第1講 光電效應(yīng) 波粒二象性

第十五章原子物理第1講光電效應(yīng)波粒二象性開(kāi)始0102課前基礎(chǔ)落實(shí)——在情境遷移中理清“物理觀(guān)念”課堂提能學(xué)案——在多彩學(xué)法中精準(zhǔn)“扶弱補(bǔ)短”第十五章

原子物理第1講光電效應(yīng)

波粒二象性一、光電效應(yīng)1．光電效應(yīng)現(xiàn)象(1)定義：在光的照射下，金屬中的_____從表面逸出的現(xiàn)象，發(fā)射出來(lái)的電子叫________。(2)產(chǎn)生條件：入射光的頻率_____________金屬的極限頻率。電子光電子大于或等于2．光電效應(yīng)的三條規(guī)律(1)每種金屬都有一個(gè)______頻率，入射光的頻率必須____________這個(gè)極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的_____無(wú)關(guān)，只隨入射光頻率的增大而______。(3)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是______的。極限大于或等于強(qiáng)度增大瞬時(shí)二、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論1．光子說(shuō)(1)在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫作一個(gè)光子，光子的能量ε＝____。(2)普朗克常量：h＝6.63×10－34J·s。2．愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式：Ek＝hν－____。hνW0電子三、光的波粒二象性與物質(zhì)波1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有______性。(2)光電效應(yīng)說(shuō)明光具有______性。(3)光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，稱(chēng)為光的___________性。波動(dòng)粒子波粒二象2．物質(zhì)波(1)概率波：光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運(yùn)動(dòng)遵循波動(dòng)規(guī)律的表現(xiàn)，亮條紋是光子到達(dá)概率____的地方，暗條紋是光子到達(dá)概率____的地方，因此光波又叫概率波。大小微點(diǎn)判斷(1)光子和光電子都是實(shí)物粒子。

()(2)只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，就可以使金屬發(fā)生光電效應(yīng)。

()(3)要想在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)到光電流，入射光子的能量必須大于金屬的逸出功。

()(4)光電子的最大初動(dòng)能與入射光子的頻率成正比。

()(5)光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動(dòng)性。

()(6)德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了量子假說(shuō)，成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。()(7)美國(guó)物理學(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)，證實(shí)了光的粒子性。

()××√×√×√(一)光電效應(yīng)規(guī)律的理解及應(yīng)用(精研點(diǎn))1．與光電效應(yīng)有關(guān)的五組概念對(duì)比(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(lái)的電子，其本質(zhì)是電子。光子是因，光電子是果。(2)光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能：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的情況，才具有最大初動(dòng)能。(3)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達(dá)陽(yáng)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(wú)關(guān)。(4)入射光強(qiáng)度與光子能量：入射光強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量，而光子能量E＝hν。(5)光的強(qiáng)度與飽和光電流：頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光越強(qiáng)，飽和光電流越大，但不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。2．光電效應(yīng)的研究思路(1)兩條線(xiàn)索(2)兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系①入射光強(qiáng)度大→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。3．光電效應(yīng)中三個(gè)重要關(guān)系(1)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0。(2)光電子的最大初動(dòng)能Ek與遏止電壓Uc的關(guān)系：Ek＝eUc。(3)逸出功W0與極限頻率νc的關(guān)系：W0＝

hνc。[考法全訓(xùn)]1．[對(duì)光子說(shuō)的理解](2022·全國(guó)乙卷)一點(diǎn)光源以113W的功率向周?chē)蟹较蚓鶆虻剌椛洳ㄩL(zhǎng)約為6×10－

7m的光，在離點(diǎn)光源距離為R處每秒垂直通過(guò)每平方米的光子數(shù)為3×1014個(gè)。普朗克常量為h＝6.63×10－34J·s。R約為

