2 光的粒子性,情 景 導(dǎo) 入,如圖所示,把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上,用紫外線燈照射鋅板,觀察到驗(yàn)電器的指針發(fā)生了變化,這說明鋅板帶了電。你知道鋅板是怎樣帶上電的嗎?,思 維 導(dǎo) 圖,一,二,三,填一填,練一練,四,一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(見課本第31頁) 1.光電效應(yīng):照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。 2.光電子:光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子。 3.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 (1)存在著飽和光電流:在光的顏色不變的情況下,入射光越強(qiáng),飽和電流越大。這表明對(duì)于一定顏色的光,入射光越強(qiáng),單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。 (2)存在著遏止電壓和截止頻率:光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān),而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)。,一,二,三,填一填,練一練,四,(3)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性:光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的,從光照射到產(chǎn)生光電流的時(shí)間不超過10-9 s。 4.逸出功:使電子脫離某種金屬所做功的最小值。不同金屬的逸出功不同。,一,二,三,填一填,練一練,四,二、愛因斯坦的光子說與光電效應(yīng)方程(見課本第32頁) 1.光子說:光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的,而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的,頻率為的光的能量子為h,這些能量子被稱為光子。 2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 (1)表達(dá)式:h=Ek+W0或Ek=h-W0。 (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W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek。,一,二,三,填一填,練一練,四,三、康普頓效應(yīng)(見課本第35頁) 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)生改變,這種現(xiàn)象叫作光的散射。 2.康普頓效應(yīng):美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí),發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中,除了與入射波長0相同的成分外,還有波長大于0的成分,這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。 3.康普頓效應(yīng)的意義:康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外,還具有動(dòng)量,深入揭示了光的粒子性的一面。,一,二,三,填一填,練一練,四,四、光子的動(dòng)量(見課本第35頁) 1.表達(dá)式: 。 2.說明:在康普頓效應(yīng)中,入射光子與晶體中電子碰撞時(shí),把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子,光子的動(dòng)量變小。因此,有些光子散射后波長變大。,填一填,練一練,關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律,下面說法正確的是( ) A.當(dāng)某種色光照射金屬表面時(shí),能產(chǎn)生光電效應(yīng),則入射光的頻率越高,產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能越大 B.當(dāng)某種色光照射金屬表面時(shí),能產(chǎn)生光電效應(yīng),則入射光的強(qiáng)度越大,產(chǎn)生的光電子數(shù)越多 C.同一頻率的光照射不同金屬,如果都能產(chǎn)生光電效應(yīng),則逸出功大的金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能也越大 D.對(duì)某金屬,入射光波長必須等于小于某一極限波長,才能產(chǎn)生光電效應(yīng),填一填,練一練,解析:由光電效應(yīng)規(guī)律知,對(duì)于某種金屬,其逸出功是一個(gè)定值,當(dāng)照射光的頻率一定時(shí),光子的能量是一定的,產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能也是一定的,若提高照射光的頻率,則產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能也將增大。要想使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng),必須使照射光的頻率大于其極限頻率0,因剛好發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),光電子的初動(dòng)能為零, 能發(fā)生光電效應(yīng),A、D選項(xiàng)正確;,填一填,練一練,同一頻率的光照射到不同金屬上時(shí),因各種金屬的逸出功不相同,產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能也不相同,逸出功越小,電子擺脫金屬的束縛也越容易,電子脫離金屬表面時(shí)的初動(dòng)能越大,C選項(xiàng)錯(cuò)誤;若照射光的頻率不變,對(duì)于特定的金屬,增加光強(qiáng),不會(huì)增加光電子的最大初動(dòng)能,因頻率不變時(shí),入射光的光子能量不變,但由于光強(qiáng)的增加,入射光的光子數(shù)目增加,因而產(chǎn)生的光電子數(shù)目也隨之增加,B選項(xiàng)正確。 