知識講解光的粒子性

高中物理物理總復(fù)習(xí)：光的粒子性【考綱要求】1、理解光子說及其對光電效應(yīng)的解釋2、理解愛因斯坦光電效應(yīng)方程并會用來解決簡潔問題3、了解光既具有波動性，又具有粒子性4、了解光是一種概率波?！究键c梳理】考點一、黑體與黑體輻射要點詮釋：1、熱輻射受到激發(fā)而放射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。2、黑體與黑體輻射能夠完全吸取入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體稱為確定黑體，簡稱黑體。不透亮的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。假設(shè)在一個空腔壁上開一個很小的孔，如以下圖，那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)外表發(fā)生屢次反射和吸取，最終不能從空腔射出，這個小孔就成為了一個確定黑體。對圖中的空腔加熱，空腔內(nèi)的溫度上升，小孔就成了不同溫度下的導(dǎo)體，從小孔向外的輻射就是黑體輻射。爭論黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的根底。試驗說明黑體輻射強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。利用分光技術(shù)和熱電偶等設(shè)備就能測出它所輻射的電磁波強度按波長的分布狀況畫出了四種溫度下黑體熱輻射的強度與波長的關(guān)系：從中可以看出，隨著溫度的上升，一方面各種波長的輻射強度都有增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。3、能量子輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以放射和吸取輻射能。理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε〔稱為能量子〕的整數(shù)倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。高中物理高中物理對于頻率為的諧振子最小能量為h，其中是電磁波的頻率，h是一個常量，后被稱為普朗克常量，其值為h=6.62610-3J·。宏觀世界中我們說的能量值是連續(xù)的的，或者說微觀粒子的能量是分立的。試驗符合令人擊掌叫絕?？键c二、光電效應(yīng)要點詮釋：1、光電效應(yīng)現(xiàn)象用紫外線照耀與驗電器相連的不帶電的鋅板時說明有電子從金屬外表飛出。在光〔包括不行見光〕的照耀下從物體放射出電子的現(xiàn)象，叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)中放射出來的電子叫光電子。試驗說明，不僅紫外線能產(chǎn)生光電效應(yīng)，對于堿金屬，例如：鋰、鈉、鉀、銫等，用可見光照耀也能產(chǎn)生光電效應(yīng)。2、光電效應(yīng)試驗在光〔包括不行見光〕的照耀下從物體放射出電子的現(xiàn)象，叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)中放射出來的電子叫光電子。光電子定向移動形成的電流叫光電流。K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，K在受到光照時能夠放射光電子。電源加在K與A之間的電壓大小可以調(diào)整，正負極也可以對調(diào)。電源按圖示極性連接時，陽極A吸取陰極K發(fā)出的光電子，在電路中形成了〔顏色〕等物理量之間的關(guān)系。高中物理高中物理3、光電效應(yīng)規(guī)律存在著飽和光電流Is與入射光強度成正比。在光照條件不變的狀況下，隨著所加電壓的增加，光電流趨于一個飽和值入射光越強，飽和電流越大假設(shè)用確定頻率和強度的單色光照耀陰極K，轉(zhuǎn)變加在AK兩極間的電壓U，測量光電流I的變化，則可得如以下圖的伏安特性曲線。試驗說明：光電流I隨正向電壓UIs；而且飽和電Is的大小與入射光強度成正比。存在著遏止電壓和截止頻率當(dāng)所加電壓為零時，電流I并不為零只有施加反向電壓，電流才有可能為零由上圖可見，A和K兩極間的電壓為零時，光電流并不為零，只有當(dāng)兩極間加了反向電壓U=-UC＜0時，光電流I才為零，UC稱為遏止電壓(或截止電壓)。試驗說明：對于確定顏色〔頻率〕的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的。光射光頻率的增加而增加。當(dāng)入射光的頻率減小到某個值 時即使不施加反向電壓也沒有光電流說明已經(jīng)沒0有光電子了結(jié)論：光電子的能量與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強弱無關(guān)，當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時不能發(fā)生光電效應(yīng)。不同金屬的極限頻率不同。光電效應(yīng)是瞬時發(fā)生的。試驗覺察，只要入射光的頻率0

