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基础课35光电效应波粒二象性-2-知识点一知识点二知识点三光电效应1.定义:在光的照射下从物体发射出的现象(发射出的电子称为光电子)。2.产生条件:入射光的频率极限频率。3.光电效应规律:(1)存在着饱和电流:对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射出的光电子数。(2)存在着遏止电压和截止频率:光电子的能量只与入射光的有关,而与入射光的无关。当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。(3)光电效应具有瞬时性:当频率超过截止频率时,无论入射光怎样微弱,几乎在照到金属时立即产生光电流,时间不超过10-9s。电子大于或等于越多频率强弱-3-知识点一知识点二知识点三光子说及光电效应方程1.光子说空间传播的光是一份一份的,每一份叫一个光子,一个光子的能量为E=hν,其中h=6.63×10-34J·s(称为普朗克常量)。2.光电效应方程(1)表达式:光电子的最大初动能Ek与入射光光子的能量hν和逸出功W0之间的关系:Ek=。其中逸出功是指使某种金属原子中的电子脱离金属所做功的。(2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的,剩下的表现为逸出电子的。hν-W0最小值逸出功初动能-4-知识点一知识点二知识点三光的波粒二象性与物质波1.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有性。(2)光电效应说明光具有性。(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的性。2.物质波(1)概率波:光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到达概率的地方,暗条纹是光子到达概率的地方,因此光波又叫概率波。(2)物质波:任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应,其波长λ=,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。波动粒子波粒二象大小ℎ𝑝-5-考点一考点二考点三考点四光电效应规律及解释(自主悟透)1.与光电效应有关的概念对比(1)光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电;光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子。光子是光电效应的因,光电子是果。(2)光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时,电子吸收光子的全部能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功的情况,才具有最大初动能。光电子的初动能小于等于光电子的最大初动能。-6-考点一考点二考点三考点四(3)光电流和饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。(4)光的强弱与饱和光电流对同频率的光,光照越强,饱和光电流越大。-7-考点一考点二考点三考点四思维训练(多选)关于光电效应的产生以及现象,下列描述正确的是()A.逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大B.对某金属来说,入射光波长必须大于一极限值,才能产生光电效应C.产生光电效应时,从金属表面逸出的所有光电子的动能都相同D.一束光照射到某种金属上不能发生光电效应,一定是入射光的光子能量太小答案解析解析关闭根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大,A正确;由光电效应方程可知入射光波长必须小于一极限值,才能产生光电效应,B错误;光电子的动能与入射光的频率和金属的种类以及逸出的方式有关,因此光电子的动能不一定都相同,C错误;能否发生光电效应与入射光的强度无关,与入射光的光子频率、光子能量有关,D正确。答案解析关闭AD-8-考点一考点二考点三考点四爱因斯坦光电效应方程(师生共研)1.三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0。(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管用实验的方法测得,即Ek=eUc,其中Uc是遏止电压。(3)光电效应方程中的W0为逸出功,它与极限频率νc的关系是W0=hνc。2.几个决定关系(1)逸出功W0一定时,入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能。(2)入射光的频率一定时,入射光的强弱决定着单位时间内发射出来的光电子数。-9-考点一考点二考点三考点四例题(多选)某同学采用如图所示的实验装置来研究光电效应现象。当用某单色光照射光电管的阴极K时,会发生光电效应现象。闭合开关S,在阳极A和阴极K之间加上反向电压,通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压,直至电流计中电流恰为零,此电压表的电压值U称为遏止电压,根据遏止电压,可以计算出光电子的最大初动能Ek。现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极,测量到遏止电压分别为U1和U2,设电子质量为m、电荷量为e,则下列关系式中正确的是()A.用频率为ν1的光照射时,光电子的最大初速度v=2eU1mB.阴极K金属的逸出功W0=hν1-eU1C.阴极K金属的极限频率νc=U1ν2-U2ν1U1-U2D.普朗克常量h=e(U1-U2)ν2-ν1答案解析解析关闭用频率为ν的光照射时,光电子在电场中做减速运动,根据动能定理得-eU1=0-12mv2,则得光电子的最大初速度v=2𝑒𝑈1𝑚,A正确;根据爱因斯坦光电效应方程得hν1=eU1+W0①hν2=eU2+W0②由①得:金属的逸出功W0=hν1-eU1。联立①②得h=𝑒(𝑈1-𝑈2)𝜈1-𝜈2,故B正确,D错误;阴极K金属的极限频率νc=𝑊0ℎ=(ℎ𝜈1-𝑒𝑈1)(𝜈1-𝜈2)𝑒(𝑈1-𝑈2),C错误。答案解析关闭AB-10-考点一考点二考点三考点四特别提醒应用光电效应方程时的注意事项1.每种金属都有一个截止频率,光频率大于这个截止频率才能发生光电效应。2.截止频率是发生光电效应的最小频率,对应着光的极限波长和金属的逸出功,即。