高中物理 第四章 波粒二象性 第1、2节 量子概念的诞生 光电效应与光的量子说教学案 教科版选修3-5

第1、2节 量子概念的诞生 光电效应与光的量子说(对应学生用书页码P53)一、黑体与黑体辐射1热辐射周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。2黑体是指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。3黑体辐射的实验图线(1)图线如图411所示。图411(2)两类公式：维恩公式：短波部分与实验相符。瑞利公式：长波部分与实验相符。二、普朗克提出的能量子概念1量子化假设黑体的空腔壁由大量带电谐振子组成，其能量只能是某一最小能量值的整数倍，并以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收能量。2能量子(1)定义：不可再分的最小能量值。(2)关系式：h，是电磁波频率；h是普朗克常量，h6.631034_Js。三、光电效应1光电效应在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。实质：光现象转化为电现象。2实验规律实验规律之一：在光照条件不变的情况下，随着所加电压增大，光电流趋于一个饱和值，也就是说，在电流较小时，电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会增大了。(如图412所示)图412实验规律之二：对光电管加反向电压，光电流可以减小到零，使光电流恰好减小为零的反向电压称为遏止电压。不同频率的光照射金属产生光电效应，遏止电压是不同的。实验规律之三：使金属恰好产生光电效应的光的频率称为截止频率或极限频率，当入射光的频率大于截止频率时，无论入射光怎样微弱，立刻就能产生光电效应。提别提醒(1)光电效应中的光可以是不可见光。(2)光电效应的实质：光现象转化为电现象。三、光电效应方程1光子说光不仅具有波动性，还有粒子性，爱因斯坦把能量子概念推广到光电效应中，提出光量子概念，简称光子。2光电效应方程(1)表达式：hmv2W。(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是h，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。特别提醒(1)光的波动说无法解释光电效应现象。(2)密立根测出了 h的值，从而给光的量子说以有力的支持。(对应学生用书页码P54)对光子能量与光强的理解光子能量是指一个光子具有的能量，在数值上光子能量Eh。光强是指在垂直于光的传播方向上，每平方米面积1 s内获得的能量，它等于在垂直光传播方向上每平方米面积1 s内通过的所有光子的能量和。光子能量大并不意味着光强大，同样光强大也不等于光子能量大。当入射光频率一定时，光强才与光子数成正比。光强一定时，频率越高的光，在垂直于光传播方向上每平方米面积上1 s内通过的光子数越少。1氦氖激光器发出波长为633 nm的激光，当激光器的输出功率为1 mW时，每秒发出的能量子数为()A2.21015个B3.21015个C2.21014个 D3.21014个解析：选B一个能量子hh激光器功率为1 mW时，每秒发出的光子数为：n个3.21015个。对光电效应现象的理解1.任何一种金属都有一个截止频率或极限频率0，入射光的频率必须大于0才能发生光电效应。2光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。3光电效应的发生是瞬时的，不超过109 s。4发生光电效应时，入射光越强，饱和光电流越大，逸出的光电子数越多，逸出电子的数目与入射光的强度成正比。解释光电效应时，应从以下两点进行把握：(1)照射光频率决定着是否发生光电效应以及光电子的最大初动能；(2)能够发生光电效应的前提下，照射光强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。2光电效应实验中，下列表述正确的是()A光照时间越长光电流越大B入射光足够强就可以有光电流C遏止电压与入射光的频率有关D入射光频率大于极限频率才能产生光电子解析：选CD要产生光电效应入射光的频率必须大于一个最小频率，即极限频率，当入射光的频率小于极限频率时，不管光的强度多大都不会产生光电效应，与光照时间无关，故D正确，A、B错误；对同一种金属，入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大，遏止电压越大，C正确。光电效应方程的理解和应用1.光电效应方程中的能量守恒当光照射到金属表面上时，能量为E的光子被电子所吸收，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。如果克服引力做功最少为W，离开金属表面时的最大动能为Ek，根据能量守恒定律可知EWEk，即EkEW，同时有Eh，故可得出爱因斯坦光电效应方程EkhW。如果照射光频率等于金属截止频率，此时Ek0。图4132光电效应曲线如图413所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率的变化曲线。这里，横轴上的截距是金属的截止频率；纵轴上的截距是金属的逸出功负值；斜率为普朗克常量。从曲线可以看出，最大初动能随的增大而增大，但不成正比例。(1)应用光电效应方程时应注意结合能量守恒定律，有助于理解光电效应的规律。(2)该类问题的考查通常以光电管为载体，因此，必须理解光电管中影响光电流的因素。3爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率的关系如图414所示，某中0为极限频率。从图中可以确定的是_。(填选项前的字母)()图414A逸出功与有关BEkm与入射光强度成正比C当0时，会逸出光电子D图中直线的斜率与普朗克常量有关解析：选D金属的逸出功与入射光无关，A错；光电子的最大初动能与入射光强度无关，B错；当入射光的频率小于极限频率，不能发生光电效应现象，C错；据光电效应方程可知图像的斜率与普朗克常量有关，D对。(对应学生用书页码P54)光子说与光电效应现象例1(广东高考)在光电效应实验中，用频率为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改用频率小于的光照射，一定不发生光电效应D改用频率大于的光照射，光电子的最大初动能变大解析已知用频率为的光照射光电管阴极，发生光电效应，可知光电管阴极金属材料的极限频率肯定小于，改用频率较小的光照射时，仍有可能发生光电效应，选项C错误；根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0可知，增加照射光频率，光电子最大初动能也增大，故选项D正确；增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积的光电子数增加，则光电流将增大，故选项A正确；光电效应是否产生于照射光频率有关而与照射光强度无关，故选项B错误。答案AD(1)光电效应方程研究的是最大初动能与入射光频率之间的关系，要注意区别光电子的动能和最大初动能。