物理選擇性必修第三冊(配人教版)第4章-2光電效應(yīng)

第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性2光電效應(yīng)學習目標1．知道光電效應(yīng)及其實驗現(xiàn)象(重點)2．知道光子說和愛因斯坦光電效應(yīng)方程，能夠利用它解釋光電效應(yīng)實驗的現(xiàn)象(重難點)3．知道什么是康普頓效應(yīng)及X射線實驗原理(重點)4．了解光的波粒二象性，了解光是一種概率波(難點)學法與考法學法：①通過實驗，了解光電效應(yīng)現(xiàn)象和光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義，能根據(jù)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性；②通過波粒二象性學習，知道實物粒子具有波動性，了解微觀世界的量子化特征，體會量子論的建立對人們認識物質(zhì)世界的影響；③通過光電效應(yīng)的學習，認識科學探究的意義，嘗試應(yīng)用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律考法：①考查對光電效應(yīng)現(xiàn)象和光電效應(yīng)的實驗規(guī)律的理解；②考查愛因斯坦光電效應(yīng)方程的應(yīng)用；③考查對康普頓效應(yīng)及光的波粒二象性的理解知識導圖預(yù)習導學|新知領(lǐng)悟1．光電效應(yīng)現(xiàn)象：在物理學中，在光的照射下________從物體表面逸出的現(xiàn)象．2．光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(1)發(fā)生的條件：每一種金屬對應(yīng)一種光的___________，又稱極限頻率．只有當光的頻率_________________________________時，才會產(chǎn)生_____________．當光的頻率小于這個最小頻率時，即使增加____________或____________，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)．光電效應(yīng)電子最小頻率大于或等于這個最小頻率光電效應(yīng)光的強度照射時間(2)與光的強度的關(guān)系：產(chǎn)生光電效應(yīng)時，光的強度______，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)________．(3)發(fā)生光電效應(yīng)所需的時間：從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)的時間間隔很短，通?？稍赺_______內(nèi)發(fā)生光電效應(yīng)．越大越多10－9s3．光子說：看似連續(xù)的光實際上是由個數(shù)有限、分立于空間各點的________組成的，每一個________的能量為________．光在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的．4．光電效應(yīng)方程(1)表達式：Ek＝hν－W0.(2)物理意義：金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量一部分用于從金屬表面逸出時做功，剩下的表現(xiàn)為電子逸出后具有______________．光子光子hν最大初動能5．光電效應(yīng)的應(yīng)用(1)________________．(2)微光夜視儀．(3)________________．光電開關(guān)光電池你對光電效應(yīng)中的“光”是怎樣認識的？在光電效應(yīng)實驗中，光照時間越長光電流越大嗎？微思考【答案】當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)，而逸出的電子稱為光電子．光電流的大小取決于照射光的強度，與光照時間長短無關(guān)．

入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng)，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，那么 (

)A．從光照射到金屬表面上到發(fā)射出光電子的時間間隔將明顯增大B．逸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)目將減少D．有可能不發(fā)生光電效應(yīng)【答案】C【解析】光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的，與入射光的強度無關(guān)，A錯誤．由于已經(jīng)發(fā)生光電效應(yīng)，說明入射光的頻率大于該金屬的極限頻率，當頻率保持不變時，一定能發(fā)生光電效應(yīng)，D錯誤．入射光的強度減弱，說明單位時間內(nèi)入射到金屬表面的光子數(shù)減少，所以單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目也將減少，C正確．逸出的光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強度無關(guān)，B錯誤．1．光的散射：光在介質(zhì)中與物體微粒的相互作用，使光的傳播方向___________的現(xiàn)象．2．康普頓效應(yīng)在光的散射現(xiàn)象中，部分散射光的波長__________，波長改變的多少與________有關(guān)．這種現(xiàn)象稱為______________．康普頓效應(yīng)及光的波粒二象性發(fā)生改變變長散射角康普頓效應(yīng)3．康普頓的理論當光子與電子相互作用時，既遵守________守恒定律，又遵守________守恒定律．在碰撞中光子將能量hν的一部分傳遞給了________，光子能量減少，波長________．4．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___________的一面，為光子說提供了又一例證．能量動量電子變長粒子性5．光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)取決于入射光的波長．當波長較短的X射線或γ射線入射時，產(chǎn)生______________；當波長較長的可見光或紫外光入射時，主要產(chǎn)生___________．康普頓效應(yīng)光電效應(yīng)6．光的波粒二象性(1)光的本性：光子既有________的特征，又有______的特征，即光具有______________．(2)光是一種__________．(3)當光的波長較長時，光在傳播過程中波動性明顯；當光的波長較短時，光子與粒子相互作用時，__________明顯．粒子波波粒二象性電磁波粒子性康普頓效應(yīng)證實了光子具有什么？又應(yīng)進一步說明光具什么性？微思考【答案】康普頓效應(yīng)證實了光子具有粒子性，又應(yīng)進一步說明光具有波動性．

