高二物理課件 17.1 《能量量子化》 17.2 光的粒子性 （人教選修3-5）

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歡迎進入物理課堂 一 正確理解光電效應中的五組概念 1 光子與光電子 光子指光在空間傳播時的每一份能量 光子不帶電 光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子 其本質(zhì)是電子 光子是光電效應的因 光電子是果 2 光電子的動能與光電子的最大初動能 光照射到金屬表面時 光子的能量全部被電子吸收 電子吸收了光子的能量 可能向各個方向運動 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能 只有金屬表面的電子直接向外飛出時 只需克服原子核的引力做功 才具有最大初動能 光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能 3 光子的能量與入射光的強度 光子的能量即每個光子的能量 其值為E h 為光子的頻率 其大小由光的頻率決定 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總能量 入射光的強度等于單位時間內(nèi)光子能量與入射光子數(shù)的乘積 4 光電流和飽和光電流 金屬板飛出的光電子到達陽極 回路中便產(chǎn)生光電流 隨著所加正向電壓的增大 光電流趨于一個飽和值 這個飽和值是飽和光電流 在一定的光照條件下 飽和光電流與所加電壓大小無關(guān) 5 光的強度與飽和光電流 飽和光電流與入射光強度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應而言的 對于不同頻率的光 由于每個光子的能量不同 飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關(guān)系 1 光電效應的實質(zhì)是光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象 2 發(fā)生光電效應時 飽和光電流與入射光的強度有關(guān) 要明確不同頻率的光 不同金屬與光電流的對應關(guān)系 典例1 2010 上海高考 根據(jù)愛因斯坦光子說 光子能量等于 h為普朗克常量 c 為真空中的光速和波長 解題指導 本題考查光子能量公式和光速公式 光子的能量由頻率決定 頻率又和光速 波長有關(guān)系 標準解答 選A 光子的能量所以光子的能量 變式訓練 一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應 則下列說法正確的是 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 則逸出的光電子的最大初動能增加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 選A D 光電效應的規(guī)律表明 入射光的頻率決定是否發(fā)生光電效應以及發(fā)生光電效應時逸出的光電子的最大初動能的大小 當入射光的頻率增加后 逸出的光電子的最大初動能也增加 又紫光的頻率高于綠光的頻率 而增加光的照射強度 會使單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加 故正確選項有A D 變式備選 下列關(guān)于光子的說法中 正確的是 A 在空間傳播的光不是連續(xù)的 而是一份一份的 每一份叫做一個光子B 光子的能量由光強決定 光強大 每份光子的能量一定大C 光子的能量由光頻率決定 其能量與它的頻率成正比D 光子可以被電場加速 解析 選A C 按照愛因斯坦的光子說 在空間傳播的光不是連續(xù)的 而是一份一份的 每一份叫做一個光子 光子的能量E h 與光的強度無關(guān) 故A C正確 B錯誤 光子不帶電 不能被電場加速 D錯誤 二 全面理解光電效應方程及其規(guī)律 1 光電效應方程Ek h W0的理解 1 式中的Ek是光電子的最大初動能 就某個光電子而言 其離開金屬時剩余動能大小可以是0 Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值 2 光電效應方程實質(zhì)上是能量守恒方程 能量為E h 的光子被電子所吸收 電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引 另一部分就是電子離開金屬表面時的動能 如果克服吸引力做功最少為W0 則電子離開金屬表面時動能最大為Ek 根據(jù)能量守恒定律可知 Ek h W0 3 光電效應方程包含了產(chǎn)生光電效應的條件 若發(fā)生光電效應 則光電子的最大初動能必須大于零 即Ek h W0 0 亦即h W0 恰好是光電效應的截止頻率 4 Ekm 曲線 如圖所示是光電子最大初動能Ekm隨入射光頻率 的變化曲線 這里 橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率 縱軸上的截距是逸出功的負值 斜率為普朗克常量 2 光子說對光電效應的解釋 1 飽和光電流與光強關(guān)系 光越強 包含的光子數(shù)越多 照射金屬時產(chǎn)生的光電子越多 因而飽和光電流越大 