《2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應(yīng)與光的量子說(shuō)教學(xué)案 教科版選修3-5》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應(yīng)與光的量子說(shuō)教學(xué)案 教科版選修3-5（10頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應(yīng)與光的量子說(shuō)(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁(yè)碼P53)一、黑體與黑體輻射1熱輻射周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫做熱輻射。2黑體是指能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體。3黑體輻射的實(shí)驗(yàn)圖線(1)圖線如圖411所示。圖411(2)兩類公式：維恩公式：短波部分與實(shí)驗(yàn)相符。瑞利公式：長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)相符。二、普朗克提出的能量子概念1量子化假設(shè)黑體的空腔壁由大量帶電諧振子組成，其能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，并以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收能量。2能量子(1)定義：不可再分的最小能量值。(2)關(guān)系式：h，是電磁波頻率；h

2、是普朗克常量，h6.631034_Js。三、光電效應(yīng)1光電效應(yīng)在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象。2實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律之一：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，也就是說(shuō)，在電流較小時(shí)，電流隨著電壓的增大而增大；但當(dāng)電流增大到一定值之后，即使電壓再增大，電流也不會(huì)增大了。(如圖412所示)圖412實(shí)驗(yàn)規(guī)律之二：對(duì)光電管加反向電壓，光電流可以減小到零，使光電流恰好減小為零的反向電壓稱為遏止電壓。不同頻率的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，遏止電壓是不同的。實(shí)驗(yàn)規(guī)律之三：使金屬恰好產(chǎn)生光電效應(yīng)的光的頻率稱為截止頻率或極限頻

3、率，當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時(shí)，無(wú)論入射光怎樣微弱，立刻就能產(chǎn)生光電效應(yīng)。提別提醒(1)光電效應(yīng)中的光可以是不可見(jiàn)光。(2)光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象。三、光電效應(yīng)方程1光子說(shuō)光不僅具有波動(dòng)性，還有粒子性，愛(ài)因斯坦把能量子概念推廣到光電效應(yīng)中，提出光量子概念，簡(jiǎn)稱光子。2光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式：hmv2W。(2)物理意義：金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是h，這些能量一部分用于克服金屬的逸出功W，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動(dòng)能。特別提醒(1)光的波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。(2)密立根測(cè)出了 h的值，從而給光的量子說(shuō)以有力的支持。(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁(yè)碼P54)對(duì)光子能量與光強(qiáng)的理解

4、光子能量是指一個(gè)光子具有的能量，在數(shù)值上光子能量Eh。光強(qiáng)是指在垂直于光的傳播方向上，每平方米面積1 s內(nèi)獲得的能量，它等于在垂直光傳播方向上每平方米面積1 s內(nèi)通過(guò)的所有光子的能量和。光子能量大并不意味著光強(qiáng)大，同樣光強(qiáng)大也不等于光子能量大。當(dāng)入射光頻率一定時(shí)，光強(qiáng)才與光子數(shù)成正比。光強(qiáng)一定時(shí)，頻率越高的光，在垂直于光傳播方向上每平方米面積上1 s內(nèi)通過(guò)的光子數(shù)越少。1氦氖激光器發(fā)出波長(zhǎng)為633 nm的激光，當(dāng)激光器的輸出功率為1 mW時(shí)，每秒發(fā)出的能量子數(shù)為()A2.21015個(gè)B3.21015個(gè)C2.21014個(gè) D3.21014個(gè)解析：選B一個(gè)能量子hh激光器功率為1 mW時(shí)，每秒發(fā)出