康普頓散射的主要特征是 (

)A．散射光的波長與入射光的波長全然不同B．散射光的波長有些與入射光的相同，但有些變短了，散射角的大小與散射波長無關(guān)C．散射光的波長有些與入射光的相同，但也有變長的，也有變短的D．散射光的波長有些與入射光的相同，有些散射光的波長比入射光的波長長些，且散射光波長的改變量與散射角的大小有關(guān)【答案】D【解析】光子和電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長．散射角不同，能量減少情況不同，散射光的波長也有所不同，也有一部分光子與原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變，故D正確.多維課堂|

素養(yǎng)初培對光電效應(yīng)的理解問題(1)用弧光燈照射鋅板，驗電器指針張開，說明什么？(2)用絲綢摩擦過的玻璃棒靠近鋅板，指針張角增大，說明什么？(3)用綠色光照射鋅板，驗電器指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明什么？【答案】(1)弧光燈發(fā)出的紫外線可使鋅板帶電，從而驗電器的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．(2)因為用絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，當靠近鋅板，鋅板帶電增多，所以指針張角增大．(3)用綠色光照射鋅板，驗電器指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明沒有使鋅板帶電，從而驗電器的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)．1．實驗裝置及電路2．幾個概念(1)飽和光電流：在光照條件不變時，電流隨電壓升高而增大到的最大值(Im)．(2)遏止電壓：使光電流減小到0時的反向電壓(Uc)．(3)截止頻率：使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率．又叫極限頻率(νc)．不同金屬截止頻率不同．3．光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(1)任何一種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于或等于這個截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)．低于截止頻率時，無論光照強度多強，都不會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象．(2)光電子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)入射光照射到金屬上時，光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9s.(4)當入射光的頻率高于截止頻率時，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比．4．電磁理論解釋光電效應(yīng)的三個局限電磁理論認為：光的能量是由光的強度決定，而光的強度又是由光波的振幅所決定的，跟頻率無關(guān).局限電磁理論光電效應(yīng)實驗結(jié)果局限1按照光的波動理論，不論入射光的頻率是多少，只要光強足夠大，總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應(yīng)如果光的頻率小于金屬的截止頻率，無論光強多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)局限電磁理論光電效應(yīng)實驗結(jié)果局限2光強越大，電子可獲得更多的能量，光電子的最大初動能也應(yīng)該越大，遏止電壓也越大．即出射電子的動能應(yīng)該由入射光的能量即光強來決定遏止電壓與光強無關(guān)，與頻率有關(guān)局限3光強大時，電子能量積累的時間就短，光強小時，能量積累的時間就長當入射光照射到光電管的陰極時，無論光強怎樣微弱，幾乎瞬時就產(chǎn)生了光電子(4)光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程．(5)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需要克服原子核的束縛而消耗的能量的最小值，叫作金屬的逸出功．光電效應(yīng)中，從金屬表面逸出的電子消耗能量最少．6．光子說對光電效應(yīng)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地吸收光子的能量，而且這個傳遞能量的過程只能是一個光子對一個電子的行為．如果光的頻率低于截止頻率，則光子提供給電子的能量不足以克服原子的束縛，就不能發(fā)生光電效應(yīng)．(3)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，所以光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的．(4)發(fā)生光電效應(yīng)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，那么逸出的光電子數(shù)目也就越多，光電流也就越大．素養(yǎng)點評：通過對光電效應(yīng)規(guī)律的探究，培養(yǎng)“物理觀念”和“科學探究”的核心素養(yǎng)．【答案】D【解析】因為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．因為不知道陰極K的截止頻率，所以用紅外線照射時，不一定發(fā)生光電效應(yīng)，B錯誤．即使UAK＝0，電流表中也有電流，C錯誤．當滑片向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，當射出的所有光電子都能達到陽極A時，光電流達到最大，即飽和電流，若在滑動前，光電流已經(jīng)達到飽和電流，那么再增大UAK，光電流也不會增大，D正確．變式1光電效應(yīng)實驗中，下列表述正確的是 (

