第1節(jié)　光電效應(yīng)及其解釋　

第6章波粒二象性第1節(jié)光電效應(yīng)及其解釋核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解光電效應(yīng)現(xiàn)象。(2)知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義。(3)了解康普頓效應(yīng)及其意義。(4)知道光具有波粒二象性?？茖W(xué)思維(1)利用光子說解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。(2)能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析光的波粒二象性。科學(xué)探究通過實(shí)驗(yàn)，了解光電效應(yīng)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)規(guī)律。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任體會量子論的建立對人們認(rèn)識物質(zhì)世界的影響，了解人類認(rèn)識自然的局限性與不斷探索自然的必要性。一、光電效應(yīng)1．光電效應(yīng)：在光的照射下_____從物體表面逸出的現(xiàn)象。2．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)入射光的頻率低于某一頻率時(shí)，不會產(chǎn)生光電效應(yīng)，這一頻率稱為_________。該頻率與___________有關(guān)。(2)從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)間隔的時(shí)間_____，通常在_______內(nèi)。(3)在光照強(qiáng)度不變的情況下，光電流隨電壓增大到一定值后，達(dá)到__________。在光頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流______。電子極限頻率金屬的種類很短10－9s飽和電流越大遏止電壓分立光子能量逸出功最大初動(dòng)能(2)康普頓效應(yīng)在光的散射中，除了與入射波長_______的成分外，還有部分散射光的波長______，波長改變的多少與散射角有關(guān)?？灯疹D效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有______。進(jìn)一步說明了光具有_______。相同變長動(dòng)量粒子性三、光的波粒二象性1．光的波動(dòng)性：英國科學(xué)家_________用光的波動(dòng)理論解釋了光的______現(xiàn)象；法國科學(xué)家_______用光的波動(dòng)理論定量計(jì)算了光的____光強(qiáng)分布；________提出光是一種電磁波。2．光的粒子性：__________和___________說明光具有粒子性，但同時(shí)也體現(xiàn)了波動(dòng)性。托馬斯·楊干涉菲涅耳衍射麥克斯韋光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)3．光的波粒二象性：光子既有_____的特征，又有___的特征。_____用概率波很好地解釋了光的波粒二象性。光的波長較長時(shí)_____性較明顯，光的波長較短時(shí)______性較明顯。1.如圖所示，若利用紫外線燈照射鋅板，無論光的強(qiáng)度如何變化，驗(yàn)電器都有張角，而用紅光照射鋅板，無論光的強(qiáng)度如何變化，驗(yàn)電器總無張角，這說明了什么？提示：金屬能否發(fā)生光電效應(yīng)，決定于照射光的頻率，與照射光的強(qiáng)度無關(guān)。照射光包括可見光和不可見光，其中紫外線的頻率大于紅光頻率。粒子波玻恩波動(dòng)粒子2．下圖是研究光電效應(yīng)的電路圖，在光電管兩端加正向電壓，用一定強(qiáng)度的光照射時(shí)，若增加電壓，電流表示數(shù)不變，而光強(qiáng)增加時(shí)，保持所加電壓不變，電流表示數(shù)會增大，這說明了什么？提示：發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，飛出的光電子個(gè)數(shù)只與光的強(qiáng)度有關(guān)。3．用如圖所示的電路研究光電效應(yīng)的規(guī)律。判斷：(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。

()(2)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)。

()(3)入射光照射到金屬表面上時(shí)，光電子幾乎是瞬時(shí)發(fā)射的。

()××√新知學(xué)習(xí)(一)|與光電效應(yīng)相關(guān)的“五組”概念[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]

如圖是研究光電流與電壓之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)原理圖。若要使電流表的示數(shù)增大，電源的正負(fù)極如何接入？滑動(dòng)變阻器向哪個(gè)方向移動(dòng)？按照上述方向移動(dòng)時(shí)，能否使電流表示數(shù)一直增加？提示：若要使電流表的示數(shù)增大，電源右側(cè)為正極，滑動(dòng)變阻器向右滑動(dòng)，當(dāng)電流達(dá)到飽和時(shí)，繼續(xù)向右移動(dòng)滑片，電流表示數(shù)也不會增加。

