高中物理科學的轉(zhuǎn)折：光的粒子性學案新人教版選修

1、科學的轉(zhuǎn)折：光的粒子性知識點一：光電效應現(xiàn)象 光電效應：在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應，發(fā)射出來的電子叫做光電子。 說明：(1)光電效應的實質(zhì)是光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象。 (2)定義中的先包括可見光和不可見光。知識點二：光電效應規(guī)律 1遏止電壓：使光電流減小到零時的反向電壓U。稱為遏止電壓。 2截止頻率：能使某種金屬發(fā)生光電效應的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率)。 注意：不同的金屬對應著不同的極限頻率。 3逸出功：電子從金屬中逸出所需做功的最小值，叫做該金屬的逸出功。 知識點三：愛因斯坦光電效應方程 1光子說：在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子

2、，簡稱光子，光子的能量E=h。 2光電效應方程：Ek= h-Wo。 Ek為光電子的初動能，Wo為金屬的逸出功。 知識點四：康普頓效應 1光的散射：由于光在介質(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，叫做光的散射。 2康普頓效應：在光的散射中，除有與入射波長0相同的成分外，達有波長大于。的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應。 注意：(1)在光的散射中，光于不僅具有能量，也具有動量，在與其他微粒作用過程中遵守能量守恒和勸量守恒。 (2)光電效應和康普頓效應都說明光具有粒子性。 3；光子的動量：p=h/。 知識點五：光子的動量根據(jù)狹義相對論可知： E=mc2，m=E/c2。 光子的能量E=h

3、，動量的定義p=mc=hv/c2=hv/。 根據(jù)波長頻率和波速關(guān)系公式c/v=， 所以說量子的動量為p=h/。式中h為普朗克常數(shù)，為光波的波長。拓展點一：光電效應規(guī)律的理解 1光電效應規(guī)律 (1)任何種金屬都有一個截止頻率或極限頻率。，入射光的頻率必須大于。才能發(fā)生光電效應。 (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而增大。 (3)光電效應的發(fā)生是瞬時的，不超過10-9s。 (4)發(fā)生光電效應時，入射光越強，飽和光電流越大，逸出的光電子數(shù)越多，逸出電子的數(shù)目與入射光的強度成正比。 2對光電效應的理解 (1)入射光的強度：指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的光子的總能量

4、，是由入射光子數(shù)和入射光子的頻率決定的。可用p=nhv表示，其中n為單位時間內(nèi)的光子數(shù)。 (2)在入射光頻率不變的情況下，光的強度與單位時間內(nèi)照射到金屬表面上單位面積的光子數(shù)成正比。 (3)對于不同頻率的入射光，即使光的強度相等，在單位時間內(nèi)照射到金屬單位面積的光子數(shù)也不相同，從金屬表面逸出的光電子數(shù)不同，形成的光電流不同。 (4)飽和光電流：指光電流的最大值(即飽和值)，在光電流未達到最大值之前，因光電子尚未全部形成光電流，所以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)，電壓越大，被吸引變成光電流的光電子越多。 (5)飽和光電流與入射光的強度成正比：在入射光頻率不變的情況

5、下，光電流的最大值與入射光的強度成正比。原因是在高電壓下光電子個數(shù)決定了光電流大小，而電子個數(shù)決定于入射光強度?！邦l率高，光子能量大，光就強，產(chǎn)生的光電流也強”、“光電子的初動能大，電子跑得快，光電流就強”等說法均是錯誤的。 總之，在理解光電效應規(guī)律時應特別注意以下幾個關(guān)系：照射光頻率決定著是否產(chǎn)生光電效應以及發(fā)生光電效應時光電子的最大初動能。 照射光強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的電子數(shù)拓展點二：經(jīng)典波動理論與光電效應的矛盾 矛盾之一：光的能量與頻率有關(guān)，而不像波動理論中應由振幅決定。 經(jīng)典波動理論認為，光是一種電磁波，光的強度取決于振幅大小，振幅越大，光就越強；金屬在光的照射下，其中的自由電