)A．光照時間越長光電流越大B．入射光足夠強就可以有光電流C．遏止電壓與入射光的頻率無關(guān)D．入射光頻率大于截止頻率才能產(chǎn)生光電子【答案】D【解析】在光電效應(yīng)中，若照射光的頻率小于極限頻率，無論光照時間多長，光照強度多大，都無光電流，當照射光的頻率大于極限頻率時，立刻有光電子產(chǎn)生，時間間隔很小，故A、B錯誤，D正確．遏止電壓與入射光頻率ν有關(guān)，故C錯誤．

關(guān)于光電效應(yīng)的三點提醒1．發(fā)生光電效應(yīng)時需滿足：照射光的頻率大于金屬的截止頻率，即ν＞ν0.2．光電子的最大初動能與照射光的頻率及金屬的截止頻率有關(guān)，而與照射光的強弱無關(guān)，照射光的強度大小決定了逸出光電子的數(shù)目多少．3．在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)．對光電效應(yīng)方程的理解及應(yīng)用精練2紫光在真空中的波長為4.5×10－7m，問：(1)紫光光子的能量是多少？(2)用它照射截止頻率為ν0＝4.62×1014Hz的金屬鉀時能否產(chǎn)生光電效應(yīng)？(3)若能產(chǎn)生，則光電子的最大初動能為多少？(h＝6.63×10－34J·s)變式2

(多選)在做光電效應(yīng)的實驗時，某金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng)，實驗測得光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示，由實驗圖線可求出 (

)A．該金屬的截止頻率和截止波長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)【答案】ABC1．截止頻率為ν0的光照射金屬對應(yīng)逸出電子的最大初動能為零，逸出功W0＝hν0.2．某種金屬的逸出功是一定值，隨入射光頻率的增大，光電子的最大初動能增大，但光電子的最大初動能與入射光的頻率不成正比．對康普頓效應(yīng)及光的波粒二象性的理解問題(1)如圖所示，你知道蔚藍的天空、殷紅的晚霞是怎樣形成的嗎？(2)在光的這種現(xiàn)象中，如果有的光的波長變長，這種現(xiàn)象是什么效應(yīng)？(3)太陽光從小孔射入室內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；宇航員在太空中，盡管太陽光線耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的，為什么？【答案】(1)蔚藍的天空、殷紅的晚霞是大氣層對陽光散射形成的，夜晚探照燈或激光的光柱，是空氣中微粒對光散射形成的．(2)在光的散射現(xiàn)象中，部分散射光的波長變長，波長改變的多少與散射角有關(guān)．這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)．(3)地球上存在著大氣，太陽光經(jīng)大氣中的微粒散射后傳向各個方向；而在太空的真空環(huán)境下，光不再散射，只向前傳播．1．對康普頓效應(yīng)的理解(1)實驗現(xiàn)象．X射線管發(fā)出波長為λ0的X射線，通過小孔投射到散射物石墨上．X射線在石墨上被散射，部分散射光的波長變長，波長改變的多少與散射角有關(guān)．(2)康普頓效應(yīng)與經(jīng)典物理理論的矛盾．按照經(jīng)典物理理論，入射光引起物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子的受迫振動，振動著的帶電粒子從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光．散射光的頻率應(yīng)該等于粒子受迫振動的頻率(即入射光的頻率)．因此散射光的波長與入射光的波長應(yīng)該相同，不應(yīng)該出現(xiàn)波長變長的散射光．另外，經(jīng)典物理理論無法解釋波長改變與散射角的關(guān)系．(3)光子說對康普頓效應(yīng)的解釋．假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞．①光子和電子相碰撞時，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長．②因為碰撞中交換的能量與碰撞的角度有關(guān)，所以波長的改變與散射角有關(guān)．2．對光的波粒二象性的理解(1)光的粒子性的含義．①當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)．②少量或個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)光的波動性的含義．①足夠能量的光(大量光子)在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì)．②頻率低、波長長的光，波動性特征顯著．(3)光的波粒二象性．①光的粒子性并不否定光的波動性，光既具有波動性，又具有粒子性，波動性、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)一說明光的各種行為．素養(yǎng)點評：通過對康普頓效應(yīng)及光的波粒二象性的探究，培養(yǎng)“物理觀念”素養(yǎng)．對康普頓效應(yīng)的理解精練3