答案:ABD,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一正確理解光電效應(yīng)中的五組概念 將鋅板和驗(yàn)電器連在一起,然后用紫外線燈照射鋅板,會(huì)發(fā)生一個(gè)奇妙的現(xiàn)象,驗(yàn)電器的金屬箔片張開一個(gè)角度,這一現(xiàn)象說明了鋅板在紫外線照射下帶電了。為什么會(huì)這樣呢?驗(yàn)電器上帶何種電荷?,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,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)射出來的電子,其本質(zhì)是電子,光照射金屬是因,產(chǎn)生光電子是果。 2.光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能: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;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。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,3.光子的能量與入射光的強(qiáng)度:光子的能量即每個(gè)光子的能量,其值為=h(為光子的頻率),其大小由光的頻率決定。入射光的強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量,入射光的強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)光子能量h與入射光子數(shù)n的乘積。即光強(qiáng)等于nh。 4.光電流和飽和光電流:金屬板飛出的光電子到達(dá)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(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)度之間沒有簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,6.光電效應(yīng)與經(jīng)典電磁理論的矛盾 (1)矛盾之一:遏止電壓由入射光頻率決定,與光的強(qiáng)弱無關(guān) 按照光的經(jīng)典電磁理論,光越強(qiáng),光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大,所以遏止電壓應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān),而實(shí)驗(yàn)表明:遏止電壓由入射光的頻率決定,與光強(qiáng)無關(guān)。 (2)矛盾之二:存在截止頻率 按照光的經(jīng)典電磁理論,不管光的頻率如何,只要光足夠強(qiáng),電子都可獲得足夠的能量從而逸出表面,不應(yīng)存在截止頻率。而實(shí)驗(yàn)表明:不同金屬有不同的截止頻率,入射光頻率大于截止頻率時(shí)才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。 (3)矛盾之三:具有瞬時(shí)性 按照光的經(jīng)典電磁理論,如果光很弱,電子需幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量。而實(shí)驗(yàn)表明:無論入射光怎樣微弱,光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,【例題1】 一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng),則下列說法正確的是( ) A.若增加綠光的照射強(qiáng)度,則逸出的光電子數(shù)增加 B.若增加綠光的照射強(qiáng)度,則逸出的光電子最大初動(dòng)能增加 C.若改用紫光照射,則可能不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng) D.若改用紫光照射,則逸出的光電子的最大初動(dòng)能增加 解析:光電效應(yīng)的規(guī)律表明:入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應(yīng)以及發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能的大小,當(dāng)入射光頻率增加后,產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能也增加,而照射光的強(qiáng)度增加,會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加,又知紫光頻率高于綠光,故選項(xiàng)正確的有A、D。 答案:AD,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,變式訓(xùn)練1 一真空光電管的應(yīng)用電路如圖所示,其陰極金屬材料的極限頻率為4.5×1014 Hz,則以下判斷正確的是( ) 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.用=0.5 m的光照射光電管時(shí),電路中有光電流產(chǎn)生 D.光照射時(shí)間越長,電路中的電流越大,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,解析:在光電管中若發(fā)生了光電效應(yīng),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),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),據(jù)此可判斷選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤,選項(xiàng)B正確。波長=0.5 m的光子的頻率 =6×1014 Hz4.5×1014 Hz,可發(fā)生光電效應(yīng),選項(xiàng)C正確。 答案:BC,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,變式訓(xùn)練2 利用光電管研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)如圖所示,用頻率為的可見光照射陰極K,電流表中有電流通過,則( ) A.