学年高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性同步备课学案新人教版.docx
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学年高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性同步备课学案新人教版
2光的粒子性
[目标定位] 1.了解光电效应及其实验规律.2.知道爱因斯坦光电效应方程及其应用.3.了解康普顿效应及其意义．
一、光电效应
1．光电效应
照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象．
2．光电子：
光电效应中发射出来的电子．
【深度思考】
如图1，把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开．用紫外线灯照射锌板，这时，验电器指针有什么变化，这个现象说明了什么？
若开始锌板不带电，用紫外线灯照射时，验电器指针又会有什么变化？
图1
答案 可以看到验电器指针张开的角度变小，说明锌板失去了电子．光电效应的本质是逸出了电子，所以当锌板不带电，用紫外线灯照射时，可看到验电器指针张开一个角度，这时锌板和验电器都带正电．
【例1】 （多选）如图2所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是（ ）
图2
A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转
B．用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转
C．锌板带的是负电荷
D．使验电器指针发生偏转的是正电荷
解析 将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板（弧光灯发出紫外线），验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电．这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出，锌板带正电，选项A、D正确．红光不能使锌板发生光电效应．
答案 AD
能否发生光电效应取决于入射光的频率是否大于或等于极限频率，与入射光的强度无关．
二、光电效应的实验规律
1．存在着饱和电流：
在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大．这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．
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频率有关，而与入射光的强弱无关．当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应．
3．光电效应具有瞬时性：
光电效应中产生电流的时间不超过10－9s.
【深度思考】
如图3是光电效应实验中得到的光电流与电压的关系图象，从图象中可以得到哪些结论？
图3
答案
（1）饱和电流和入射光强度的关系．入射光越强，饱和电流越大．因为光越强，包含的光子数越多，照射金属时形成的光电子越多，形成的饱和电流就越大．
（2）遏止电压（或截止频率）与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关．入射光的频率越大，遏止电压越大，光电子逸出时的最大初动能越大．
【例2】 入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（ ）
A．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
B．逸出的光电子的最大初动能将减小
C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
D．有可能不发生光电效应
解析 发生光电效应几乎是瞬时的，选项A错误．入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少；频率不变，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误．入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也减少，故选项C正确．入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项D错误．
答案 C
1．能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关．
2．发生光电效应时，产生的光电子数与入射光的频率无关，与入射光的强度有关．
3．逸出功对应金属的极限频率，由波速公式可知，逸出功还对应极限波长．
针对训练1 （多选）如图4所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是（ ）
图4
A．入射光太弱B．入射光波长太长
C．光照时间短D．电源正负极接反
答案 BD
解析 光电管能否产生光电效应与入射光的强度没有关系；若入射光波长太长，频率低于截止频率，不能产生光电效应，B正确；光电管能否产生光电效应与光照时间没有关系；电源正负极接反时，光电管加上反向电压，若电压超过了遏止电压，也没有光电流．
三、爱因斯坦的光电效应方程
1．光子说
光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν.
2．爱因斯坦光电效应方程的表达式
hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.
3．逸出功W0：
电子从金属中逸出需要克服束缚而消耗的能量的最小值．光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少．
4．光电效应方程的理解
（1）光电效应方程实质上是能量守恒方程
能量为E＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W0，则电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知：
Ek＝hν－W0.
（2）光电效应方程包含了产生光电效应的条件
若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于等于零，即Ek＝hν－W0＞0，亦即hν＞W0，ν＞
＝νc，而νc＝
恰好是光电效应的截止频率．
（3）Ekm－ν曲线
图5
如图5所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量．
【深度思考】
光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系，而遏制电压Uc与最大初动能也有关，你能根据所学推导出Uc与ν和W0的关系吗？
答案 由光电效应方程Ek＝hν－W0，而遏制电压Uc与最大初动能的关系为eUc＝Ek，所以得Uc与入射光频率ν的关系是：
eUc＝hν－W0，即Uc＝
－
.
【例3】 如图6所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.6V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为（ ）
图6
A．1.9eVB．0.6eV
C．2.5eVD．3.1eV
解析 由题意知光电子的最大初动能为
Ek＝eUc＝0.6eV
所以根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得
W0＝hν－Ek＝（2.5－0.6）eV＝1.9eV
答案 A
1．逸出功W0对应着某一极限频率νc，即W0＝hνc，只有入射光的频率ν≥νc时才有光电子逸出，即才能发生光电效应．
2．对于某一金属（νc一定），入射光的频率决定着能否产生光电效应及光电子的最大初动能，而与入射光的强度无关．
针对训练2 （多选）如图7所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象，由图象可知（ ）
图7
A．该金属的逸出功等于E
B．该金属的逸出功等于hνc
C．入射光的频率为νc时，产生的光电子的最大初动能为E
D．入射光的频率为2νc时，产生的光电子的最大初动能为2E
答案 AB
解析 题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率νc时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hνc＝W0，即该金属的逸出功等于hνc，选项B正确；根据图线的物理意义，有W0＝E，故选项A正确，选项C、D错误．
四、康普顿效应
1．康普顿效应
美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．
2．康普顿效应的意义：
康普顿效应表明光子除了具有能量之外还具有动量，深刻揭示了光的粒子性的一面．
3．光子的动量表达式：
p＝
.