(多選)美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了有與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)．關(guān)于康普頓效應(yīng)，下列說法正確的是 (

)A．康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有波動性B．康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性C．當光子與晶體中的電子碰撞后，其能量增加D．當光子與晶體中的電子碰撞后，其能量減少【答案】BD【解析】康普頓用光子的模型成功地解釋了康普頓效應(yīng)，在散射過程中X射線的光子與晶體中的電子碰撞時要遵循動量守恒定律和能量守恒定律，故B、D正確，A、C錯誤．變式3科學研究證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子．假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中 (

)A．能量守恒，動量守恒，且λ＝λ′B．能量不守恒，動量不守恒，且λ＝λ′C．能量守恒，動量守恒，且λ＜λ′D．能量守恒，動量守恒，且λ＞λ′【答案】C

對康普頓效應(yīng)的三點認識1．光電效應(yīng)屬于電子吸收光子的問題；而康普頓效應(yīng)屬于討論光子與電子碰撞且沒有被電子吸收的問題．2．假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞．光子和電子相碰撞時，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長．3．康普頓效應(yīng)進一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性．對光的波粒二象性的理解精練4

(多選)下面關(guān)于光的波粒二象性的說法中，正確的是(

)A．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有波粒二象性B．頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著C．光在傳播時往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時往往表現(xiàn)出粒子性D．光不可能同時既具有波動性，又具有粒子性【答案】BC【解析】光電效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性，A錯誤；在光的波粒二象性中，頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著，B正確；光在傳播時往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時往往表現(xiàn)出粒子性，C正確；光的波粒二象性是指光有時表現(xiàn)為波動性，有時表現(xiàn)為粒子性，二者是統(tǒng)一的，D錯誤．變式4

(多選)下列說法正確的是 (

)A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光子和電子是不同的兩種粒子，但都具有波粒二象性D．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著【答案】CD【解析】光同時具有波粒二象性，只不過在有的情況下波動性顯著，有的情況下粒子性顯著，光的波長越長，越容易觀察到其波動特性．光子不同于一般的實物粒子，它沒有靜止質(zhì)量，是一個個的能量團，是光的能量的最小單位．C、D正確．

對光的波粒二象性的兩點提醒1．光的干涉和衍射及偏振說明光具有波動性，而光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)是光具有粒子性的例證．2．波動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．當光與其他物質(zhì)發(fā)生作用時，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)；少量或個別光子易顯示出光的粒子性；頻率高波長短的光，粒子性顯著．大量光子在傳播時表現(xiàn)為波動性；頻率低、波長長的光，波動性顯著．課堂小練|

素養(yǎng)達成1．入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng)，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，那么 (

)A．從光照射到金屬表面上到發(fā)射出光電子的時間間隔將明顯減小B．逸出的光電子的最大初動能將增大C．單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少D．一定不能發(fā)生光電效應(yīng)【答案】C【解析】光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的，與入射光強度無關(guān)，A錯誤．由于已經(jīng)發(fā)生光電效應(yīng)，說明入射光的頻率大于該金屬的極限頻率，當頻率保持不變時，一定能發(fā)生光電效應(yīng)，D錯誤．入射光的強度減弱，說明單位時間內(nèi)入射到金屬表面的光子數(shù)減少，所以單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目也將減少，C正確．逸出的光電子的最大初動能與入射光頻率有關(guān)，與入射光強度無關(guān)，B錯誤．2．白天的天空各處都是亮的，是大氣分子對太陽光散射的結(jié)果．美國物理學家康普頓由于在這方面的研究而榮獲了1927年的諾貝爾物理學獎．假設(shè)一個運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一個方向運動，光子沿另一方向散射出去，則這個散射光子跟原來的光子相比 (

)A．頻率變大 B．速度變小C．光子能量變大 D．波長變長【答案】D【答案】ABC【解析】用很弱的光做雙縫干涉實驗得到的圖片上的一個一個無分布規(guī)律的光點，體現(xiàn)了光的粒子性，故A正確；經(jīng)過較長時間曝光的圖片丙，出現(xiàn)了明暗相間的條紋，波動性較為明顯，本實驗表明光是一種概率波，但不能表明光是一種電磁波，故B、C正確，D錯誤．4．(多選)產(chǎn)生光電效應(yīng)時，關(guān)于逸出光電子的最大初動能Ek，下列說法正確的是 (