第1節(jié)　光電效應(yīng)及其解釋

第6章|波粒二象性第1節(jié)光電效應(yīng)及其解釋核心素養(yǎng)點(diǎn)擊物理觀念1.了解光電效應(yīng)現(xiàn)象。2.知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義。3.了解康普頓效應(yīng)及其意義。4.知道光具有波粒二象性?？茖W(xué)思維1.利用光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2.能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析光的波粒二象性?？茖W(xué)探究通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解光電效應(yīng)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)規(guī)律?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任體會(huì)量子論的建立對(duì)人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的影響，了解人類認(rèn)識(shí)自然的局限性與不斷探索自然的必要性。1．填一填(1)光電效應(yīng)：在光的照射下

從物體表面逸出的現(xiàn)象。(2)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律①入射光的頻率低于某一頻率時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，這一頻率稱為

。該頻率與

有關(guān)。②從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)間隔的時(shí)間

，通常在

內(nèi)。③在光照強(qiáng)度不變的情況下，光電流隨電壓增大到一定值后，達(dá)到

。在光頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流

。電子極限頻率金屬的種類很短10－9s飽和電流越大2．判一判(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。

(

)(2)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)。

(

)(3)入射光照射到金屬表面上時(shí)，光電子幾乎是瞬時(shí)發(fā)射的。

(

)3．想一想某單色光照射到金屬表面上結(jié)果沒(méi)有光電子逸出，請(qǐng)思考：我們應(yīng)如何操作才能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)呢？是增大入射光頻率還是增大入射光強(qiáng)度？提示：增大入射光頻率，使其高于該金屬的極限頻率?！痢痢?．判一判(1)看似連續(xù)的光實(shí)際上是由分立的光子組成的。

(

)(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比。

(

)(3)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度有關(guān)。

(

)3．想一想不同頻率的光照射到同一金屬表面發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能是否相同？提示：由于同一金屬的逸出功相同，而不同頻率的光的光子能量不同，由光電效應(yīng)方程可知，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，逸出的光電子的最大初動(dòng)能是不同的?！獭痢?．填一填(1)光的波動(dòng)性：英國(guó)科學(xué)家

用光的波動(dòng)理論解釋了光的

現(xiàn)象；法國(guó)科學(xué)家

用光的波動(dòng)理論定量計(jì)算了光的

光強(qiáng)分布；

提出光是一種電磁波。(2)光的粒子性：

和

說(shuō)明光具有粒子性，但同時(shí)也體現(xiàn)了波動(dòng)性。(3)光的波粒二象性：光子既有

的特征，又有

的特征。

用概率波很好地解釋了光的波粒二象性。光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)

性較明顯，光的波長(zhǎng)較短時(shí)_____性較明顯。托馬斯·楊干涉菲涅耳衍射麥克斯韋光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)粒子波玻恩波動(dòng)粒子2．判一判(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性。

(

)(2)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯。

(

)(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏觀觀念的粒子。

(

)3．想一想光的波動(dòng)性與粒子性跟光波頻率高低、波長(zhǎng)的長(zhǎng)短有怎樣的關(guān)系？提示：光波頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光的波動(dòng)性越明顯；光波頻率越高，波長(zhǎng)越短，光的粒子性越明顯?！獭痢倘鐖D是研究光電流與電壓之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)原理圖。若要使電流表的示數(shù)增大，電源的正負(fù)極如何接入？滑動(dòng)變阻器向哪個(gè)方向移動(dòng)？按照上述方向移動(dòng)時(shí)，能否使電流表示數(shù)一直增加？提示：若要使電流表的示數(shù)增大，電源右側(cè)為正極，滑動(dòng)變阻器向右滑動(dòng)，當(dāng)電流達(dá)到飽和時(shí)，繼續(xù)向右移動(dòng)滑片，電流表示數(shù)也不會(huì)增加。