(

)A．1×102m

B．3×102mC．6×102m D．9×102m答案：B

2．[光電效應(yīng)規(guī)律的研究](2023·衡水高三聯(lián)考)如圖所示為研究光電效應(yīng)的電路圖。開(kāi)關(guān)閉合后，當(dāng)用波長(zhǎng)為λ0的單色光照射光電管的陰極K時(shí)，電流表有示數(shù)。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．若只讓滑片P向D端移動(dòng)，則電流表的示數(shù)一定增大B．若只增加該單色光的強(qiáng)度，則電流表示數(shù)一定增大C．若改用波長(zhǎng)小于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則陰極K的逸出功變大D．若改用波長(zhǎng)大于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則電流表的示數(shù)一定為零答案：B

解析：電路所加電壓為正向電壓，如果電流達(dá)到飽和電流，增加電壓，電流也不會(huì)增大，故A錯(cuò)誤；只增加該單色光的強(qiáng)度，相同時(shí)間內(nèi)逸出的光子數(shù)增多，電流增大，故B正確；金屬的逸出功只與陰極材料有關(guān)，與入射光無(wú)關(guān)，故C錯(cuò)誤；改用波長(zhǎng)大于λ0的單色光照射，雖然光子能量變小，但也有可能發(fā)生光電效應(yīng)，可能有光電流，故D錯(cuò)誤。3．[愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的應(yīng)用](2023·淮安高三模擬)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。所用光子能量為2.75eV的光照射到光電管上時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)，電流表G的示數(shù)不為零，移動(dòng)變阻器的觸點(diǎn)c，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于1.7V時(shí)，電流表示數(shù)為零，則在該實(shí)驗(yàn)中(

)A．光電子的最大初動(dòng)能為1.05eVB．光電管陰極的逸出功為1.7eVC．開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，電流表G示數(shù)為零D．當(dāng)滑動(dòng)觸頭向a端滑動(dòng)時(shí)，電壓表示數(shù)增大答案：D

解析：由題目可知，遏止電壓Uc＝1.7V，最大初動(dòng)能Ek＝eUc＝1.7eV，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)光電效應(yīng)方程可知，逸出功W0＝E－Ek＝1.05eV，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，光電效應(yīng)依然發(fā)生，有光電流，光電管、電流表、滑動(dòng)變阻器構(gòu)成閉合回路，電流表中電流不為零，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電源電壓為反向電壓，當(dāng)滑動(dòng)觸頭向a端滑動(dòng)時(shí)，反向電壓增大，電壓表示數(shù)增大，電流表中電流減小，選項(xiàng)D正確。

(二)光電效應(yīng)的圖像及應(yīng)用(精研點(diǎn))光電效應(yīng)四類(lèi)圖像對(duì)比圖像名稱(chēng)圖線(xiàn)形狀讀取信息最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線(xiàn)①截止頻率(極限頻率)：橫軸截距②逸出功：縱軸截距的絕對(duì)值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線(xiàn)的斜率k＝h遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線(xiàn)①截止頻率νc：橫軸截距②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線(xiàn)的斜率與電子電荷量的乘積，即

h＝ke續(xù)表顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系圖線(xiàn)①遏止電壓Uc：橫軸截距②飽和光電流Im：電流的最大值③最大初動(dòng)能：Ek＝eUcx顏色不同時(shí)，光電流與電壓的關(guān)系圖線(xiàn)①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動(dòng)能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2續(xù)表答案：A

2．[Uc-ν圖像](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(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)直接證明了愛(ài)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(cè)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(xiàn)的斜率為普朗克常量hD．遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比答案：A

3．[同頻率入射光的I-U圖像]紅外測(cè)溫儀的原理是：任何物體的溫度在高于絕對(duì)零度(－273℃)時(shí)都會(huì)向外發(fā)出紅外線(xiàn)，有一種額溫槍通過(guò)紅外線(xiàn)照射到溫度傳感器，發(fā)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，計(jì)算出溫度數(shù)據(jù)。已知人的體溫正常時(shí)能輻射波長(zhǎng)為10μm的紅外線(xiàn)，如圖甲所示，用該紅外線(xiàn)照射光電管的陰極K時(shí)，電路中有光電流產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)得到的電流隨電壓變化的圖像如圖乙所示，已知h＝6.63×10－34J·s，e＝1.6×10－19C，則