(2)发生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。光电效应方程的应用例2 (1)研究光电效应的电路如图415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的关系图像中，正确的是_。图415图416(2)钠金属中的电子吸收光子的能量，从金属表面逸出，这就是光电子。光电子从金属表面逸出的过程中，其动量的大小_(选填“增大”、“减小”或“不变”)，原因是_。解析由于光的频率一定，它们的截止电压相同，A、B不正确。光越强，电流越大，C正确。由于光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功)，光电子的动量变小。答案(1)C(2)减小光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功)(对应学生用书页码P55)1对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是()A以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收B辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍C吸收的能量可以是连续的D辐射和吸收的能量是量子化的解析：选ABD根据普朗克能量子假说，带电粒子的能量只能是某一最小能量值的整数倍，能量的辐射、吸收要一份份地进行，故A、B、D正确。2在演示光电效应的实验中，原来不带电的锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图417所示，这时()图417A锌板带正电，指针带负电B锌板带正电，指针带正电C锌板带负电，指针带正电D锌板带负电，指针带负电解析：选B弧光灯照射锌板，将产生光电效应，即锌板逸出电子，锌板因失掉电子而带正电，与之相连的验电器也带正电。3在光电效应的四条规律中，波动说不能解释的有()A入射光的频率必须大于被照金属的截止频率才能产生光电效应B光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大C入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过109 sD当入射光频率大于截止频率时，光电流强度与入射光强度成正比解析：选ABC按照经典的光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，金属中的电子必须吸收足够的能量后，才能从金属中逸出，电子有一个能量积蓄的时间，光的强度越大，单位时间内辐射到金属表面的光子数目越多，被电子吸收的光子数目自然也多，这样产生的光电子数目也多。但是，光子不一定全部形成光电流，故应选A、B、C。4硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能。若有N个频率为的光子打在光电池极板上，这些光子的总能量为(h为普朗克常量)()Ah B.NhCNh D2Nh解析：选C光子能量与频率有关，一个光子能量为h，N个光子能量为Nh，故C正确。5在光电效应实验中，用单色光照射某种金属表面，有光电子逸出，则光电子的最大初动能取决于入射光的()A频率B强度C照射时间 D光子数目解析：选A根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0可知，当金属的极限频率确定时，光电子的最大初动能取决于入射光的频率，与光照强度、照射时间、光子数目无关，选项A对，B、C、D错。6(北京高考)“约瑟夫森结”由超导体和绝缘体制成。若在结两端加恒定电压U，则它会辐射频率为的电磁波，且与U成正比，即kU。已知比例系数k仅与元电荷e的2倍和普朗克常量h有关。你可能不了解此现象的机理，但仍可运用物理学中常用的方法，在下列选项中，推理判断比例系数k的值可能为()A. B.C2he D.解析：选B由kU，又题目中提到元电荷e和普朗克常量h，可联想到能量，即列出相关等式qUh，进而比较kU，得出kq/h，再结合题意可知，k2e/h，故选项B对。7如图418所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率的关系图像，由图像可知()图418A该金属的逸出功等于EB该金属的逸出功等于h0C入射光的频率为0时，产生的光电子的最大初动能为ED入射光的频率为20时，产生的光电子的最大初动能为2E解析：选AB题中图像反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系，根据爱因斯坦光电效应方程EkhW，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率0时，光电子的最大初动能Ek0，此时有h0W，即该金属的逸出功等于h0，选项B正确。根据图线的物理意义，有WE，故选项A正确，而选项C、D错误。8.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图419所示。则可判断出()图419A甲光的频率大于乙光的频率B乙光的波长大于丙光的波长C乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能解析：选B由题图可知，丙光的最大电流小于甲光和乙光，说明逸出的电子数目最少，即丙光的强度最小。由题图说明丙光对应的光电子的初动能最大，即丙光的频率最高(波长最小)，B项正确，D项错误；甲光和乙光的频率相同，A项错误。由于是同一光电管，所以乙光、丙光截止频率是一样的，C项错误。9在光电效应试验中，某金属的截止频率相应的波长为0，该金属的逸出功为_。若用波长为(0)的单色光做实验，则其遏止电压为_。已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h。解析：由Wh0h，又eUEk，且EkhW，所以U()。答案：h10用波长为的光照射金属的表面，当遏止电压取某个值时，光电流便被截止。当光的波长改变为原波长的1/n后，已查明使电流截止的遏止电压必须增大到原值的倍。试计算原入射光的波长。(已知该金属的逸出功为W)解析：由爱因斯坦光电效应方程，光电子的初动能EkhW，设遏止电压为Uc，eUcEk，故eUchW。依题意列出：eUchWeUchW 由得：(1)eUch(n1) 将代入得。答案：11如图4110所示，阴极K用截止频率对应光波波长00.66 m的金属铯制成，用波长0.50 m的绿光照射阴极K，调整两个极板间的电压，当A板电压比阴极高出2.5 V时，光电流达到饱和，电流表示数为0.64 A，求：图4110(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。(2)如果把照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极的最大初动能。解析：(1)光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，