[重點(diǎn)釋解]1．光子與光電子光子指光在空間傳播時(shí)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(shí)發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應(yīng)的因，光電子是果。2．光電子的初動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能(1)光照射到金屬表面時(shí)，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(gè)方向運(yùn)動(dòng)，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(dòng)能。(2)只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí)，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動(dòng)能。光電子的初動(dòng)能小于或等于光電子的最大初動(dòng)能。3．光子的能量與入射光的強(qiáng)度光子的能量即一個(gè)光子的能量，其值為ε＝hν(ν為光子的頻率)，可見光子的能量由光的頻率決定。入射光的強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積上的總能量，等于光子能量hν與入射光子數(shù)n的乘積，即光強(qiáng)等于nhν。4．光電流和飽和光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(gè)飽和值，這個(gè)飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。5．光的強(qiáng)度與飽和光電流飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的。對于不同頻率的光，由于每個(gè)光子的能量不同，飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間沒有簡單的正比關(guān)系。[典例體驗(yàn)][典例]

研究光電效應(yīng)的電路如圖所示。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。選項(xiàng)中表示光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖像，正確的是

(

)[解析]頻率相同的光照射同一金屬時(shí)，發(fā)射出的光電子的最大初動(dòng)能相同，所以遏止電壓相同；飽和光電流與光的強(qiáng)度有關(guān)，光的強(qiáng)度越大，飽和光電流越大，故選項(xiàng)C正確。[答案]

C/方法技巧/光電效應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用(1)入射光的頻率相同，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大初動(dòng)能相同，故遏止電壓相同。(2)光電流未達(dá)到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，還與光電管兩極間的電壓有關(guān)，只有在光電流達(dá)到飽和值以后才和入射光的強(qiáng)度成正比。[針對訓(xùn)練]1．當(dāng)光照射在某種金屬表面時(shí)，金屬表面有電子逸出。如果該入射光的強(qiáng)度減弱，頻率不變，則

(

)A．可能不再有電子逸出金屬表面B．單位時(shí)間內(nèi)逸出金屬表面的電子數(shù)減少C．逸出金屬表面的電子的最大初動(dòng)能減小D．從光入射到光電子逸出的時(shí)間間隔延長解析：入射光的頻率不變，則仍然能發(fā)生光電效應(yīng)，A錯(cuò)誤；入射光的強(qiáng)度減弱，單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少，光電流減弱，B正確；入射光的頻率不變，則光電子的最大初動(dòng)能不變，C錯(cuò)誤；光的強(qiáng)弱影響的是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目，并不影響單個(gè)光電子的逸出時(shí)間，D錯(cuò)誤。答案：B

2.

如圖所示為一真空光電管的應(yīng)用電路，關(guān)于電路中光電流的飽和值，下列說法正確的是

(

)A．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，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(shí)，電路中光電流的飽和值取決于入射光的強(qiáng)度C．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電路中光電流的飽和值取決于光電管所加的正向電壓的大小D．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電路中光電流的飽和值取決于入射光的光照時(shí)間解析：若在光電管中發(fā)生了光電效應(yīng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目只與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，光電流的飽和值只與單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目有關(guān)，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案：B

新知學(xué)習(xí)(二)|光電效應(yīng)方程及應(yīng)用[重點(diǎn)釋解]1．光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0的四點(diǎn)理解(1)式中的Ek是光電子的最大初動(dòng)能，就某個(gè)光電子而言，其離開金屬時(shí)剩余動(dòng)能大小可以是0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。(2)光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程①能量為ε＝hν的光子被電子吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)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(shí)動(dòng)能最大，為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0。2．光電效應(yīng)規(guī)律中的兩條線索、兩個(gè)關(guān)系(1)兩條線索(2)兩個(gè)關(guān)系①光強(qiáng)大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大；②光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動(dòng)能大。[典例體驗(yàn)][典例]

如圖所示，陰極K用極限波長λ0＝0.66μm的金屬銫制成，用波長λ＝0.50μm的綠色光照射陰極K，調(diào)整兩極板間電壓，當(dāng)A極板電壓比陰極K高出2.5V時(shí)，光電流達(dá)到飽和，電流表示數(shù)為0.64μA，已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。e＝1.6×10－19C。(1)求每秒陰極K發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極K時(shí)的最大初動(dòng)能；(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(2)如果把照射到陰極K的綠光光照強(qiáng)度增大為原來的2倍，求每秒鐘陰極K發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極K時(shí)的最大初動(dòng)能。[針對訓(xùn)練]1．某種金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示，其中νc為極限頻率。下列說法正確的是

(

)A．逸出功隨入射光頻率的增大而減小B．最大初動(dòng)能Ek與入射光強(qiáng)度成正比C．最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率成正比D．圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān)解析：逸出功是金屬的固有屬性，只與金屬本身有關(guān)，與入射光的頻率無關(guān)，故A錯(cuò)誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，但最大初動(dòng)能與入射光的頻率不是成正比關(guān)系，故B、C錯(cuò)誤；根據(jù)Ek＝hν－W0并結(jié)合圖像可知，Ek-ν圖線的斜率表示普朗克常量，故D正確。答案：D

