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第3讲光的粒子性一光电效应二光的波粒二象性、物质波三康普顿效应知识梳理考点一对光电效应规律的理解考点二对光电效应现象的实验研究方法考点三有关光的能量问题的综合分析深化拓展一、光电效应1.在光的照射下物体发射电子的现象叫做光电效应,发射出的电子叫光电子。光电效应的实验规律如下:(1)任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须①大于这个极限频率,才能产生光电效应,低于这个频率的光不能使金属产生光电效应。知识梳理(2)光电子的最大初动能与②入射光的强度无关,只随入射光频率的③增大而增大。(3)入射光照射到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过10-9s。(4)当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度与入射光的强度成④正比。2.爱因斯坦为解释光电效应现象,提出了光子说,其内容为:空间传播的光是不连续的,是一份一份的,每一份叫做一个⑤光子,每个光子的能量为⑥ε=hν。3.光电效应方程最大初动能与入射光频率之间的关系: =hν-W(或Ek=hν-W)。若入射光子的能量恰等于金属的⑦逸出功,则光电子的最大初动能为零,入射光的频率就是该金属的极限频率。此时有hν0=W,即ν0= ,可求出极限频率,反过来从实验中测出金属的极限频率ν0,也可求出逸出功。22mvWh二、光的波粒二象性、物质波1.光具有波粒二象性光的波粒二象性,既不能把光波理解成宏观状态的波,也不能把光子当成实物粒子。大量光子产生的效果往往显示出①波动性(如光的干涉、衍射现象),个别光子产生的效果往往显示出②粒子性(如光子与电子的相互作用);频率越③低的光波动性越明显,频率越④高的光粒子性越明显;光在传播过程中往往显示出⑤波动性,在与物质作用时往往显示出⑥粒子性。2.物质波一切运动的微观粒子都具有波粒二象性,其波长与动量的关系都符合德布罗意公式λ=⑦ ,这种波叫做物质波或德布罗意波。物质波是一种⑧概率波。hp三、康普顿效应1.光的散射:由于光在介质中与物质微粒的相互作用,使光的①传播方向发生改变的现象,叫做光的散射。2.康普顿效应:在光的散射中,除有与入射波长λ0相同的成分外,还有波长②大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。 1.在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连,用弧光灯照射锌板时,验电器的指针张开一个角度,如图所示,这时(B)A.锌板带正电,指针带负电B.锌板带正电,指针带正电C.锌板带负电,指针带正电D.锌板带负电,指针带负电解析锌板受弧光灯照射,吸收光子发生光电效应,放出光电子,锌板因失去电子而带正电,与锌板连在一起的静电计指针也带正电。2.用单色光照射某种金属表面发生光电效应。已知单色光的频率为ν,金属的逸出功为W,普朗克常量为h,光电子的最大初动能为Ek,下列关于它们之间关系的表达式正确的是 (A)A.Ek=hν-WB.Ek=hν+WC.W=Ek-hνD.W=Ek+hν解析由爱因斯坦光电效应方程可知,A正确。3.一单色光照到某金属表面时,有光电子从金属表面逸出,下列说法中正确的是 (B)A.增大入射光的频率,金属的逸出功将增大B.增大入射光的频率,光电子的最大初动能将增大C.增大入射光的强度,光电子的最大初动能将增大D.延长入射光照射时间,光电子的最大初动能将增大解析题干叙述现象为光电效应,Ek=hν-W,逸出功由金属材料决定,A选项错;增大入射光的频率ν,光电子的最大初动能Ek增大,B项正确;增大入射光的强度,光电子的最大初动能不变,C项错;延长入射光照射时间,光电子的最大初动能不改变,D项错。4.对光的认识,以下说法错误的是 (C)A.个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现出波动性B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了D.光的波粒二象性应理解为:在某种情况下光的波动性表现明显,在另外某种情况下,光的粒子性表现明显解析往往个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性;通常光与物质相互作用时表现出粒子性,光的传播规律表现出波动性,光的波动性和粒子性都是光的本身的一种属性,光的波动性表现明显时仍具有粒子属性,,光的粒子性表现明显时仍具有波动性。深化拓展考点一对光电效应规律的理解1.用光子说解释光电效应及其规律(1)光照射金属时,电子吸收一个光子(形成光电子)的能量后,动能立即增大,不需要积累能量的过程。(2)电子从金属表面逸出,首先需克服金属表面原子核的引力做功(逸出功W)。要使入射光子的能量不小于W,对应频率ν0= 为极限频率。(3)光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大。(4)入射光越强,单位时间内入射到金属表面的光子数越多。Wh2.掌握以下两条决定关系(1)入射光频率→决定光子能量→决定光电子最大初动能。(2)入射光强度→决定单位时间内接收的光子数→决定单位时间内发射的光电子数。 1-1(2017东城二模)如图所示,把一块不带电的锌板连接在验电器上。当用紫外线照射锌板时,发现验电器指针偏转一定角度,则 ()A.锌板带正电,验电器带负电B.若改用强度更小的紫外线照射锌板,验电器的指针也会偏转C.若改用红外线照射锌板,验电器的指针仍然会发生偏转D.这个现象可以说明光具有波动性答案B紫外线使锌板发生光电效应,锌板失去电子而带正电,则与之连接的验电器也带正电。红外线的频率小于锌的截止频率,不发生光电效应,验电器的指针不偏转。该现象说明光具有粒子性。1-2(2018东城二模)用蓝光照射一光电管,有光电效应现象发生。欲使光电子逸出时最大初动能增大,下列方法有效的是 (A)A.改用紫光照射B.改用红光照射C.延长蓝光的照射时间D.增大蓝光的强度解析用同一光电管实验时,根据光电效应方程Ek=hν-W0,可以知道影响光电子最大初动能的是入射光的频率,若改用紫光照射,因ν紫ν蓝,则光电子的最大初动能增大;若改用红光照射,因ν红ν蓝,则不一定有光电效应发生,即使有光电效应发生,则光电子的最大初动能是减小的;无论是延长蓝光照射时间,还是增大蓝光的强度,光电子的最大初动能不变。故A正确。