2024-2025學(xué)年高中物理第十七章波粒二象性第2節(jié)光的粒子性學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE7-第2節(jié)光的粒子性1．了解光電效應(yīng)及其試驗(yàn)規(guī)律，以及光電效應(yīng)與電磁理論的沖突。2．理解光電效應(yīng)方程及其意義，會(huì)用愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程分析有關(guān)問(wèn)題，了解愛(ài)因斯坦光子說(shuō)的提出過(guò)程，感受試驗(yàn)探究在物理學(xué)發(fā)展中的作用。3．會(huì)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(dòng)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(dòng)量。一、光電效應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)律1．光電效應(yīng)：在光的照耀下金屬放射電子的現(xiàn)象，放射出來(lái)的電子叫做eq\o(□,\s\up4(01))光電子。2．光電效應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)律(1)存在eq\o(□,\s\up4(02))飽和電流。(2)存在遏止電壓和eq\o(□,\s\up4(03))截止頻率。(3)光電效應(yīng)具有eq\o(□,\s\up4(04))瞬時(shí)性。二、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程1．光子說(shuō)：光不僅在放射和汲取時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不行分割的能量子組成的，這些能量子被稱為eq\o(□,\s\up4(01))光子，頻率為ν的光的能量子的能量為hν。2．愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式：eq\o(□,\s\up4(02))hν＝Ek＋W0或eq\o(□,\s\up4(03))Ek＝hν－W0。(2)物理意義：金屬中電子汲取一個(gè)光子獲得的能量是hν，這些能量一部分用于克服金屬的eq\o(□,\s\up4(04))逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)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eq\o(□,\s\up4(01))傳播方向發(fā)生變更的現(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(zhǎng)相同的成格外，還有波長(zhǎng)eq\o(□,\s\up4(02))更長(zhǎng)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eq\o(□,\s\up4(03))動(dòng)量，深化揭示了光的粒子性的一面。4．康普頓效應(yīng)說(shuō)明：光子的動(dòng)量p＝eq\o(□,\s\up4(04))eq\f(h,λ)。當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，要把一部分eq\o(□,\s\up4(05))動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因此有些光子散射后波長(zhǎng)eq\o(□,\s\up4(06))變長(zhǎng)。判一判(1)不同頻率的光照耀到同一金屬表面發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子的初動(dòng)能可能相同，但最大初動(dòng)能肯定不同。()(2)用光照耀光電管能發(fā)生光電效應(yīng)，若給光電管加正向電壓時(shí)，光電流隨電壓的增大會(huì)始終增大，加反向電壓時(shí)，光電流隨電壓增大而漸漸減小至0。()(3)逸出功和截止頻率均由金屬本身確定，與其他因素?zé)o關(guān)。()(4)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比。()提示：(1)√(2)×(3)√(4)×想一想(1)驗(yàn)電器起先帶負(fù)電并與鋅板相連，當(dāng)用紫外線燈照耀時(shí)，驗(yàn)電器夾角如何變更？提示：驗(yàn)電器夾角會(huì)先減小，待負(fù)電荷完全中和后，驗(yàn)電器會(huì)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(jiàn)光？提示：不是，也包括不行見(jiàn)光。(3)怎樣從能量守恒角度理解愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程？提示：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程中hν是入射光子的能量，逸出功是W0，Ek是光子的最大初動(dòng)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(dòng)能之和。因此愛(ài)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(duì)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(gè)截止頻率，入射光的頻率必需大于這個(gè)截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。(3)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10－9s。(4)當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時(shí)，飽和光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)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(shí)的每一份能量，光子不帶電，光電子是金屬表面受到光照耀時(shí)放射出來(lái)的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應(yīng)的緣由，光電子是光電效應(yīng)的結(jié)果。(2)光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能：光照耀到金屬表面時(shí)，光子的能量全部被電子汲取，電子汲取了光子的能量，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；只有金屬表面的電子干脆向外飛出時(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：光子的能量即每個(gè)光子的能量，其值為ε＝hν(ν為光子的頻率)，其大小由光的頻率確定。對(duì)于同種顏色(頻率ν相同)的光，光較強(qiáng)時(shí)，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(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)飽和值是飽和電流，在肯定的光照條件下，飽和電流與所加電壓大小無(wú)關(guān)。(5)光的強(qiáng)度與飽和電流：當(dāng)入射光頻率肯定時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大。例1(多選)下列對(duì)光電效應(yīng)的說(shuō)明正確的是()A．金屬內(nèi)的每個(gè)電子要汲取一個(gè)或一個(gè)以上的光子，當(dāng)它積累的能量足夠大時(shí)，就能逸出金屬B．假如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(shí)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(shí)，入射光越強(qiáng)，光子的能量就越大，光電子的最大初動(dòng)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)光子的能量由什么確定？