3.应用光电效应方程Ek=hν-W0时,注意能量单位电子伏和焦耳的换算(1eV=1.6×10-19J)。hνc=hcλ𝑐=W0-11-考点一考点二考点三考点四思维训练(2017·全国Ⅲ卷)(多选)在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是()A.若νaνb,则一定有UaUbB.若νaνb,则一定有EkaEkbC.若UaUb,则一定有EkaEkbD.若νaνb,则一定有hνa-Ekahνb-EkbBC解析根据光电效应方程Ek=hν-W和光电子的最大初动能与遏止电压的关系-eU=0-Ek,得eU=hν-W,A错,B、C正确;若νaνb,则一定有hνa-Eka=hνb-Ekb=W,D错。-12-爱因斯坦光电效应方程及图像(师生共研)图像名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量Ek-ν图像①极限频率:图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0=|-E|=E③普朗克常量:图线的斜率k=hI-U图像(颜色相同、强度不同的光)①遏止电压Uc:图线与横轴的交点②饱和光电流Im:电流的最大值③最大初动能:Ekm=eUcI-U图像(颜色不相同的光)①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2考点一考点二考点三考点四-13-考点一考点二考点三考点四图像名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量Uc-ν图像①截止频率νc:图线与横轴的交点②遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大③普朗克常量h:等于图线的斜率与电子电荷量的乘积,即h=ke。(注:此时两极之间接反向电压)-14-考点一考点二考点三考点四例题在如图所示的装置中,K为一个金属板,A为一个金属电极,都密封在真空玻璃管中,单色光可通过玻璃壳照在K上,E为可调直流电源。实验发现,当用某种频率的单色光照射K时,K会发出电子(光电效应),这时,即使A、K间的电压等于零,回路中也有电流,当A的电势低于K时,电流仍不为零。A的电势比K低得越多,电流越小,当A比K的电势低到某一值Uc(遏止电压)时,电流消失。当改变照射光的频率ν时,遏止电压Uc也将随之改变。如果某次实验根据测出的一系列数据作出的Uc-ν图像如图所示,若知道电子的电荷量e,则根据图像可求出:-15-考点一考点二考点三考点四(1)该金属的极限频率为;(2)该金属的逸出功W0为;(3)普朗克常量h为。-16-考点一考点二考点三考点四解析设光电子的最大初动能为Ek,根据光电效应方程有hν=W0+Ek,当A比K的电势低到某一值Uc时,电流消失,光电子的最大初动能全部用来克服电场力做功,由动能定理有eUc=Ek,联立以上两式可得:Uc=ℎ𝜈𝑒−𝑊0𝑒。由上式可知,Uc-ν图像斜率k=ℎ𝑒,在Uc轴上的截距为-𝑊0𝑒。而由图可得,截距为-U0。故有ℎ𝑒=𝑈0𝜈c,-U0=-𝑊0𝑒,解得h=𝑒𝑈0𝜈c,W0=eU0。答案νceU0𝑒𝑈0𝜈c-17-考点一考点二考点三考点四思维训练(多选)下图是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标为4.27,与纵轴交点坐标为0.5)。由图可知()A.该金属的截止频率为4.27×1014HzB.该金属的截止频率为5.5×1014HzC.该图线的斜率表示普朗克常量D.该金属的逸出功为0.5eVAC6.63×10-34×4.27×10141.6×10-19解析图线与横轴的交点为截止频率,A正确,B错误;由光电效应方程Ek=hν-W0,可知图线的斜率为普朗克常量,C正确;该金属的逸出功为W0=hνc=eV≈1.77eV,D错误。-18-考点一考点二考点三考点四对波粒二象性的理解(自主悟透)项目实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射①光是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述②大量的光子在传播时,表现出波的性质①光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的②光的波动性不同于宏观观念的波光的粒子性光电效应、康普顿效应①当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质②少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的②光子不同于宏观观念的粒子-19-考点一考点二考点三考点四项目实验基础表现说明波动性和粒子性的对立、统一①大量光子易显示出波动性,而少量光子易显示出粒子性②波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强①光子说并未否定波动说,E=hν=hcλ中,ν和λ就是波的概念②波和粒子在宏观世界是不能统一的,而在微观世界却是统一的-20-考点一考点二考点三考点四思维训练1.(多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验,随着时间的增加,在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像,则()A.图像甲表明光具有粒子性B.图像丙表明光具有波动性C.用紫外光观察不到类似的图像D.实验表明光是一种概率波ABD解析图像甲只有分散的亮点,表明光具有粒子性;图像丙呈现干涉条纹,表明光具有波动性;用紫外光也可以观察到类似的图像,实验表明光是一种概率波,选项A、B、D正确。-21-考点一考点二考点三考点四2.下列说法正确的是()A.实物的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性B.康普顿效应说明光子既有能量又有动量C.光是高速运动的微观粒子,单个光子不具有波粒二象性D.宏观物体的物质波波长非常小,极易观察到它的波动B解析由德布罗意理论知,宏观物体的德布罗意波的波长太小,实际很难观察到波动性,但仍具有波粒二象性,A、D错误;康普顿效应说明光子除了具有能量之外还有动量,B正确;波粒二象性是光子的特性,单个光子也具有波粒二象性,C错误。-22-考点一考点二考点三考点四特别提醒(1)波粒二象性是微观粒子的特殊规律,一切微观粒子都存在波动性;宏观物体也存在波动性,只是波长太小,难以观测。(2)德布罗意波也是概率波,衍射图样中的亮圆是电子落点概率大的地方,但概率的大小受波动规律的支配。