，無論光多么微弱，從光照耀陰極到光電子逸出，這段時間不超過10-9s。光電效應(yīng)的發(fā)生時間如此之短，通常稱它是瞬時發(fā)生的?？键c三、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程要點詮釋：愛因斯坦的光子與牛頓的粒子有著本質(zhì)的不同。光子是只有能量而無靜止質(zhì)量的粒子，而牛頓的粒子是指實物粒子。1、光子說對光電效應(yīng)的解釋①光是由一個個光子組成，被光子“打中”的電子，這個光子的能量就全部給這個電子，而沒有被光子“打中”的電子，則一點能量也沒有獲得。②得到能量的電子，動能馬上增大，而不需要積存能量的過程。個能量缺乏以擺脫金屬的束縛，則不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。目與光強成正比。2、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值向運動，有的向金屬內(nèi)部運動，并不出來。向金屬外表運動的電子，經(jīng)過的路程不同，途中高中物理高中物理具有最大初動能。這些光電子抑制金屬原子的引力所做的功叫做逸出功。光電效應(yīng)方程12mv2跟入射光子的能量h和逸出功W之間有如下關(guān)系：1mv22

hW 這個方程叫愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。對于確定的金屬來說，逸出功W的值是確定的。所以入射光子的頻率越大，光電子的最大初動能也越大。電子也多，所以光電流的飽和值也大。3、光電效應(yīng)的圖像光電子的最大初動能隨光的頻率變化而變化的圖象，如以下圖。12

mv21

0

，可知：2當(dāng)E mv22K

0時，0

，即圖象中的橫截距，在數(shù)值上等于金屬的極限頻率。ktanh，即圖象的外形是一條斜線，斜線的斜率在數(shù)值上等于普朗克常數(shù)。圖象中縱截距在數(shù)值上等于這金屬的逸出功：Wh。04、光電效應(yīng)的應(yīng)用遍的一種光電器件。A。當(dāng)光照耀到光電管的陰極Kab的電流?？键c四、康普頓效應(yīng)要點詮釋：1、光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。2、康普頓效應(yīng)英國物理學(xué)家康普頓在爭論石墨對X射線的色散時，覺察在色散的X射線中，除了與入射波長λ0一樣的成格外，還有波長大于λ0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。說明光子除了能量之外還具有動量。3、光子的動量確定的質(zhì)量m與確定的能量E相對應(yīng)：E=mc2高中物理高中物理pmv有：pmcmEchhc2 在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時，要把一局部動量轉(zhuǎn)移給電子，p長變大?？键c五、粒子的波動性要點詮釋：1、光的波粒二象性

hpλ變大，因此有些光子散射后波說明光是具有能量Eh的光子流，也就是說光具有粒子性。·即光具有波粒二象性，這就是光的本性。大量光子的傳播規(guī)律表達波動性；個別光子的行為表達為粒子性。頻率越低，波長越長的光，波動性越顯著；頻率越高，波長越短的波，粒子性越顯著?？梢园压獾牟▌有钥醋鍪钦f明大量光子運動規(guī)律的一種概率波。2、粒子的波動性1924年，法國物理學(xué)家德布羅意把光的波粒二象性推廣到實物粒子，如電子、質(zhì)子等。Ep跟它所對應(yīng)的波的頻率λ之間，也向光子跟光波一樣，遵從如下Ehpmvh來稱為物質(zhì)波，亦稱德布羅意波，而 h