5、的光子數(shù)為：n個(gè)3.21015個(gè)。對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的理解1.任何一種金屬都有一個(gè)截止頻率或極限頻率0，入射光的頻率必須大于0才能發(fā)生光電效應(yīng)。2光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。3光電效應(yīng)的發(fā)生是瞬時(shí)的，不超過(guò)109 s。4發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和光電流越大，逸出的光電子數(shù)越多，逸出電子的數(shù)目與入射光的強(qiáng)度成正比。解釋光電效應(yīng)時(shí)，應(yīng)從以下兩點(diǎn)進(jìn)行把握：(1)照射光頻率決定著是否發(fā)生光電效應(yīng)以及光電子的最大初動(dòng)能；(2)能夠發(fā)生光電效應(yīng)的前提下，照射光強(qiáng)度決定著單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的光電子數(shù)。2光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，下列表述正確的是()A光照時(shí)間越長(zhǎng)光電流越大B入射

6、光足夠強(qiáng)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)生光電子解析：選CD要產(chǎn)生光電效應(yīng)入射光的頻率必須大于一個(gè)最小頻率，即極限頻率，當(dāng)入射光的頻率小于極限頻率時(shí)，不管光的強(qiáng)度多大都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，與光照時(shí)間無(wú)關(guān)，故D正確，A、B錯(cuò)誤；對(duì)同一種金屬，入射光的頻率越大，光電子的最大初動(dòng)能越大，遏止電壓越大，C正確。光電效應(yīng)方程的理解和應(yīng)用1.光電效應(yīng)方程中的能量守恒當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，能量為E的光子被電子所吸收，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。如果克服引力做功最少為W，離開金屬表面時(shí)的最大動(dòng)能為Ek，根據(jù)能量

7、守恒定律可知EWEk，即EkEW，同時(shí)有Eh，故可得出愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW。如果照射光頻率等于金屬截止頻率，此時(shí)Ek0。圖4132光電效應(yīng)曲線如圖413所示是光電子最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率的變化曲線。這里，橫軸上的截距是金屬的截止頻率；縱軸上的截距是金屬的逸出功負(fù)值；斜率為普朗克常量。從曲線可以看出，最大初動(dòng)能隨的增大而增大，但不成正比例。(1)應(yīng)用光電效應(yīng)方程時(shí)應(yīng)注意結(jié)合能量守恒定律，有助于理解光電效應(yīng)的規(guī)律。(2)該類問(wèn)題的考查通常以光電管為載體，因此，必須理解光電管中影響光電流的因素。3愛(ài)因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。某種金屬

8、逸出光電子的最大初動(dòng)能Ekm與入射光頻率的關(guān)系如圖414所示，某中0為極限頻率。從圖中可以確定的是_。(填選項(xiàng)前的字母)()圖414A逸出功與有關(guān)BEkm與入射光強(qiáng)度成正比C當(dāng)0時(shí)，會(huì)逸出光電子D圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān)解析：選D金屬的逸出功與入射光無(wú)關(guān)，A錯(cuò)；光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，B錯(cuò)；當(dāng)入射光的頻率小于極限頻率，不能發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，C錯(cuò)；據(jù)光電效應(yīng)方程可知圖像的斜率與普朗克常量有關(guān)，D對(duì)。(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁(yè)碼P54)光子說(shuō)與光電效應(yīng)現(xiàn)象例1(廣東高考)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用頻率為的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應(yīng)。下列說(shuō)法正確的是()A增大入射光強(qiáng)度，光電流增大B減小入射

9、光的強(qiáng)度，光電效應(yīng)現(xiàn)象消失C改用頻率小于的光照射，一定不發(fā)生光電效應(yīng)D改用頻率大于的光照射，光電子的最大初動(dòng)能變大解析已知用頻率為的光照射光電管陰極，發(fā)生光電效應(yīng)，可知光電管陰極金屬材料的極限頻率肯定小于，改用頻率較小的光照射時(shí)，仍有可能發(fā)生光電效應(yīng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0可知，增加照射光頻率，光電子最大初動(dòng)能也增大，故選項(xiàng)D正確；增大入射光強(qiáng)度，單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積的光電子數(shù)增加，則光電流將增大，故選項(xiàng)A正確；光電效應(yīng)是否產(chǎn)生于照射光頻率有關(guān)而與照射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。答案AD(1)光電效應(yīng)方程研究的是最大初動(dòng)能與入射光頻率之間的關(guān)系，要注意區(qū)別光電子的動(dòng)能