1.（光电效应现象）在用如图8所示装置做光电效应实验中，当紫外线照射锌板时，发现原本闭合的验电器指针发生了明显的偏转中，则此时（ ）
图8
A．验电器的金属球不带电
B．验电器的金属指针带正电
C．锌板被紫外线照射到的一面带负电
D．锌板未被紫外线照射到的一面带负电
答案 B
解析 用弧光灯发出的紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，则验电器的金属球和金属指针带正电，故B正确，A、C、D错误．
2．（光电效应规律）关于光电效应，下列说法正确的是（ ）
A．当入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应
B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应
C．光电效应现象中存在极限频率，导致含有光电管的电路存在饱和电流
D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多
答案 A
解析 光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率，与入射光的强度无关，饱和电流的大小与极限频率无关，与入射光的强度有关；入射光的光强一定时，频率越高，光子的能量值越大，入射光中光子的数目越少，单位时间内逸出的光电子数就越少．
3．（光电效应规律）某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是（ ）
A．延长光照时间B．增大光的强度
C．换用波长较短的光照射D．换用频率较低的光照射
答案 C
解析 光照射金属时能否产生光电效应，取决于入射光的频率是否大于金属的截止频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D错误；又因ν＝
，所以选项C正确．
4．（光电效应方程的理解与应用）（多选）在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是（ ）
A．增大入射光的强度，光电流增大
B．减小入射光的强度，光电效应现象消失
C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应
D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大
答案 AD
解析 增大入射光的强度，单位时间内发射的光电子数增加，则光电流增大，选项A正确；光电效应能否发生与照射光频率有关，与照射光强度无关，选项B错误；改用频率较小的光照射时，如果光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，否则，不能发生光电效应，选项C错误；光电子的最大初动能Ek＝hν－W0，故改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大，选项D正确．
5．分别用波长为λ和
λ的单色光照射同一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为1∶2，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则此金属板的逸出功为（ ）
A.
B.
C.
D.
答案 A
解析 根据光电效应方程得
Ek1＝h
－W0①
Ek2＝h
－W0②
又Ek2＝2Ek1③
联立①②③得W0＝
，A正确.
题组一 光电效应的现象及规律
1．当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时（ ）
A．锌板带负电
B．有正离子从锌板逸出
C．有电子从锌板逸出
D．锌板会吸附空气中的正离子
答案 C
解析 当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，有电子从锌板逸出，锌板带正电，选项C正确，A、B、D错误．
2.（多选）在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏静电计相连，用弧光灯（紫外线）照射锌板时，静电计的指针就张开一个角度，如图1所示，这时（ ）
图1
A．锌板带正电，指针带负电
B．锌板带正电，指针带正电
C．若用黄光照射锌板，则可能不产生光电效应现象
D．若用红光照射锌板，则锌板能发射光电子
答案 BC
解析 锌板在紫外线照射下，发生光电效应现象，有光电子飞出，故锌板带正电，指针上的部分电子被吸引到锌板上发生中和，使指针带正电，B对，A错；红光和黄光的频率都小于紫外线的频率，都可能不产生光电效应，C对，D错．
3．用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则（ ）
A．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变
B．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小
C．逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小
D．光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了
答案 A
解析 光的频率不变，表示光子能量不变，仍会有光电子从该金属表面逸出，逸出的光电子的最大初动能也不变；若再减弱光的强度，逸出的光电子数就会减少，选项A正确．
4．关于光电效应的规律，下列说法中正确的是（ ）
A．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能发生
B．光电子的最大初动能跟入射光的强度成正比
C．发生光电效应的时间一般都大于10－7s
D．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数与入射光的强度成正比
答案 D
解析 由ε＝hν＝h
知，当入射光波长大于极限波长时，不能发生光电效应，A错；由Ek＝hν－W0知，最大初动能由入射光频率决定，与入射光的强度无关，B错；发生光电效应的时间一般不超过10－9s，C错．
5.如图2，用一定频率的单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，则（ ）
图2
A．电源右端应为正极
B．流过电流表G的电流大小取决于照射光的频率
C．流过电流表G的电流方向是a流向b
D．普朗克解释了光电效应并提出光子能量E＝hν
答案 C
解析 发生光电效应时，电子从光电管右端运动到左端，电流的方向与电子定向移动的方向相反，所以流过电流表G的电流方向是a流向b；光电管两端可能是正向电压也可能是反向电压，所以电源右端可能为正极，也可能为负极；流过电流表G的电流大小取决于照射光的强度，与光的频率无关；爱因斯坦解释了光电效应并提出光子能量E＝hν.