6、子就會由于受到光的變化著的電磁場作用而做受迫振動。無論照射光的頻率如何，只要光足夠強，自由電子受迫振動的振幅就會足夠大，電子的能量就會越來越大，最后電子就會克服金屬內(nèi)正電荷的束縛飛出金屬表面，而成為光電子，即發(fā)生光電效應。 因此，按照經(jīng)典電磁理論，金屬能否發(fā)生光電效應應取決于光的強度，與光的頻率無關(guān)，任何金屬都不應存在極限頻率，而實驗事實卻恰恰相反。 矛盾之二：光電效應產(chǎn)生的時間極短，電子吸收光的能量是瞬間完成的，而不像波動理論所預計的那樣可能逐漸積累。 如果光的強度很微弱，則在光開始照射到光電子的發(fā)射之間有一個可測的滯后時間，在這段時間內(nèi)電子應當從光束中不斷吸收能量，一直到所積累的能夠足夠使

7、它逸出金屬表面為止。以逸出功約為20eV的鉀為例，將一塊鉀薄片放在離單色光源3m遠外，光源舶功率輸出為1W，如果光源沿各個方向均勻輻射，則光束投射到一個半徑為原子半徑的圓面積上的功率為(鉀原子半徑約為05x10lOm)：P=7X1023J/s。 假定通過圓面積的全部能量都被電子所吸收，則電子逸出表面所需的時間為t=4571s。 這顯然與光電效應的瞬間性規(guī)律存在著嚴重的矛盾。 既然光電效應與傳統(tǒng)的波動理論存在著如此巨大的矛盾，因此，這種理論不適用于微觀粒子的運動。拓展點三：光子說對光電效應規(guī)律的解釋 1由于光的能量是一份一份的，那么金屬中的電子也只能一份一份的吸收光子的能量，而且這個傳遞能量的過

8、程只能是一個光子對一個電子的行為。如果光的頻率低于極限頻率，則光子提供電子的能量不是以克服原子的束縛，就不能發(fā)生光電效應。 2當光子的頻率高于極限頻率時，能量傳遞給電子后，電子擺脫束縛要消耗一部分能量，剩余的能量以光電子的動能形式存在。這樣光電子的最大初動能Ekm=mvm2/2=hvwo，其中wo為金屬的逸出功，可見光的頻率越高，電子的初動能越大。 3電子接收能量的過程極其短暫，接收能量后的瞬間即掙脫束縛，所以光電效應的發(fā)生也幾乎是瞬間的。 4發(fā)生光電效應時，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)與光強度成正比，光強度越大意味著單位時間內(nèi)打在金屬上的光子數(shù)越多，那么逸出的光子數(shù)目也就越多。拓展點四：光電效應

9、曲線 1Ekmv曲線 如圖甲所示的是光電子最大初動能Ekm隨入射光頻率v的變化曲線。這里，橫軸上的截距，是陰極金屬的截止頻率或極限頻率；縱軸上的截距，是陰極金屬的逸出功負值；斜率為普朗克常量。 2Iv曲線如圖乙所示的是當電流I隨光電管兩極板間電壓U的變化曲線，圖中Im為飽和光電流，Uc為遏止電壓。拓展點五：光電管的構(gòu)造及工作原理 利用光電效應可以將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，在實際中應用最多的是光電管。 光電管的種類很多，如圖甲、乙所示是有代表性的一種，玻璃泡里的空氣已抽出，有時管內(nèi)充有少量的惰性氣體。管的內(nèi)半壁涂有逸出功小的堿金屬作陰極K，管內(nèi)另有一陽極A，使用時采用如圖丙所示的電路。 注意：當光照

10、射到陰極K上時，由于發(fā)生光電效應；就有電子從陰極上發(fā)射出來，在電場力作用下到達陽極A，因而電路中就有電流流過。照射光的強度不同，陰極發(fā)射的電子數(shù)不同，電路中的電流就不同。因此利用光電管可將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光電管產(chǎn)生的光電流很弱，應用時可用放大器進行放大。 利用光電管可以實現(xiàn)自動化控制，制作有聲電影，實現(xiàn)無線電傳真，自動計數(shù)等。拓展點六：光子說對康普頓效應的解釋 假定X射線光子與電子發(fā)生完全彈性碰撞，這種碰撞跟臺球比賽中的兩球碰撞很相似。按照愛因斯坦的光子說，一個X射線光子不僅具有能量E=hv，而且還有動量。如圖所示。這個光子與靜止的電子發(fā)生彈性斜碰，光子把部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，能量由hv減

11、小為hv，因此頻率減小，波長增大。同時，光子還使電子獲得一定的動量。這樣就圓滿地解釋了康普頓效應。問題一 光電效應現(xiàn)象 1 光電效應實驗的裝置如圖所示，用弧光的燈照射鋅板，驗電器指針張開一個角度。則下面說法中正確的是( ) A用紫外光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) B用綠色光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) C鋅板帶的是負電荷 D使驗電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷 解析 將擦得很亮的鋅板連接驗電器，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗電器指針張開一個角度，說明鋅板帶了電。進一步研究表明鋅板帶正電，這說明在紫外光的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出來，鋅板中缺少電子，于是帶正電，A、D選項正