[重難釋解]1．光子與光電子光子指光在空間傳播時(shí)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(shí)發(fā)射出來(lái)的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應(yīng)的因，光電子是果。2．光電子的初動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能(1)光照射到金屬表面時(shí)，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(gè)方向運(yùn)動(dòng)，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(dòng)能。(2)只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí)，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動(dòng)能。光電子的初動(dòng)能小于或等于光電子的最大初動(dòng)能。3．光子的能量與入射光的強(qiáng)度光子的能量即一個(gè)光子的能量，其值為ε＝hν(ν為光子的頻率)，可見(jiàn)光子的能量由光的頻率決定。入射光的強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積上的總能量，等于光子能量hν與入射光子數(shù)n的乘積，即光強(qiáng)等于nhν。4．光電流和飽和光電流金屬板飛出的光電子到達(dá)陽(yáng)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(gè)飽和值，這個(gè)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(wú)關(guān)。5．光的強(qiáng)度與飽和光電流飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是對(duì)頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的。對(duì)于不同頻率的光，由于每個(gè)光子的能量不同，飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間沒(méi)有簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。[解析]頻率相同的光照射同一金屬時(shí)，發(fā)射出的光電子的最大初動(dòng)能相同，所以遏止電壓相同；飽和光電流與光的強(qiáng)度有關(guān)，光的強(qiáng)度越大，飽和光電流越大，故選項(xiàng)C正確。[答案]

C光電效應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用(1)入射光的頻率相同，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大初動(dòng)能相同，故遏止電壓相同。(2)光電流未達(dá)到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強(qiáng)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(dá)到飽和值以后才和入射光的強(qiáng)度成正比。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．當(dāng)光照射在某種金屬表面時(shí)，金屬表面有電子逸出。如果該入射光的強(qiáng)度減弱，頻率不變，則

(

)A．可能不再有電子逸出金屬表面B．單位時(shí)間內(nèi)逸出金屬表面的電子數(shù)減少C．逸出金屬表面的電子的最大初動(dòng)能減小D．從光入射到光電子逸出的時(shí)間間隔延長(zhǎng)解析：入射光的頻率不變，則仍然能發(fā)生光電效應(yīng)，A錯(cuò)誤；入射光的強(qiáng)度減弱，單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少，光電流減弱，B正確；入射光的頻率不變，則光電子的最大初動(dòng)能不變，C錯(cuò)誤；光的強(qiáng)弱影響的是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目，并不影響單個(gè)光電子的逸出時(shí)間，D錯(cuò)誤。答案：B

2.如圖所示為一真空光電管的應(yīng)用電路，關(guān)于電路中光電流的飽和值，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電路中光電流的飽和值取決于入射光的頻率B．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電路中光電流的飽和值取決于入射光的強(qiáng)度C．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電路中光電流的飽和值取決于光電管所加的正向電壓的大小D．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，電路中光電流的飽和值取決于入射光的光照時(shí)間解析：若在光電管中發(fā)生了光電效應(yīng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目只與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，光電流的飽和值只與單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目有關(guān)，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案：B

光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流，即光生電。光電現(xiàn)象由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛(ài)因斯坦所提出?？茖W(xué)家們對(duì)光電效應(yīng)的深入研究對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性的作用。光電效應(yīng)在現(xiàn)代科技中有哪些應(yīng)用呢？提示：應(yīng)用光電效應(yīng)的產(chǎn)品有很多，主要是兩個(gè)方面：太陽(yáng)能電池和光電傳感器，使用光電傳感器的設(shè)備，常見(jiàn)的有：光控路燈，數(shù)碼照相機(jī)，光敏電阻、二極管、三極管等。

[重難釋解]1．光電效應(yīng)方程hν＝W＋Ek的四點(diǎn)理解(1)式中的Ek是光電子的最大初動(dòng)能，就某個(gè)光電子而言，其離開金屬時(shí)剩余動(dòng)能大小可以是0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。(2)光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程。①能量為ε＝hν的光子被電子吸收，電子把這些能量的一部分用來(lái)克服金屬表面對(duì)它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)能。②如果克服吸引力做功最少為W，則電子離開金屬表面時(shí)動(dòng)能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W。(3)三點(diǎn)提醒①能否發(fā)生光電效應(yīng)，不取決于光的強(qiáng)度而取決于光的頻率。②光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見(jiàn)光，也包括不可見(jiàn)光。③逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無(wú)關(guān)。(1)每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極時(shí)的最大初動(dòng)能；(2)如果把照射陰極綠光的光強(qiáng)增大為原來(lái)的2倍，每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極的最大初動(dòng)能。(1)極限頻率為ν0的光照射金屬對(duì)應(yīng)逸出電子的最大初動(dòng)能為零，逸出功W＝hν0。(2)某種金屬的逸出功是一定值，隨入射光頻率的增大，光電子的最大初動(dòng)能增大。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1.(多選)如圖所示是某金屬在光的照射下，光電子最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像，由圖像可知