用紫外線照射,電流表不一定有電流通過 B.用紅外線照射,電流表一定無電流通過 C.用頻率為的可見光照射陰極K,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片移到最右端時(shí),電流表一定無電流通過 D.用頻率為的可見光照射陰極K,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向左端移動(dòng)時(shí),電流表示數(shù)可能不變,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,解析:因紫外線的頻率比可見光的頻率高,所以用紫外線照射,電流表一定有電流通過,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;因不知陰極K的極限頻率,所以用紅外線照射,可能發(fā)生光電效應(yīng),電流表可能有電流通過,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;由于發(fā)生了光電效應(yīng),即使A、K間的電壓UAK=0,電流表中也有電流通過,所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤;當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向左端移動(dòng)時(shí),陽極吸收光電子的能力增強(qiáng),光電流會(huì)增大,當(dāng)所有光電子都到達(dá)陽極時(shí),電流達(dá)到最大,即飽和電流,若在移動(dòng)前,電流已經(jīng)達(dá)到飽和電流,那么再增大UAK,光電流也不會(huì)增大,所以選項(xiàng)D正確。 答案:D,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,探究二愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 用光照射光電管且能產(chǎn)生光電效應(yīng),如果給光電管加上反向電壓,光電管中就沒有電流了嗎?,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,1.光電效應(yīng)方程:Ek=h-W0,其中Ek為光電子的最大初動(dòng)能,W0為金屬的逸出功。 2.對(duì)方程的四點(diǎn)理解 (1)公式中的 是光電子的最大初動(dòng)能,對(duì)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 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。 能量為=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(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。如果克服吸引力做功最少為W0,則電子離開金屬表面時(shí)動(dòng)能最大為 ,根據(jù)能量守恒定律可知: Ek=h-W0。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,(3)光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件。 若發(fā)生光電效應(yīng),則光電子的最大初動(dòng)能必須大于零,即Ek=h-W00,亦即 恰好是金屬的截止頻率。 (4)Ek-曲線。如圖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,橫軸上的截距是截止頻率;縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值;斜率為普朗克常量。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,【例題2】 已知金屬銫的逸出功為1.9 eV,在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,要使銫表面發(fā)出的光電子的最大初動(dòng)能為1.0 eV,則入射光子的能量應(yīng)為多大?入射光的波長是多少? 解析:由愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 Ek=h-W0 得h=Ek+W0=(1.0+1.9) eV=2.9 eV。 又因?yàn)?h,c= 答案:2.9 eV 4.3×10-7 m,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,變式訓(xùn)練3 實(shí)驗(yàn)得到金屬鈣的光電子的最大初動(dòng)能Ekm與入射光頻率的關(guān)系如圖所示。下表中列出了幾種金屬的截止頻率和逸出功,參照下表可以確定的是( ),探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,A.如用金屬鎢做實(shí)驗(yàn)得到的Ekm-圖線也是一條直線,其斜率比圖中直線的斜率大 B.如用金屬鈉做實(shí)驗(yàn)得到的Ekm-圖線也是一條直線,其斜率比圖中直線的斜率大 C.如用金屬鈉做實(shí)驗(yàn)得到的Ekm-圖線也是一條直線,設(shè)其延長線與縱軸交點(diǎn)的坐標(biāo)為(0,-Ek2),則Ek2Ek1 D.如用金屬鎢做實(shí)驗(yàn),當(dāng)入射光的頻率1時(shí),可能會(huì)有光電子逸出 解析:由光電效應(yīng)方程Ekm=h-W可知Ekm-圖線是直線,且斜率相同,為h,A、B項(xiàng)錯(cuò)誤;由表中所列的截止頻率和逸出功數(shù)據(jù)可知C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案:C,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一,探究二,探究三,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究三光子說對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 (1)康普頓效應(yīng)說明了什么問題? (2)為什么說康普頓效應(yīng)反映了光子具有動(dòng)量?,探究一,探究二,探究三,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,X射線的光子與靜止的電子發(fā)生彈性碰撞,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(shí),電子獲得一定的動(dòng)量,進(jìn)一步說明了光的粒子性。