12、確。綠光不能使鋅板發(fā)生光電效應。 答案 AD 點評 明確驗電器指針張開角度的原因是因為紫光能使鋅板發(fā)生光電效應。問題二 光電效應規(guī)律 2 入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，那么 ( ) A從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加 B選出的光電子的最大初動能將減小 C單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減小 D有可能不發(fā)生光電效應解析 根據(jù)光電效應的實驗規(guī)律知，從光照至金屬表面到光電子發(fā)射的時間間隔極短，這與光的強度無關(guān)，故A錯誤。實驗規(guī)律還指出，逸出光電子的最大初動能與入射光頻率有關(guān)，光電流與入射光強度成正比，由此可知，B、D錯誤，C正

13、確。答案 C 3 一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應，則下列說法中正確的是 ( ) A若增加綠光的照射強度，則逸出的光電子數(shù)增加 B若增加綠光的照射強度，則逸出的光電予最大初動能增加 C若改用紫光照射，則可能不會發(fā)生光電效應 D若改用紫光照射，則逸出的光電子的最大初動能增加解析 光電效應的規(guī)律表明：入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應以及發(fā)生光電效應時產(chǎn)生的光電子的最大初動能的大小；當入射光頻率增加后，產(chǎn)生的光電子最大初動能也增加；而照射光的強度增加，會使單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加，紫光頻率高于綠光，故上述選項正確的有A、D。答案 AD 問題三 對光電效應規(guī)律的解釋 4 已知能使某金屬產(chǎn)生光電效

14、應的極限頻率為v。，則下列說法正確的是 ( ) A當用頻率為2 v。的單色光照射該金屬時，一定能產(chǎn)生光電予 B當用頻率為2 v。的單色光照射該金屬時，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能為h v。， C當照射光的頻率v大于v。時，若v增大，則逸出功增大 D當照射光的頻率v大于v。時，若v增大一倍，則光電子的最大初動能也增大一倍解析 本題考查對光電效應現(xiàn)象，對逸出功概念的理解、對光電效應方程的應用。該金屬的極限頻率為v。，則可知逸出功Wo=hv。，逸出功由金屬自身性質(zhì)決定，與照射光的頻率無關(guān)，因此C選項錯誤，由光電效應的規(guī)律可知A正確，由光電效應方程Ekm=hvWo，將Wo=hvo代入可知B正確，D錯誤，

15、因此本題正確選項為A、B。答案 AB點評 光電效應的實驗規(guī)律是本節(jié)考查的重點之一，要牢記光電效應發(fā)生的條件及光子說對規(guī)律的解釋。 5 用同一束單色光，在同一條件下，先后照射鋅片和銀片，都能產(chǎn)生光電效應。在這兩個過程中，對下列四個量，一定相同的是 ，可能相同的是 ，一定不相同的是 。 A。光子的能量 B金屬的選出功 C。光電子動能 D。光電子最大初動能解析 光子的能量由光頻率決定，同一束單色光頻率相同，因而光子能量相同，逸出功等于電子脫離原子核束縛需要做的最少的功，因此只由材料決定，鋅片和銀片的光電效應中，光電子的逸出功一定不相同。由Ekm=hvWo，照射光子能量hv相同，逸出功W不同，則電子最

16、大初動能不同。 由于光電子吸收光子后到達金屬表面的路徑不同，途中損失的能量也不同，因而脫離金屬時的初動能分布在零到最大初動能之間。所以，在兩個不同光電效應的光電子中，有時初動能是可能相等的。答案 A C BD 問題四 光電效應方程及應用 6 已知金屬銫的極限波長為066 m，用050m的光照射銫金屬表面發(fā)射光電子的最大初動能為多少焦耳?銫金屬的逸出功為多少焦耳？解析 本題考查對愛因斯坦質(zhì)能方程及逸出功的計算。要明確極限波長的含義，并且注意c=的使用。答案 銫的逸出功為Wo=hvo=hc/。 將已知條件代人上式可得W=3x10-19Jo 根據(jù)光電效應方程可知，當用波長為=050 m的光照射金屬銫