题组二 光电效应方程的应用相关图象问题
6．某金属的逸出功为2.3eV，这意味着（ ）
A．这种金属内部的电子克服原子核引力做2.3eV的功即可脱离金属表面
B．这种金属表层的电子克服原子核引力做2.3eV的功即可脱离金属表面
C．要使这种金属有电子逸出，入射光子的能量必须大于2.3eV
D．这种金属受到光照时若有电子逸出，则电子离开金属表面时的动能至少等于2.3eV
答案 B
解析 逸出功是指原子的最外层电子脱离原子核克服引力所做的功．
7．（多选）已知能使某金属产生光电效应的极限频率为νc，则（ ）
A．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子
B．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc
C．当入射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大
D．当入射光的频率ν大于νc时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
答案 AB
解析 因入射光的频率大于极限频率时会产生光电效应，所以A正确；因为金属的极限频率为νc，所以逸出功W0＝hνc，再由Ek＝hν－W0得，Ek＝2hνc－hνc＝hνc，B正确；因为逸出功是光电子恰好逸出时需要做的功，对于同种金属是恒定的，故C错误；由Ek＝hν－W0＝hν－hνc＝h（ν－νc）可得，当ν增大一倍时：
＝
≠2，故D错误．
8.研究光电效应的电路如图3所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板（阴极K），钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流．下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中，正确的是（ ）
图3
答案 C
解析 用频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以遏止电压相同；饱和电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大，故选项C正确．
9．用不同频率的光分别照射钨和锌，产生光电效应，根据实验可画出光电子的最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek－ν图线．已知钨的逸出功是3.28eV，锌的逸出功为3.34eV，若将二者的图线画在同一个Ek－ν坐标系中，则正确的图是（ ）
答案 A
解析 根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，Ek－ν图象的斜率为普朗克常量h，因此图中两线应平行，故C、D错误；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应（光电子动能为零）时的入射光频率即极限频率．由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的入射光的频率越高，所以能使金属锌发生光电效应的极限频率更高，所以A正确，B错误．
10.（多选）金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图象如图4所示．则由图象可知（ ）
图4
A．该金属的逸出功等于hνc
B．入射光的频率发生变化时，遏止电压不变
C．若已知电子电荷量e，就可以求出普朗克常量h
D．入射光的频率为3νc时，产生的光电子的最大初动能为2hνc
答案 ACD
解析 当遏止电压为零时，最大初动能为零，W0＝hνc.根据光电效应方程Ekm＝hν－W0和eUc＝Ekm得，Uc＝
－
，当入射光的频率大于极限频率时，遏止电压与入射光的频率成线性关系．由Uc＝
－
，知图线的斜率等于
，从图象上可以得出斜率的大小，已知电子电量，可以求出普朗克常量；从图象上可知，逸出功W0＝hνc.根据光电效应方程，Ekm＝hν－W0＝hν－hνc.若入射光的频率为3νc时，产生的光电子的最大初动能为2hνc.
题组三 综合应用
11．（多选）下列对光子的认识，正确的是（ ）
A．光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的粒子
B．光子说中的光子就是光电效应中的光电子
C．在空间中传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子
D．光子的能量跟光的频率成正比
答案 CD
解析 根据光子说，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子，而牛顿的微粒说中的微粒指的是宏观世界的微小颗粒，光电效应中的光电子指的是金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚，逸出金属表面的粒子，故A、B选项错误，C选项正确；由ε＝hν知，光子能量ε与其频率ν成正比，故D选项正确．
12．如图5甲所示为研究光电效应的电路图．
甲 乙
图5
（1）对于某金属用紫外线照射时，电流表指针发生偏转．将滑动变阻器滑片向右移动的过程中，电流表的示数不可能________（选填“减小”或“增大”）．如果改用频率略低的紫光照射，电流表________（选填“一定”、“可能”或“一定没”）有示数．
（2）当用光子能量为5eV的光照射时，测得电流计上的示数随电压变化的图象如图乙所示．则光电子的最大初动能为________J，金属的逸出功为________J.
答案
（1）减小 可能
（2）3.2×10－19 4.8×10－19
解析
（1）AK间所加的电压为正向电压，光电子在光电管中加速，滑动变阻器滑片向右移动的过程中，若光电流达到饱和，则电流表示数不变，若光电流没达到饱和电流，则电流表示数增大，所以滑动变阻器滑片向右移动的过程中，电流表的示数不可能减小．紫光的频率小于紫外线，紫外线照射能发生光电效应，紫光照射不一定能发生光电效应．所以电流表可能有示数．
（2）由题图乙可知，当该装置所加的电压为反向电压，当电压是－2V时，电流表示数为0，得光电子的最大初动能为2eV，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0得W0＝3eV＝4.8×10－19J.
13．铝的逸出功为4.2eV，现用波长为200nm的光照射铝的表面．已知h＝6.63×10－34J·s，求：
（1）光电子的最大初动能；
（2）遏止电压；
（3）铝的截止频率．
答案
（1）3.225×10－19J
（2）2.016V
（3）1.014×1015Hz
解析
（1）根据光电效应方程Ek＝hν－W0有
Ek＝
－W0＝
J－4.2×1.6×10－19J＝3.225×10－19J
（2）由Ek＝eUc可得Uc＝
＝
V≈2.016V.
（3）hνc＝W0知νc＝
＝
Hz≈1.014×1015Hz.
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