(

)A．該金屬的逸出功等于EB．該金屬的逸出功等于hν0C．入射光的頻率為ν0時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為ED．入射光的頻率為2ν0時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為2E解析：題中圖像反映了光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W知，當(dāng)入射光的頻率恰為該金屬的截止頻率ν0時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能Ek＝0，此時(shí)有hν0＝W，即該金屬的逸出功等于hν0，選項(xiàng)B正確；根據(jù)圖線的物理意義，有W＝E，故選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。答案：AB

2．如圖為密立根研究某金屬的遏止電壓Uc和入射光頻率ν的關(guān)系圖像，則下列說(shuō)法正確的是

(

)A．圖像的斜率為普朗克常量B．該金屬的截止頻率約為5.5×1014HzC．由圖像可得該金屬的逸出功為0.5eVD．由圖像可知，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系3．已知金屬銫的逸出功為1.9eV，在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，要使銫表面發(fā)出的光電子的最大動(dòng)能為1.0eV，求入射光的波長(zhǎng)。(h＝6.7×10－34J·s)如圖所示是對(duì)光的本質(zhì)進(jìn)行研究的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。兩幅圖分別是光什么性質(zhì)的代表？說(shuō)明了什么問(wèn)題？提示：甲圖是光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)示意圖，它是光的粒子性的代表；乙圖是光的干涉實(shí)驗(yàn)示意圖，它是光的波動(dòng)性的代表。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明光具有波粒二象性。

[重難釋解]1．光的粒子性的含義愛(ài)因斯坦光子說(shuō)中的“粒子”與牛頓微粒說(shuō)中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量與光的頻率有關(guān)，光子說(shuō)并不否定波動(dòng)說(shuō)。(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。(2)少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性。(3)頻率高、波長(zhǎng)短的光，粒子性特征顯著。2．光的波動(dòng)性的含義光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，它不同于宏觀的波，它是一種概率波。(1)足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)。(2)頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，波動(dòng)性特征顯著。3．光的波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一的，光具有波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波動(dòng)性，波動(dòng)性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。(2)只有從波粒二象性的角度，才能統(tǒng)一說(shuō)明光的各種表現(xiàn)，光的波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一的。[解析]

光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的電磁說(shuō)，只是說(shuō)某些情況下粒子性明顯，某些情況下波動(dòng)性明顯，故D錯(cuò)誤。光的頻率越高，波長(zhǎng)越短，粒子性越明顯，波動(dòng)性越不明顯，越不易看到其衍射現(xiàn)象，故A、B錯(cuò)誤。大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，故C正確。[答案]

C[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．(多選)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了曲折的過(guò)程。下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實(shí)的是

(

)A．牛頓的“微粒說(shuō)”與愛(ài)因斯坦的“光子說(shuō)”本質(zhì)上是一樣的B．光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光具有波動(dòng)性C．麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波D．光具有波粒二象性解析：牛頓的“微粒說(shuō)”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛(ài)因斯坦的“光子說(shuō)”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說(shuō)明光具有波動(dòng)性，選項(xiàng)B正確；麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等從而認(rèn)為光是一種電磁波，后來(lái)赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說(shuō)，選項(xiàng)C正確；光具有波動(dòng)性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項(xiàng)D正確。答案：BCD

2．(多選)在驗(yàn)證光的波粒二象性實(shí)驗(yàn)中，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫，如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，底片上將出現(xiàn)衍射圖樣B．單個(gè)光子通過(guò)狹縫后，底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣C．光子通過(guò)狹縫的路線是直線D．光的波動(dòng)性是大量光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律解析：?jiǎn)蝹€(gè)光子表現(xiàn)為粒子性，大量光子表現(xiàn)為波動(dòng)性，可知A、D正確，B錯(cuò)誤；光子表現(xiàn)為波動(dòng)性，通過(guò)狹縫的路線是不確定的，C錯(cuò)誤。答案：AD

一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維(選自人教版新教材課后練習(xí))在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，小明用同一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲、乙、丙)，如圖所示?；卮鹣旅鎲?wèn)題，并說(shuō)明理由。(1)甲、乙兩種光的頻率，哪個(gè)大？(2)乙、丙兩種光的波長(zhǎng)，哪個(gè)大？(3)乙、丙兩種光所對(duì)應(yīng)的截止頻率，哪個(gè)大？(4)甲、丙兩種光所產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能，哪個(gè)大？二、注重學(xué)以致用和思維建模1．(多選)利用光的力量來(lái)操縱細(xì)胞的光鑷技術(shù)很好的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，其原理是光