17、時，光電子的最大初動能為Ek=98 X1020J。點評 金屬的逸出功在數(shù)值上等于頻率(波長)為極限頻率(波長)的光子能量，即Wo=hvo=hc/ 7 氦氖激光器發(fā)射波長為6328的單色光，試計算這種光的一個光子的能量為多少?若該激光器的發(fā)光功率為18mW，則每秒鐘發(fā)射多少個光子? 解析 根據(jù)愛因斯坦光子學說，光子能量E=h，而=c/，所以代入數(shù)據(jù)得E=31X10-19Jo (2)由Pt=nE得n=Pt/E=6x1016問題五 光電效應曲線 8 在做光電效應的實驗時，某金屬被光照射發(fā)生了光電效應，實驗測得光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率v的關(guān)系如圖所示，由實驗圖象可求出 ( ) A。該金屬的

18、極限頻率和極限波長 B普朗克常量 C該金屬的逸出功 D單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù) 解析 金屬中電子吸收光子的能量為hv，根據(jù)愛因斯坦光電效應方程有Ek=hvWo。任何一種金屬的逸出功Wo一定，說明Ek隨p的變化而變化，且是線性關(guān)系，所以直線的斜率等于普朗克常量，直線與橫軸的截距OA表示Ek=0時的頻率vo，即該金屬的極限頻率。根據(jù)hvoWo=0，求得逸出功Wo=hvo。已知極限頻率，根據(jù)波速公式可求出極限波長。=c/v0 =hc/W0 由Ekv圖象并不能知道在單位時間內(nèi)逸出的光子數(shù)。 答案 ABC 點評 掌握光電效應曲線中各截距及斜率的物理意義是解本題關(guān)鍵。 問題六 光電效應實驗9 研究光電效應

19、規(guī)律的實驗裝置如圖所示，以頻率為v的光照射光電管陰極K時，有光電子產(chǎn)生。由于光電管K,A間加的反向電壓，光電子從陰極X發(fā)射后將向陽極A做減速運動。光電流i由圖中電流計G測出，反向電壓U由電壓表V測出，當電流計的示數(shù)恰好為零時，電壓表的示數(shù)稱為反向截止電壓Uo在下列表示光電效應實驗規(guī)律的圖中，錯誤的是 ( )解析 當反向電壓U與入射光頻率v一定時，光電流i與光強成正比，所以A圖正確；頻率為v的入射光照射陰極所發(fā)射出的光電子的最大初動能為mvm2/2=hvW，而截止電壓Uo與最大初動能的關(guān)系為eUo= mvm2/2，所以截止電壓Uo與入射光頻率v的關(guān)系是eUo=hvW，其函數(shù)圖象不過原點，所以B圖

20、錯誤，選項B符合題意；當光強與入射光頻率一定時，單位時間內(nèi)單位面積上逸出的光電子數(shù)及其最大初動能是一定的，所形成的光電流強度會隨反向電壓的增大而減少，所以C圖正確；根據(jù)光電效應的瞬時性規(guī)律，不難確定D圖是正確的。答案 B 點評 這是一道將光電效應規(guī)律實驗與光電效應方程及圖象相結(jié)合的綜合題目。解題中要弄清各物理量的含義及相互關(guān)系。問題七 光電管 10 利用光電管產(chǎn)生光電流的電路如圖所示。電源的正極應接在 (填“a”或“b”) 端；若電流表讀數(shù)為8A，則每秒從光電管陰極發(fā)射的光電子至少是 個(已知電子電荷量為16x10-19C)。解析 由題意知，電路圖為利用光電管產(chǎn)生光電流的實驗電路，光電管的陰極

21、為K，光電子從K極發(fā)射出來要經(jīng)高電壓加速，所以a端應該接電源正極，b端接電源負極。假定從陰極發(fā)射出來的光電子全部到達陽極A，則每秒從光電管陰極發(fā)射出來的光電子數(shù)目為n=Q/e=5x1013個。答案 a 5x1013 問題八 光電效應綜合應用 11 如圖所示，一光電管的陰極用極限波長。=5000的鈉制成。用波長=3000A的紫外線照射陰極，光電管陽極A和陰極K之間的電勢差U=21V，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)I=056A。 (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值的三倍，此時電子到達A極時最大動能是多大?(普朗克常量h=663 X1034Js)解析 因為(1)飽和光電流的值I與每秒陰極發(fā)射的電子數(shù)的關(guān)系是I=ne。 (2)電子從陰極K飛出的最大初動能Ekm=hvW。電子從陰極K飛向陽極A時，還會被電場加速，使其動能進一步增大。 解：(1