考点二对光电效应现象的实验研究方法1.实验研究电路 2.实验图像颜色相同、强度不同的光,光电流与电压的关系 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:Ek=eUc强度相同、颜色不同时,光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流:I1、I2③最大初动能Ekl=eUc1、Ek2=eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①截止频率ν0: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量的乘积,即h=ke(注:此时两极之间接反向电压)3.两条关系(1)光的强度与饱和光电流的关系对相同频率的入射光:饱和光电流与入射光强度成正比。对不同频率的入射光:由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。(2)遏止电压与最大初动能的关系Ek=eUc。 2-1(2013北京理综,20,6分)以往我们认识的光电效应是单光子光电效应,即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,由于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从而形成多光子光电效应,这已被实验证实。 光电效应实验装置示意如图。用频率为ν的普通光源照射阴极K,没有发生光电效应。换用同样频率ν的强激光照射阴极K,则发生了光电效应;此时,若加上反向电压U,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在K、A之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U,光电流会逐渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电量) (B)A.U= - B.U= - C.U=2hν-WD.U= - hνeWe2hνeWe52hνeWe解析同频率的光照射K极,普通光不能使其发生光电效应,而强激光能使其发生光电效应,说明一个电子吸收了多个光子。设吸收的光子个数为n,光电子逸出的最大初动能为Ek,由光电效应方程知:Ek=nhν-W(n≥2);光电子逸出后克服减速电场做功,由动能定理知Ek=eU,联立上述两式得U= - ,当n=2时,即为B选项,其他选项均不可能。nhνeWe2-2从1907年起,密立根就开始测量金属的遏止电压Uc(即图甲所示的电路中电流表G的读数减小到零时加在电极K、A之间的反向电压)与入射光的频率ν,由此算出普朗克常量h,并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较,以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。按照密立根的方法我们利用图示装置进行实验,得到了某金属的Uc-ν图像如图乙所示。下列说法正确的是 () 甲 乙A.该金属的截止频率约为4.27×1014HzB.该金属的截止频率约为5.50×1014HzC.该图线的斜率为普朗克常量D.该图线的斜率为这种金属的逸出功答案A设金属的逸出功为W0,截止频率为νc,则W0=hνc,光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系是Ek=eUc,由光电效应方程有Ek=hν-W0。联立两式可得:Uc= ν- νc,故Uc-ν图线的斜率为 ,C、D错误。当Uc=0时,可解得ν=νc,此时读图可知,ν≈4.3×1014Hz,即金属的截止频率约为4.3×1014Hz,在误差允许范围内,可以认为A正确,B错误。hehehe考点三有关光的能量问题的综合分析光子学说认定每个光子有一定的能量ε=hν,而光强是光子总能量的体现,即E=Nhν。可以把光子能量与其他有关能量的知识联系起来,构成综合性的题目。 3-1(2017北京理综,18,6分)2017年年初,我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置,发出了波长在100nm(1nm=10-9m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。大连光源因其光子的能量大、密度高,可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子,但又不会把分子打碎。据此判断,能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h=6.6×10-34J·s,真空光速c=3×108m/s) (B)A.10-21JB.10-18JC.10-15JD.10-12J解析由题意知,电离一个分子的能量等于照射分子的光子能量,E=hν=h =2×10-18J,故选项B正确。cλ3-2太阳光垂直射到地面上时,地面上1m2接受的太阳光的功率为1.4kW,其中可见光部分约占45%。(1)假如认为可见光的波长约为0.55μm,日地间距离R=1.5×1011m。普朗克常量h=6.6×10-34J·s,估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少?(2)若已知地球的半径为6.4×106m,估算地球接受的太阳光的总功率。答案(1)4.9×1044个(2)1.8×1014kW解析构建太阳光传播模型如图所示 (1)设地面上垂直阳光的1m2面积上每秒钟接受的可见光光子数为n。则有P×45%=n·h cλ解得n= = =1.75×1021(个)设想一个以太阳为球心,以日、地距离为半径的大球包围着太阳。大球面接受的光子数即等于太阳辐射的全部光子数。则所求可见光光子数N=n·4πR2=1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2=4.9×1044(个)(2)地球背着阳光的半个球面没有接受太阳光,地球向阳的半个球面面积也不都与太阳光垂直。接受太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆平面的面积。则地球接受阳光的总功率0.45λPhc633480.450.55101.4106.610310P地=P·πr2=1.4×3.14×(6.4×106)2kW=1.8×1014kW