h稱為德布羅意波長公式。物質(zhì)波也是一種概率波。3、物質(zhì)波的試驗驗證

mv p光的干預(yù)和衍射是光具有波動性的有力證據(jù)。1927G·P·湯姆遜用電無法觀看到它們的波動性?？键c六、概率波要點詮釋：性，即某些區(qū)域光子落點多，另一些區(qū)域光子落點少，落點多的區(qū)域就是亮條紋消滅的概率可以通過波動的規(guī)律確定。因此說光波是一種概率波。的分布等。【典型例題】高中物理高中物理類型一、光的本性的生疏1、關(guān)于光的本性，以下說法中正確的選項是〔〕A、關(guān)于光的本性，牛頓提出微粒說，惠更斯提出波動說，愛因斯坦提出光子說，它們都說明白光的本性B、光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C、光的干預(yù)、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性D、光的波粒二象性是將牛頓的波動說和惠更斯的粒子說真正有機地統(tǒng)一起來【思路點撥】理解光的本性，波動性的特征及代表人物，粒子性的特征及代表人物。【答案】C的干預(yù)、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性，故ABD錯誤，C對?！究偨Y(jié)升華】光既有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性，這就是光的本性。舉一反三【變式1】依據(jù)愛因斯坦的“光子說”可知〔 〕“光子說”本質(zhì)就是牛頓的“微粒說”光的波長越大，光子的能量越小一束單色光的能量可以連續(xù)變化只有光子數(shù)很多時，光才具有粒子性【答案】BA錯誤。由Ehc可知選項BC錯誤。光子不但具有波動性，而且具有粒子性，選項D錯誤?！咀兪?】關(guān)于光的波粒二象性的說法中，正確的選項是〔 〕有的光是波，有的光是粒子光子與電子是同樣的一種粒子光的波長越長，其波動性就越顯著；波長越短，其粒子性就越顯著光子的數(shù)量越少波動性就越顯著；光子的數(shù)量越多粒子性就越顯著【答案】C【解析】光具有波粒二象性，不能分割開來；光是一種電磁波，而電子是實物粒子，二者不動性越顯著，波長越短，粒子性越顯著。選項C正確。類型二、光電效應(yīng)【高清課堂：光學(xué)2 例3】例2、能使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的截止頻率為ν0則〔 〕當(dāng)用頻率為2ν0的單色光照耀該金屬時，確定能產(chǎn)生光電子當(dāng)用頻率為2ν0的單色光照耀該金屬時，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能為hν0ν0ν增大，則逸出功增大νν0ν增大一倍，則光電子的最大初動能也增大一倍高中物理高中物理0W=hv。0【解析】金屬中電子的逸出功W是確定的，等于恰好能產(chǎn)生光電效應(yīng)的光的能量hν0，ν012A正確；依據(jù)光電效應(yīng)方程mv2hW，其中Wh ，可推斷B正確，D錯誤，20應(yīng)選AB?！究偨Y(jié)升華】對于光電效應(yīng)現(xiàn)象要正確理解極限頻率、入射光頻率、逸出功、最大初動能、光照強度、光電流大小等之間的關(guān)系。舉一反三【變式1】光電效應(yīng)試驗中，以下表述正確的選項是〔 〕光照時間越長光電流越大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有關(guān)D.入射光頻率大于極限頻率才能產(chǎn)生光電子CD【解析】A、光電流的大小與光照時間無光，與光的強度有關(guān)，A錯；B、發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光頻率大于極限頻率，入射光強，不愿定能發(fā)生光電效應(yīng)，B錯；C、依據(jù)光電Ekm

eUC

hW0

，知遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)，故C正確；D、發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光頻率大于極限頻率．D正確，應(yīng)選CD?！咀兪?】用一束紫外線照耀某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是〔〕改用頻率更小的紫外線照耀 B.改用X射線照耀C.改用強度更大的原紫外線照耀 D.延長原紫外線的照耀時間【答案】B圖可知，X射線頻率更大，B對；頻率小于極限頻率，轉(zhuǎn)變光的強度、延長照耀時間沒用，應(yīng)選B。3A、B分別沿半徑方向由空氣射入半圓形玻璃磚，出射光P，以下說法正確的選項是〔〕A．AB光的頻率AB光的傳播速度C．兩種單色光由玻璃射向空氣時，A光的臨界角較大DBA光照耀該金屬也確定能發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象高中物理高中物理【答案】CAB光偏折大，相當(dāng)于紫光，依據(jù)“色光規(guī)律模型圖AB光，ABA光的傳播速度大B光的傳播速度，由玻璃射向空氣時，A光的臨界角較大，AB錯C對；由于A光的頻率BBA光照耀該金屬不愿定能發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象。【變式4】光電效應(yīng)的試驗結(jié)論是：對于某種金屬〔 〕A．無論光強多強，只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)B．無論光的頻率多低，只要光照時間足夠長就能產(chǎn)生光電效應(yīng)C．超過極限頻率的入射光強度越弱，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越小D．超過極限頻率的入射光頻率越高，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越大AD5】半圓形玻璃磚橫截面如圖，AB為直徑，O點為圓心。在該界面內(nèi)有a、b兩束單色可見光從空氣垂直于AB射入玻璃磚，兩入射點到O的距離相等。兩束光在半圓邊界上a、b兩束光〔〕A．在同種均勻介質(zhì)中傳播，a光的傳播速度較大B．以一樣的入射角從空氣斜射入水中，b光的折射角較大C．a(chǎn)光照耀某金屬外表能發(fā)生光電效應(yīng)，b光也確定能D．分別通過同一雙縫干預(yù)裝置，a光的相鄰亮條紋間距大【答案】ACD【解析】由于兩束光的入射點到O點的距離相等，因此它們在半圓邊界上的入射角一樣，ba光能夠折射，a光相當(dāng)于紅光，b光相當(dāng)于紫光，說明b光的全a光的全反射臨界角，由n