10、和最大初動(dòng)能。(2)發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的截止頻率，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。光電效應(yīng)方程的應(yīng)用例2 (1)研究光電效應(yīng)的電路如圖415所示。用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發(fā)射出的光電子被陽(yáng)極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖像中，正確的是_。圖415圖416(2)鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，這就是光電子。光電子從金屬表面逸出的過(guò)程中，其動(dòng)量的大小_(選填“增大”、“減小”或“不變”)，原因是_。解析由于光的頻率一定，它們的截止電壓相同，A、B不正確。光越強(qiáng)，電流越大，C正確。由于光電子

11、受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)，光電子的動(dòng)量變小。答案(1)C(2)減小光電子受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁(yè)碼P55)1對(duì)于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說(shuō)法正確的是()A以某一個(gè)最小能量值一份一份地輻射或吸收B輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C吸收的能量可以是連續(xù)的D輻射和吸收的能量是量子化的解析：選ABD根據(jù)普朗克能量子假說(shuō)，帶電粒子的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，能量的輻射、吸收要一份份地進(jìn)行，故A、B、D正確。2在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來(lái)不帶電的鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器的指針就張開一個(gè)角度，如

12、圖417所示，這時(shí)()圖417A鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B鋅板帶正電，指針帶正電C鋅板帶負(fù)電，指針帶正電D鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電解析：選B弧光燈照射鋅板，將產(chǎn)生光電效應(yīng)，即鋅板逸出電子，鋅板因失掉電子而帶正電，與之相連的驗(yàn)電器也帶正電。3在光電效應(yīng)的四條規(guī)律中，波動(dòng)說(shuō)不能解釋的有()A入射光的頻率必須大于被照金屬的截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)B光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大C入射光照射到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)109 sD當(dāng)入射光頻率大于截止頻率時(shí)，光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比解析：選ABC按照經(jīng)典的光的波動(dòng)理論，光的能量隨光的強(qiáng)度的增大而增大，

13、與光的頻率無(wú)關(guān)，金屬中的電子必須吸收足夠的能量后，才能從金屬中逸出，電子有一個(gè)能量積蓄的時(shí)間，光的強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)輻射到金屬表面的光子數(shù)目越多，被電子吸收的光子數(shù)目自然也多，這樣產(chǎn)生的光電子數(shù)目也多。但是，光子不一定全部形成光電流，故應(yīng)選A、B、C。4硅光電池是利用光電效應(yīng)將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能。若有N個(gè)頻率為的光子打在光電池極板上，這些光子的總能量為(h為普朗克常量)()Ah B.NhCNh D2Nh解析：選C光子能量與頻率有關(guān)，一個(gè)光子能量為h，N個(gè)光子能量為Nh，故C正確。5在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用單色光照射某種金屬表面，有光電子逸出，則光電子的最大初動(dòng)能取決于入射光的()A頻率B強(qiáng)度

14、C照射時(shí)間 D光子數(shù)目解析：選A根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0可知，當(dāng)金屬的極限頻率確定時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能取決于入射光的頻率，與光照強(qiáng)度、照射時(shí)間、光子數(shù)目無(wú)關(guān)，選項(xiàng)A對(duì)，B、C、D錯(cuò)。6(北京高考)“約瑟夫森結(jié)”由超導(dǎo)體和絕緣體制成。若在結(jié)兩端加恒定電壓U，則它會(huì)輻射頻率為的電磁波，且與U成正比，即kU。已知比例系數(shù)k僅與元電荷e的2倍和普朗克常量h有關(guān)。你可能不了解此現(xiàn)象的機(jī)理，但仍可運(yùn)用物理學(xué)中常用的方法，在下列選項(xiàng)中，推理判斷比例系數(shù)k的值可能為()A. B.C2he D.解析：選B由kU，又題目中提到元電荷e和普朗克常量h，可聯(lián)想到能量，即列出相關(guān)等式qUh，進(jìn)而比較kU，得

