，待

4、負(fù)電荷完全中和后，驗電器會因帶正電張角再次變大。(2)光電效應(yīng)中的“光”是不是特指可見光？提示：不是，也包括不可見光。(3)怎樣從能量守恒角度理解愛因斯坦光電效應(yīng)方程？提示：愛因斯坦光電效應(yīng)方程中h是入射光子的能量，逸出功是w0，ek是光子的最大初動能，其關(guān)系為電子獲得的能量等于逸出功與光電子的最大初動能之和。因此愛因斯坦光電效應(yīng)方程符合能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律。課堂任務(wù)對光電效應(yīng)的理解1光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件入射光的頻率大于金屬的極限頻率。2光電效應(yīng)的規(guī)律(1)每種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于這個截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。(2)光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大

5、而增大。(3)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的，一般不超過109 s。(4)當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時，飽和光電流的強度與入射光的強度成正比。3光電效應(yīng)中五組易混淆的概念(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電，光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應(yīng)的原因，光電子是光電效應(yīng)的結(jié)果。(2)光電子的動能與光電子的最大初動能：光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具

6、有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。(3)光子的能量與入射光的強度：光子的能量即每個光子的能量，其值為h(為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定。對于同種顏色(頻率相同)的光，光較強時，單位體積內(nèi)包含的光子數(shù)較多。(4)光電流和飽和電流：金屬板飛出的光電子到達(dá)陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和電流，在一定的光照條件下，飽和電流與所加電壓大小無關(guān)。(5)光的強度與飽和電流：當(dāng)入射光頻率一定時，入射光越強，飽和電流越大。例1(多選)下列對光電效應(yīng)的解釋正確的是()a金屬內(nèi)的每個電子要吸收一個或一個以上的光子，當(dāng)它積累的能量足

7、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同的，因此使不同金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最小頻率也不同(1)發(fā)生光電效應(yīng)的條件是什么？提示：入射光的頻率大于截止頻率。(2)光子的能量由什么決定？與光的強弱有關(guān)嗎？提示：由h可知，光子能量取決于光的頻率，與光的強弱無關(guān)。規(guī)范解答根據(jù)愛因斯坦的光子說，光子的能量是由光的頻率決定的，與光的強弱無關(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。要使電子離開金屬，必須使電

8、子具有足夠的動能，而電子的動能只能來源于入射光的光子能量，但每個電子只能吸收一個光子，不能吸收多個光子。因此當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時，即使照射時間足夠長，也不會發(fā)生光電效應(yīng)。電子從金屬中逸出時，只有從金屬表面向外逸出的電子克服原子核的引力所做的功最小，這個最小值稱為逸出功，不同金屬的逸出功不同。故答案為b、d。完美答案bd光電效應(yīng)中的兩個決定關(guān)系(1)逸出功w0一定時，入射光的頻率決定著能否發(fā)生光電效應(yīng)以及光電子的最大初動能。(2)入射光的頻率一定時，入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù)。利用光電管研究光電效應(yīng)實驗如圖所示，用頻率為的可見光照射陰極k，電流表中有電流通過，則()a

9、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，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)，故b錯誤；即使uak0，電流表中也有電流，故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(dá)陽極a時，電流達(dá)到最大，即飽和電流。若在滑動前，電流已經(jīng)達(dá)到飽和

10、電流，那么即使增大uak，光電流也不會增大，故d正確。課堂任務(wù)光電效應(yīng)方程1光電效應(yīng)方程ekhw0的理解(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：ekhw0。h：光子的能量。w0：逸出功，即從金屬表面直接飛出的光電子克服表面層內(nèi)的力的阻礙所做的功。ek：光電子的最大初動能。電子吸收光子后從金屬中逸出時除了要做逸出功外，有時還要克服原子的其他束縛而做功，這時光電子的初動能就比ek小。(2)光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程。能量為h的光子被電子所吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引做功，另一部分就是電子離開金屬表面時的動能。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)

11、能量守恒定律可知：ekhw0。(3)光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件。若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動能必須大于零，即ekhw0>0，亦即h>w0，>c，而c恰好是光電效應(yīng)的截止頻率。(4)ek­圖線。如圖所示是光電子最大初動能ek隨入射光頻率的變化圖線。橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率；縱軸上截距的絕對值是逸出功w0；直線的斜率kh，h為普朗克常量。2光子說對光電效應(yīng)的解釋(1)飽和電流與光強關(guān)系：一定頻率的光，光照強度越大，包含的光子數(shù)越多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子越多，因而飽和電流越大。(2)存在截止頻率和遏止電壓：愛因斯坦光電效應(yīng)方程表明光電子的最大初動

12、能與入射光頻率成線性關(guān)系，與光強無關(guān)，所以遏止電壓由入射光頻率決定，與光強無關(guān)。光電效應(yīng)方程同時表明，只有h>w0時，才有光電子逸出，c就是光電效應(yīng)的截止頻率。(3)光電效應(yīng)具有瞬時性：電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流幾乎是瞬時產(chǎn)生的。例2用波長為2.0×107 m的紫外線照射鎢的表面，釋放出來的光電子中最大的初動能是3.7×1019 j。由此可知，鎢的極限頻率約為(普朗克常量h6.63×1034 j·s，光速c3.0×108 m/s)()a5.5×1014 hz b7.9×1014 hzc9

13、.4×1014 hz d1.2×1015 hz(1)金屬的極限頻率與逸出功存在什么關(guān)系？提示：c。(2)光電子的最大初動能與入射光頻率有什么關(guān)系？提示：ekhw0。規(guī)范解答由光電效應(yīng)方程ekhw0，紫外線的頻率為，逸出功w0hc，聯(lián)立可得c9.4×1014 hz，故c正確。完美答案c1利用光電效應(yīng)規(guī)律解題的技巧(1)光電流的飽和值對應(yīng)從陰極發(fā)射出的電子全部被吸引到陽極的狀態(tài)。光電流未達(dá)到飽和值之前，光電流的大小不僅與入射光的強度有關(guān)，還與光電管兩極間的電壓有關(guān)。(2)光電效應(yīng)方程研究的是最大初動能與照射光頻率之間的關(guān)系，要注意區(qū)別光電子的動能和最大初動能。(3)發(fā)生光電效應(yīng)的條件是照射光的頻率不低于金屬的截止頻率，與照射光的強度無關(guān)。2光電效應(yīng)的四類圖象解讀(多選)如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線，圖線與橫軸的交點坐標(biāo)為4.27，