(

)A．波長(zhǎng)為10μm的紅外線(xiàn)在真空中的頻率為3×1014HzB．將圖甲的電源反接，一定不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)C．由圖乙數(shù)據(jù)可知，該光電管的陰極金屬逸出功約為0.1eVD．若人體溫度升高，則輻射紅外線(xiàn)的強(qiáng)度減弱，光電管轉(zhuǎn)換成的光電流減小答案：C

4.[不同頻率入射光的I-U圖像比較]在研究光電效應(yīng)中電子的發(fā)射情況與照射光的強(qiáng)弱、光的顏色的關(guān)系時(shí)，將a、b、c三束光照射到同一光電管的陰極上，得到的光電流與電壓的關(guān)系如圖所示，可知

(

)A．a(chǎn)光的頻率高于c光的頻率B．c光的頻率高于b光的頻率C．單位時(shí)間內(nèi)，c光入射的光子數(shù)大于b光入射的光子數(shù)D．a(chǎn)光照射時(shí)逸出光電子的最大初動(dòng)能可能比b光照射時(shí)的大答案：C

解析：由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程得Ek＝hν－W0，其中Ek＝eUc，可以看出遏止電壓與頻率呈線(xiàn)性關(guān)系，頻率越大，遏止電壓越大，所以由圖像可知，a光的頻率等于c光的頻率，c光的頻率低于b光的頻率，故A、B錯(cuò)誤；由圖可得，c光對(duì)應(yīng)飽和光電流大于b光對(duì)應(yīng)的飽和光電流，因?yàn)轱柡凸怆娏髟酱?，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多，且逸出的光電子數(shù)等于入射的光子數(shù)，所以單位時(shí)間內(nèi)c光入射的光子數(shù)大于b光入射的光子數(shù)，故C正確；因?yàn)樽畲蟪鮿?dòng)能為Ek＝eUc，所以a光照射時(shí)逸出光電子的最大初動(dòng)能一定比b光照射時(shí)的小，故D錯(cuò)誤。(三)對(duì)波粒二象性、物質(zhì)波的理解(固基點(diǎn))[題點(diǎn)全練通]1．[粒子性與康普頓效應(yīng)](2023·丹陽(yáng)高三模擬)波粒二象性是微觀(guān)世界的基本特征，以下說(shuō)法正確的是(

)A．電子束通過(guò)雙縫后形成的干涉圖樣可用電子的粒子性解釋B．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)C．康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有波動(dòng)性D．黑體既不反射電磁波，也不向外輻射電磁波答案：B

解析：電子束通過(guò)雙縫后形成的干涉圖樣可用電子的波動(dòng)性解釋?zhuān)x項(xiàng)A錯(cuò)誤；光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，選項(xiàng)B正確；康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；自然界的任何物體都向外輻射電磁波，黑體是一個(gè)理想化的物體，它能吸收各種電磁波而不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，故D錯(cuò)誤。2．[對(duì)粒子性與波動(dòng)性的理解]用很弱的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，把入射光減弱到可以認(rèn)為光源和感光膠片之間不可能同時(shí)有兩個(gè)光子存在，如圖所示是不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上得到的照片。這些照片說(shuō)明

(

)A．光只有粒子性沒(méi)有波動(dòng)性B．光只有波動(dòng)性沒(méi)有粒子性C．少量光子的運(yùn)動(dòng)顯示波動(dòng)性，大量光子的運(yùn)動(dòng)顯示粒子性D．少量光子的運(yùn)動(dòng)顯示粒子性，大量光子的運(yùn)動(dòng)顯示波動(dòng)性答案：D解析：光具有波粒二象性，這些照片說(shuō)明少量光子的運(yùn)動(dòng)顯示粒子性，大量光子的運(yùn)動(dòng)顯示波動(dòng)性，故D正確。3．[對(duì)波粒二象性的理解]關(guān)于光的波粒二象性，正確的說(shuō)法是 (

)A．光的頻率越高，光子的能量越大，波動(dòng)性越顯著B(niǎo)．光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光的能量越小，粒子性越顯著C．頻率高的光子不具有波動(dòng)性，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子不具有粒子性D．個(gè)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(dòng)性答案：D

解析：光具有波粒二象性，但在不同情況下表現(xiàn)不同，頻