與光的強(qiáng)弱有關(guān)嗎？提示：由ε＝hν可知，光子能量取決于光的頻率，與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。[規(guī)范解答]依據(jù)愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)，光子的能量是由光的頻率確定的，與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能越大。要使電子離開(kāi)金屬，必需使電子具有足夠的動(dòng)能，而電子的動(dòng)能只能來(lái)源于入射光的光子能量，但每個(gè)電子只能汲取一個(gè)光子，不能汲取多個(gè)光子。因此當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)，即使照耀時(shí)間足夠長(zhǎng)，也不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。電子從金屬中逸出時(shí)，只有從金屬表面對(duì)外逸出的電子克服原子核的引力所做的功最小，這個(gè)最小值稱為逸出功，不同金屬的逸出功不同。故答案為B、D。[完備答案]BD光電效應(yīng)中的兩個(gè)確定關(guān)系(1)逸出功W0肯定時(shí)，入射光的頻率確定著能否發(fā)生光電效應(yīng)以及光電子的最大初動(dòng)能。(2)入射光的頻率肯定時(shí)，入射光的強(qiáng)度確定著單位時(shí)間內(nèi)放射出來(lái)的光電子數(shù)。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])利用光電管探討光電效應(yīng)試驗(yàn)如圖所示，用頻率為ν的可見(jiàn)光照耀陰極K，電流表中有電流通過(guò)，則()A．用紫外線照耀，電流表不肯定有電流通過(guò)B．用紅光照耀，電流表肯定無(wú)電流通過(guò)C．用頻率為ν的可見(jiàn)光照耀K，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭移到a端時(shí)，電流表中肯定無(wú)電流通過(guò)D．用頻率為ν的可見(jiàn)光照耀K，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭向b端滑動(dòng)時(shí)，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(jiàn)光的頻率高，所以用紫外線照耀時(shí)，電流表中肯定有電流通過(guò)，A錯(cuò)誤；因不知陰極K的截止頻率，所以用紅光照耀時(shí)，不肯定發(fā)生光電效應(yīng)，故B錯(cuò)誤；即使UAK＝0，電流表中也有電流，故C錯(cuò)誤；當(dāng)滑動(dòng)觸頭向b端滑動(dòng)時(shí)，UAK增大，陽(yáng)極A汲取光電子的實(shí)力增加，光電流會(huì)增大，當(dāng)全部光電子都到達(dá)陽(yáng)極A時(shí)，電流達(dá)到最大，即飽和電流。若在滑動(dòng)前，電流已經(jīng)達(dá)到飽和電流，那么即使增大UAK，光電流也不會(huì)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Ek＝hν－W0的理解(1)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0。hν：光子的能量。W0：逸出功，即從金屬表面干脆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(dòng)能。電子汲取光子后從金屬中逸出時(shí)除了要做逸出功外，有時(shí)還要克服原子的其他束縛而做功，這時(shí)間電子的初動(dòng)能就比Ek小。(2)光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程。能量為ε＝hν的光子被電子所汲取，電子把這些能量的一部分用來(lái)克服金屬表面對(duì)它的吸引做功，另一部分就是電子離開(kāi)金屬表面時(shí)的動(dòng)能。假如克服吸引力做功最少為W0，則電子離開(kāi)金屬表面時(shí)動(dòng)能最大為Ek，依據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0。(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(dòng)能必需大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>eq\f(W0,h)＝νc，而νc＝eq\f(W0,h)恰好是光電效應(yīng)的截止頻率。(4)Ek-ν圖線。如圖所示是光電子最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率ν的變更圖線。橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率；縱軸上截距的肯定值是逸出功W0；直線的斜率k＝h＝eq\f(W0,νc)，h為普朗克常量。2．光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的說(shuō)明(1)飽和電流與光強(qiáng)關(guān)系：肯定頻率的光，光照強(qiáng)度越大，包含的光子數(shù)越多，照耀金屬時(shí)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(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程表明光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，所以遏止電壓由入射光頻率確定，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。光電效應(yīng)方程同時(shí)表明，只有hν>W0時(shí)，才有光電子逸出，νc＝eq\f(W0,h)就是光電效應(yīng)的截止頻率。(3)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性：電子一次性汲取光子的全部能量，不須要積累能量的時(shí)間，光電流幾乎是瞬時(shí)產(chǎn)生的。例2用波長(zhǎng)為2.0×10－7m的紫外線照耀鎢的表面，釋放出來(lái)的光電子中最大的初動(dòng)能是3.7×10－19J。由此可知，鎢的極限頻率約為(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108m/s)()A．5.5×1014Hz B．7.9×1014HzC．9.4×1014Hz D．1.2×1015Hz(1)金屬的極限頻率與逸出功存在什么關(guān)系？提示：νc＝eq\f(W0,h)。(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率有什么關(guān)系？提示：Ek＝hν－W0。[規(guī)范解答]由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0，紫外線的頻率為ν＝eq\f(c,λ)，逸出功W0＝hνc，聯(lián)立可得νc＝eq\f(c,λ)－eq\f(Ek,h)≈9.4×1014Hz，故C正確。[完備答案]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(duì)應(yīng)從陰極放射出的電子全部被吸引到陽(yáng)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(qiáng)度有關(guān)，還與光電管兩極間的電壓有關(guān)。(2)光電效應(yīng)方程探討的是最大初動(dòng)能與照耀光頻率之間的關(guān)系，要留意區(qū)分光電子的動(dòng)能和最大初動(dòng)能。(3)發(fā)生光電效應(yīng)的條件是照耀光的頻率不低于金屬的截止頻率，與照耀光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。2．光電效應(yīng)的四類圖象解讀eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])(多選)如圖所示是用光照耀某種金屬時(shí)逸出的光電子的最大初動(dòng)能隨入射