,探究一,探究二,探究三,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題3】 康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量,也有動(dòng)量。圖甲給出了光子與靜止電子碰撞后,電子的運(yùn)動(dòng)方向,則碰后光子可能沿 (選填“1”“2”或“3”)方向運(yùn)動(dòng),并且波長 (選填“不變”“變短”或“變長”)。,探究一,探究二,探究三,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:因光子與電子的碰撞過程動(dòng)量守恒,所以碰撞之后光子和電子的總動(dòng)量的方向與光子碰前動(dòng)量的方向一致,可見碰后光子可能沿1方向運(yùn)動(dòng),光子與電子的豎直方向上動(dòng)量的矢量和為零,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=h知,頻率變小,再根據(jù)c=知,波長變長。 答案:1 變長,探究一,探究二,探究三,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1,2,3,4,5,1.下列對(duì)光子的認(rèn)識(shí),正確的是( ) A.光子說中的光子就是牛頓在微粒說中所說的粒子 B.光子說中的光子就是光電效應(yīng)中的光電子 C.在空間中傳播的光是不連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫作一個(gè)光量子,簡(jiǎn)稱光子 D.光子的能量跟光的頻率成正比 解析:根據(jù)光子說,在空間傳播的光是不連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫作一個(gè)光量子,簡(jiǎn)稱光子,而牛頓的微粒說中的微粒指的是宏觀世界的微小顆粒,光電效應(yīng)中的光電子指的是金屬內(nèi)的電子吸收光子后克服原子核的庫侖引力等束縛,逸出金屬表面的粒子,故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤,選項(xiàng)C正確。由=h知,光子能量與其頻率成正比,故選項(xiàng)D正確。 答案:CD,1,2,3,4,5,2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示,用弧光燈照射鋅板,驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度。則下面說法中正確的是( ) A.用紫外光照射鋅板,驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) B.用綠色光照射鋅板,驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) C.鋅板帶的是負(fù)電荷 D.使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷,1,2,3,4,5,解析:將擦得很亮的鋅板連接驗(yàn)電器,用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線),驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度,說明鋅板帶了電。進(jìn)一步研究表明鋅板帶正電,這說明在紫外光的照射下,鋅板中有一部分自由電子從表面飛出來,鋅板中缺少電子,于是帶正電,選項(xiàng)A、D正確。綠光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。 答案:AD,1,2,3,4,5,3.康普頓散射的主要特征是( ) A.散射光的波長與入射光的波長全然不同 B.散射光的波長有些與入射光的相同,但有些變短了,散射角的大小與散射波長無關(guān) C.散射光的波長有些與入射光的相同,但也有變長的,也有變短的 D.散射光的波長有些與入射光的相同,有些散射光的波長比入射光的波長長些,且散射光波長的改變量與散射角的大小有關(guān) 解析:光子和電子相碰撞,光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少,于是散射光的波長大于入射光的波長。散射角不同,能量減少情況不同,散射光的波長也有所不同。故只有選項(xiàng)D正確。 答案:D,1,2,3,4,5,4.在做光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí),某金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng),實(shí)驗(yàn)測(cè)得光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率的關(guān)系如圖所示,由實(shí)驗(yàn)圖象可求出( ) A.該金屬的極限頻率和極限波長 B.普朗克常量 C.該金屬的逸出功 D.單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù),1,2,3,4,5,解析:金屬中電子吸收光子的能量為h,根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程有Ek=h-W0。任何一種金屬的逸出功W0一定,說明Ek隨的變化而變化,且是線性關(guān)系,所以直 線的斜率等于普朗克常量,直線與橫軸的截距OA表示 Ek=0時(shí)的頻率0,即該金屬的極限頻率。根據(jù)h0-W0=0,求得逸出功W0=h0。已知極限頻率,根據(jù)波速公式可求出極限波長 。由Ek-圖象并不能知道在單位時(shí)間內(nèi)逸出的光子數(shù)。 答案:ABC,1,2,3,4,5,5. (選做題)若一個(gè)光子的能量等于一個(gè)電子的靜止能量,試問該光子的動(dòng)量和波長是多少?(電子的靜止能量為m0c2) 解析:一個(gè)電子的靜止能量為m0c2,由題意知h=m0c2,