所以 入射光頻率一定時 飽和光電流與光強成正比 2 存在截止頻率和遏止電壓 愛因斯坦光電效應方程表明光電子的初動能與入射光頻率成線性關(guān)系 與光強無關(guān) 所以遏止電壓由入射光頻率決定 與光強無關(guān) 光電效應方程同時表明 只有h W0時 才有光電子逸出 就是光電效應的截止頻率 3 效應具有瞬時性 電子一次性吸收光子的全部能量 不需要積累能量的時間 所以光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的 1 逸出功和截止頻率均由金屬本身決定 與其他因素無關(guān) 2 光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大 但不是正比關(guān)系 典例2 2010 四川高考 用波長為2 0 10 7m的紫外線照射鎢的表面 釋放出來的光電子中最大的動能是4 7 10 19J 由此可知 鎢的極限頻率是 普朗克常量h 6 63 10 34J s 光速c 3 0 108m s 結(jié)果取兩位有效數(shù)字 A 5 5 1014HzB 7 9 1014HzC 9 8 1014HzD 1 2 1015Hz 解題指導 解答本題時要注意以下兩點 1 產(chǎn)生光電效應時光子的能量與逸出功的關(guān)系 2 根據(jù)光電效應方程 求出對應的極限頻率 標準解答 選B 根據(jù)光電效應方程Ekm h W 在恰好發(fā)生光電效應時最大初動能為0 有h 0 W 且c 化簡得 故B正確 規(guī)律方法 利用光電效應規(guī)律解題的技巧應用光電效應規(guī)律解題應當明確 1 光電效應規(guī)律中 光電流的強度 指的是光電流的飽和值 對應從陰極發(fā)射出的電子全部被拉向陽極的狀態(tài) 因為光電流未達到飽和值之前 其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) 只有在光電流達到飽和值以后才和入射光的強度成正比 2 明確兩個決定關(guān)系 1 逸出功W0一定時 入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應以及光電子的最大初動能 2 入射光的頻率一定時 入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù) 變式訓練 2011 福建高考 愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學獎 某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率 的關(guān)系如圖所示 其中 0為極限頻率 從圖中可以確定的是 填選項前的字母 A 逸出功與 有關(guān)B Ekm與入射光強度成正比C 當 0時 會逸出光電子D 圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān) 解題提示 解答本題時應能讀懂圖象 且應理解光電效應的兩個關(guān)系 解析 選D 金屬的逸出功與入射光無關(guān) A錯 光電子的最大初動能與入射光強度無關(guān) B錯 當入射光的頻率小于極限頻率 不能發(fā)生光電效應現(xiàn)象 C錯 據(jù)光電效應方程可知圖象的斜率與普朗克常量有關(guān) D對 三 利用光子說解釋康普頓效應1 假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞 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 h 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h 減小為h 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 2 康普頓效應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 典例3 康普頓效應證實了光子不僅具有能量 也有動量 如圖給出了光子與靜止電子碰撞后 電子的運動方向 則碰后光子可能沿方向 運動 并且波長 選填 不變 變短 或 變長 解題指導 根據(jù)碰撞過程中動量 能量均守恒以及動量是矢量分析此題 標準解答 因光子與電子的碰撞過程動量守恒 所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前動量的方向一致 可見碰后光子運動的方向可能沿1方向 不可能沿2或3方向 通過碰撞 光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子 能量減少 由E h 知 頻率變小 再根據(jù)c 知 波長變長 答案 1變長 變式訓練 假如一個光子與一個靜止的電子碰撞 光子并沒有被吸收 只是被電子反彈回來 散射光子的頻率與原來光子的頻率相比哪個大 為什么 解析 碰撞后光子動量減小 而所以波長變大 又由c 知 變小 答案 見解析 典例 1905年是愛因斯坦的 奇跡 之年 這一年他先后發(fā)表了三篇具有劃時代意義的論文 其中關(guān)于光量子的理論成功地解釋了光電效應現(xiàn)象 關(guān)于光電效應 下列說法正確的是 A 當入射光的頻率低于極限頻率時 