2．(2022·河北高考)如圖是密立根于1916年發(fā)表的鈉金屬光電效應(yīng)的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實(shí)驗(yàn)曲線，該實(shí)驗(yàn)直接證明了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，并且第一次利用光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定了普朗克常量h。由圖像可知

(

)A．鈉的逸出功為hνcB．鈉的截止頻率為8.5×1014HzC．圖中直線的斜率為普朗克常量hD．遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比新知學(xué)習(xí)(三)|光的波粒二象性[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖所示是對光的本質(zhì)進(jìn)行研究的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。兩幅圖分別是光什么性質(zhì)的代表？說明了什么問題？提示：甲圖是光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)示意圖，它是光的粒子性的代表；乙圖是光的干涉實(shí)驗(yàn)示意圖，它是光的波動(dòng)性的代表。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說明光具有波粒二象性。

[重點(diǎn)釋解]1．光的粒子性的含義愛因斯坦光子說中的“粒子”與牛頓微粒說中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量與光的頻率有關(guān)，光子說并不否定波動(dòng)說。(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。(2)少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性。(3)頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著。2．光的波動(dòng)性的含義光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，它不同于宏觀的波，它是一種概率波。(1)足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)。(2)頻率低、波長長的光，波動(dòng)性特征顯著。3．光的波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一的，光具有波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波動(dòng)性，波動(dòng)性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。(2)只有從波粒二象性的角度，才能統(tǒng)一說明光的各種表現(xiàn)，光的波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一的。[典例體驗(yàn)][典例]關(guān)于光的波粒二象性，下列說法正確的是

(

)A．光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到B．光的頻率越低，粒子性越顯著C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動(dòng)性D．光的波粒二象性否定了光的電磁說[解析]

光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的電磁說，只是說某些情況下粒子性明顯，某些情況下波動(dòng)性明顯，故D錯(cuò)誤。光的頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，波動(dòng)性越不明顯，越不易看到其衍射現(xiàn)象，故A、B錯(cuò)誤。大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，故C正確。[答案]

C[針對訓(xùn)練]1．(多選)人類對光的本性的認(rèn)識經(jīng)歷了曲折的過程。下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實(shí)的是

(

)A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的B．光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光具有波動(dòng)性C．麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波D．光具有波粒二象性解析：牛頓的“微粒說”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動(dòng)性，選項(xiàng)B正確；麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等從而認(rèn)為光是一種電磁波，后來赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說，選項(xiàng)C正確；光具有波動(dòng)性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項(xiàng)D正確。答案：BCD

2．(多選)在驗(yàn)證光的波粒二象性實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是

(

)A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過狹縫，如果時(shí)間足夠長，底片上將出現(xiàn)衍射圖樣B．單個(gè)光子通過狹縫后，底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣C．光子通過狹縫的路線是直線D．光的波動(dòng)性是大量光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律解析：單個(gè)光子表現(xiàn)為粒子性，大量光子表現(xiàn)為波動(dòng)性，可知A、D正確，B錯(cuò)誤；光子表現(xiàn)為波動(dòng)性，通過狹縫的路線是不確定的，C錯(cuò)誤。答案：AD

一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——光電效應(yīng)規(guī)律1．(選自人教版新教材課后練習(xí))在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，小明用同一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲、乙、丙)，如圖所示?；卮鹣旅鎲栴}，并說明理由。(1)甲、乙兩種光的頻率，哪個(gè)大？(2)乙、丙兩種光的波長，哪個(gè)大？(3)乙、丙兩種光所對應(yīng)的截止頻率，哪個(gè)大？(4)甲、丙兩種光所產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能，哪個(gè)大？

科學(xué)思維——光電效應(yīng)方程的應(yīng)用2．(選自滬科版新教材課后練習(xí))當(dāng)用頻率為7.0×1014Hz的紫光分別照射銫、鋅和銀的表面時(shí)，能產(chǎn)生光電效應(yīng)嗎？為什么？若能產(chǎn)生光電效應(yīng)，逸出的光電子的最大動(dòng)能是多大？已知銫、鋅、銀的極限頻率分別為4.55×1014Hz、8.07×1014Hz、11.5×1014Hz。解析：當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，便能發(fā)生光電效應(yīng)，比較可知，只有銫能發(fā)生光電效應(yīng)。根據(jù)hν－h(huán)ν0＝Ekm可得，逸出的光電子的最大動(dòng)能Ekm＝6.63×10－34×(7.0－4.55)×1014J≈1.624×10－19J。答案：銫能發(fā)生光電效應(yīng)，因?yàn)槿肷涔獾念l率大于銫的極限頻率1.624×10－19J二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．很多商店裝有光電