1sinC可知，ba光的折射率，ba光的頻率高，由v

cna光的傳播速度大，AbB項錯誤；ba光的頻率高，因此a光照耀到某種金屬外表能發(fā)生光電效應(yīng)，b光照耀高中物理高中物理也確定能發(fā)生光電效應(yīng)，C項正確；通過同一雙縫干預(yù)裝置，頻率低的波長長，干預(yù)條紋間距大，D項正確。例〔2023 江蘇卷〔〕波粒二象性時微觀世界的根本特征，以下說法正確的有〔〕A．光電效應(yīng)現(xiàn)象提示了光的粒子性B．熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣說明中子具有波動性C．黑體輻射的試驗規(guī)律可用光的波動性解釋D．動能相等的質(zhì)子和電子，它們的德布羅意波也相等BCA正確；熱中子在晶體上產(chǎn)生衍射圖樣，即運B正確；黑體輻射的試驗規(guī)律說解釋，即C錯誤；依據(jù)的德布羅意波長公式

h，p22mEp

，又質(zhì)子的質(zhì)量大于電子的質(zhì)量，所以動能相等的質(zhì)子和電子，質(zhì)子的德布羅意波較短，所以D錯誤?！军c評】此題考察波粒二象性舉一反三1】產(chǎn)生光電效應(yīng)時，關(guān)于逸出光電子的最大初動能Ek，以下說法正確的選項是〔〕〔填入正確選項前的字母〕.A.對于同種金屬，Ek與照耀光的強度無關(guān)B.對于同種金屬，Ek與照耀光的波長成反比C.對于同種金屬，Ek與照耀光的時間成正比D.對于同種金屬，Ek與照耀光的頻率成線性關(guān)系E.對于不同種金屬，假設(shè)照耀光頻率不變，Ek與金屬的逸出功成線性關(guān)系【答案】ADEEk

hvWhc

W，同種金屬最大初動能逸出功一樣，最大初動能與照耀光性關(guān)系，不同種金屬，保持入射光頻率不變，最大初動能Ek與逸出功成線性關(guān)系。2NM、N間加磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，磁場方向與兩板平行，調(diào)整M、N間的距離為d，電流表指針恰好不偏轉(zhuǎn)，設(shè)光電子的質(zhì)量為m，電荷量為e，普朗克常量為h，真空中的光速為c。高中物理高中物理在圖中標(biāo)出有光電流時電流的方向。求該金屬的逸出功?！敬鸢浮俊?〕光電流方向見解析中圖所示?！?〕hc

e2d2B2。 8m【解析】〔1〕光電子從N板逸出打到M板上，N板帶正電為正極，電子從NM，電流從下向上經(jīng)過電流表，光電流方向如以下圖?！?〕依題意，只要具有最大初動能的光電子沿平行于N板方向射出時，不能到達M板，則沿其他方向射出的光電子均不能到達M。故電流表中恰無光電流時，確定是具有最大初動能的光電子沿平行于N板的方向進入磁場，恰好偏不到M板，即有R＝d/2據(jù)牛頓運動定律，有evBmv2

，解得v

eBR

eBdR m 2m1E mv21

e2B2d2k 2 8mc設(shè)金屬逸出功為W，據(jù)光電效應(yīng)方程EkhWc解得Wh

c e2d2B2h . k 8m3】如以下圖，N為鎢板，M為金屬網(wǎng)，它們分別和電池兩極相連，電池的電動勢E4.5eV，現(xiàn)分別用能量不同的光子照耀鎢板(各光子的能量也已在圖上標(biāo)出)，那么以以下圖中能有電子到達金屬網(wǎng)的是〔〕【答案】A【解析】B、D照耀光的能量小于逸出功，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)；A中電源加正向電壓，光電子加速向M板運動。C中電源加反向電壓，光電子最大初動能8eV－4.5eV=3.5eV＜Ue＝4.0eV，沒有光電子到達M板。應(yīng)選A。類型三、光子的能量、物質(zhì)波例4〔2023全國課標(biāo)Ⅰ卷〕現(xiàn)用某一光電管進展光電效應(yīng)試驗，當(dāng)用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生。以下說