不能發(fā)生光電效應B 光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比C 光電子的最大初動能與入射光的強度成正比D 某單色光照射一金屬時不發(fā)生光電效應 改用波長較短的光照射該金屬可能發(fā)生光電效應 解題指導 只有入射光子的能量足夠大 大于逸出功 電子才能 逸出 所以能否發(fā)生光電效應與光的頻率有關(guān)而與光的強度無關(guān) 若已經(jīng)發(fā)生光電效應 逸出的光電子數(shù)跟入射光的強度成正比 光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大 標準解答 選A D 根據(jù)光電效應現(xiàn)象的實驗規(guī)律 只有入射光頻率大于極限頻率才能發(fā)生光電效應 故A D正確 根據(jù)光電效應方程 最大初動能與入射光頻率為線性關(guān)系 但非正比關(guān)系 B錯 根據(jù)光電效應現(xiàn)象的實驗規(guī)律 光電子的最大初動能與入射光強度無關(guān) C錯 一 選擇題1 關(guān)于能量量子化和光的粒子性 下列說法正確的是 A 黑色的物體是黑體B 光電子不是光子 光電子本質(zhì)上是電子C 隨著溫度的升高 黑體的輻射強度都有增加 輻射強度的極大值向波長較長的方向移動D 光子的質(zhì)量是指它的相對論質(zhì)量 俗稱動質(zhì)量 沒有靜止質(zhì)量 解析 選B D 黑色物體并不一定就是黑體 黑體是指能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體 當照射光的頻率大于某種金屬的極限頻率時 照射到金屬表面的光 能使金屬中的電子從其表面逸出 逸出的電子稱為光電子 其本質(zhì)就是電子 對于黑體輻射 隨著溫度的升高 黑體的輻射強度都有增加 輻射強度的極大值向波長較短的方向移動 由于光不能靜止下來 因此光子沒有靜止質(zhì)量 光子的質(zhì)量是指它的相對論質(zhì)量 俗稱動質(zhì)量 故B D正確 2 下列敘述錯誤的是 A 一切物體都在輻射電磁波B 一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C 黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D 黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波 解析 選B 我們周圍的一切物體都在輻射電磁波 故A正確 根據(jù)熱輻射和黑體輻射的特點知 一般物體輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外 還與材料種類和表面狀況有關(guān) 而黑體輻射只與黑體的溫度有關(guān) B錯誤 C正確 根據(jù)黑體的定義知D正確 3 2011 金華高二檢測 某種金屬在單色光照射下發(fā)出光電子 光電子的最大初動能 A 隨照射光強度的增大而增大B 隨照射光頻率的增大而增大C 隨照射光波長的增大而增大D 與照射光的照射時間無關(guān) 解析 選B D 根據(jù)光電效應現(xiàn)象的實驗規(guī)律 光電子的最大初動能隨照射光頻率的增大而增大 與入射光強度無關(guān) 入射光的強度只是與光電流有關(guān) 而光子的波長增大其頻率反而減小 能否發(fā)生光電效應以及光電子的最大初動能與照射時間都沒有關(guān)系 故選項B D正確 4 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 碰撞后的波長為 則碰撞過程中 A 能量守恒 動量守恒 且 B 能量不守恒 動量不守恒 且 C 能量守恒 動量守恒 且 解析 選C 能量守恒和動量守恒是自然界的普遍規(guī)律 適用于宏觀世界也適用于微觀世界 光子與電子碰撞時遵循這兩個守恒規(guī)律 光子與電子碰撞前光子的能量當光子與電子碰撞時 光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子 光子的能量由E E 可知 選項C正確 5 2011 徐州高二檢測 光子有能量 也有動量它也遵守有關(guān)動量的規(guī)律 如圖所示 真空中有一 字形裝置可繞通過橫桿中點的豎直軸OO 在水平面內(nèi)靈活地轉(zhuǎn)動 其中左邊是圓形黑紙片 右邊是和左邊大小 質(zhì)量都相同的圓形白紙片 當用平行白光垂直照射這兩個圓面時 關(guān)于裝置開始轉(zhuǎn)動情況 俯視 的下列說法中正確的是 A 順時針方向轉(zhuǎn)動B 逆時針方向轉(zhuǎn)動C 都有可能D 不會轉(zhuǎn)動 解析 選B 白紙片反射光子 光子的動量變化大 由動量定理知 光子對白紙片的沖擊力大 故B正確 6 2011 揚州高二檢測 如圖所示 用綠光照射一光電管的陰極時產(chǎn)生光電效應 欲使光子從陰極逸出時的最大初動能增大 應采取的措施是 A 改用紅光照射B 改用紫光照射C 增大綠光的強度D 增大加在光電管上的正向電壓 解析 選B 發(fā)生光電效應時 光電子的最大初動能隨照射光頻率的增大而增大 與照射光強度 光電管的電壓無關(guān) 紅光的頻率比綠光的頻率小 不一定能發(fā)生光電效應 即使發(fā)生光電效應 光電子的最大初動能也較小 