15、出kq/h，再結(jié)合題意可知，k2e/h，故選項(xiàng)B對(duì)。7如圖418所示是某金屬在光的照射下，光電子最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率的關(guān)系圖像，由圖像可知()圖418A該金屬的逸出功等于EB該金屬的逸出功等于h0C入射光的頻率為0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20時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為2E解析：選AB題中圖像反映了光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率的關(guān)系，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW，知當(dāng)入射光的頻率恰為該金屬的截止頻率0時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能Ek0，此時(shí)有h0W，即該金屬的逸出功等于h0，選項(xiàng)B正確。根據(jù)圖線的物理意義，有WE，故選項(xiàng)A正確，而選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。8.在光電效

16、應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，飛飛同學(xué)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(甲光、乙光、丙光)，如圖419所示。則可判斷出()圖419A甲光的頻率大于乙光的頻率B乙光的波長(zhǎng)大于丙光的波長(zhǎng)C乙光對(duì)應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率D甲光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能大于丙光的光電子最大初動(dòng)能解析：選B由題圖可知，丙光的最大電流小于甲光和乙光，說(shuō)明逸出的電子數(shù)目最少，即丙光的強(qiáng)度最小。由題圖說(shuō)明丙光對(duì)應(yīng)的光電子的初動(dòng)能最大，即丙光的頻率最高(波長(zhǎng)最小)，B項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤；甲光和乙光的頻率相同，A項(xiàng)錯(cuò)誤。由于是同一光電管，所以乙光、丙光截止頻率是一樣的，C項(xiàng)錯(cuò)誤。9在光電效應(yīng)試驗(yàn)中，某金屬的截止頻率相

17、應(yīng)的波長(zhǎng)為0，該金屬的逸出功為_。若用波長(zhǎng)為(0)的單色光做實(shí)驗(yàn)，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Wh0h，又eUEk，且EkhW，所以U()。答案：h10用波長(zhǎng)為的光照射金屬的表面，當(dāng)遏止電壓取某個(gè)值時(shí)，光電流便被截止。當(dāng)光的波長(zhǎng)改變?yōu)樵ㄩL(zhǎng)的1/n后，已查明使電流截止的遏止電壓必須增大到原值的倍。試計(jì)算原入射光的波長(zhǎng)。(已知該金屬的逸出功為W)解析：由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子的初動(dòng)能EkhW，設(shè)遏止電壓為Uc，eUcEk，故eUchW。依題意列出：eUchWeUchW 由得：(1)eUch(n1) 將代入得。答案：11如圖4110所

18、示，陰極K用截止頻率對(duì)應(yīng)光波波長(zhǎng)00.66 m的金屬銫制成，用波長(zhǎng)0.50 m的綠光照射陰極K，調(diào)整兩個(gè)極板間的電壓，當(dāng)A板電壓比陰極高出2.5 V時(shí)，光電流達(dá)到飽和，電流表示數(shù)為0.64 A，求：圖4110(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)如果把照射陰極的綠光的光強(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。解析：(1)光電流達(dá)到飽和時(shí)，陰極發(fā)射的光電子全部到達(dá)陽(yáng)極A，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子的個(gè)數(shù)n個(gè)4.01012個(gè)根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子的最大初動(dòng)能：mvhW0hh6.6310343108() J9.61020 J。(2)如果照射光的頻率不變，光強(qiáng)加倍，根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子數(shù)為：n2n8.01012個(gè)光電子的最大初動(dòng)能仍然是mv9.61020 J。答案：(1)4.01012個(gè)9.61020 J(2)8.01012個(gè)9.61020 J10