而紫光的頻率大于綠光的頻率 故選項B正確 7 用波長為 1和 2的單色光A和B分別照射兩種金屬C和D的表面 單色光A照射兩種金屬時都能產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象 單色光B照射時 只能使金屬C產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象 不能使金屬D產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象 設(shè)兩種金屬的逸出功分別為WC和WD 則下列選項正確的是 A 2 WC WDB 1 2 WC WDC 1 2 WC WDD 1 2 WC WD 解析 選D 由題意知 A光光子的能量大于B光光子 根據(jù)得 1 2 又因為單色光B只能使金屬C產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象 不能使金屬D產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象 所以WC WD 故正確選項是D 8 研究光電效應規(guī)律的實驗裝置如圖所示 以頻率為 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間加的是反向電壓 光電子從陰極K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 且遏止電壓為U0 在下列表示光電效應實驗規(guī)律的圖象中 錯誤的是 解析 選B 當反向電壓U和入射光頻率 一定時 發(fā)生光電效應產(chǎn)生的光電子數(shù)與光強成正比 則單位時間到達陽極A的光電子數(shù)與光強也成正比 故光電流i與光強I成正比 所以選項A正確 由動能定理得 eU0 0 Ek 又因Ek h W0 所以可知遏止電壓U0與頻率 是線性關(guān)系 但不是正比例關(guān)系 故選項B錯誤 當光強與入射光頻率一定時 單位時間內(nèi)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小 選項C正確 根據(jù)光電效應的瞬時性規(guī)律 可知選項D正確 方法技巧 利用光電效應規(guī)律解題的技巧應用光電效應規(guī)律解題應當明確 1 光電效應規(guī)律中 光電流的強度 指的是光電流的飽和值 對應從陰極發(fā)射出的電子全部被拉向陽極的狀態(tài) 因為光電流未達到飽和值之前 其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) 只有在光電流達到飽和值以后才和入射光的強度成正比 2 明確兩個決定關(guān)系 1 逸出功W0一定時 入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應以及光電子的最大初動能 2 入射光的頻率一定時 入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù) 二 非選擇題9 2011 新課標全國卷 在光電效應實驗中 某金屬的截止頻率相應的波長為 0 該金屬的逸出功為 若用波長為 0 的單色光做實驗 則其遏止電壓為 已知電子的電荷量 真空中的光速和普朗克常量分別為e c和h 解析 由W h 0 又eU Ek 且Ek h W 所以答案 10 如圖所示 陰極K用極限波長是 0 0 66 m的金屬銫制成 用波長 0 50 m的綠光照射陰極K 調(diào)整兩個極板電壓 當A板電壓比陰極高出2 5V時 光電流達到飽和 電流表G的示數(shù)為0 64 A 求 1 每秒鐘內(nèi)陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極K時的最大初動能 2 若把入射到陰極的綠光的光強增大到原來的二倍 求每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子到達A極的最大動能 3 G中電流為零的條件即遏止電壓UAK 解析 題目中的光電流達到飽和是指光電流達到最大值 因為光電流未達到最大值之前 其值大小不僅與入射光強度有關(guān) 還跟光電管兩極的電壓有關(guān) 只有在光電流達到最大以后才和入射光的強度成正比 1 光電流達到飽和時 陰極發(fā)射的光電子全部到達陽極A 所以陰極每秒鐘發(fā)射的光電子的個數(shù) 根據(jù)光電效應方程 Ek h W 代入可求得Ek 9 6 10 20J 2 若入射光的頻率不變 光的強度加倍 則陰極每秒發(fā)射的光電子數(shù)也加倍 即n 2n 8 0 1012個 根據(jù)Ek h W可知 光電子的最大初動能不變 由于A K之間電勢差是2 5V 所以電子到達A極時的最大動能為 Ek Ek eU 4 96 10 19J 3 光電子的最大初動能Ek 9 6 10 20J 0 6eV 若使G中電流為零 光電子到達A極時克服電場力做功至少為W eU Ek 解得U 0 6V 即UAK 0 6V 答案 1 4 0 1012個9 6 10 20J 2 8 0 1012個4 96 10 19J 3 UAK 0 6V Thankyou 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全