高中物理 第十七章 波粒二象性 2 光的粒子性名师导航学案 新人教版选修3-5.doc

2 光的粒子性名师导航知识梳理1.光电效应的规律（1）每种金属都有一个_频率，入射光的频率必须大于这个_频率才能产生光电效应.（2）光电子的_与入射光的强度无关，只随入射光_而增大.（3）光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过_s.（4）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射_成正比.2.光电效应方程：ek=h-w.式中ek表示_，w表示_，h表示_，为_.疑难突破1.如何正确理解光电效应规律中的两个关系？剖析：在光电效应实验规律中，有两个关系：（1）光电子的最大初动能，随入射光频的增大而增大；（2）光电流的强度跟入射光的强度成正比.注意:第一个关系中并不是成正比，而第二个关系是成正比.根据爱因斯坦光电效应方程=h-w,对于某一金属而言，逸出功w是一定值，普朗克常量h是一常数，故从上式可以看出，最大初动能与入射光频率是成一次函数关系，而不是成正比的.光电流的强度是由从金属表面逸出的光电子数目决定的，而从金属表面逸出的光电子数目是由入射光子的数目决定的，入射光子数目的多少又是由入射光的强度决定的，所以，我们容易推得，光电流的强度跟入射光的强度成正比.2.对经典理论与光电效应的矛盾的正确理解是什么？剖析：经典波动理论认为，光是一种电磁波，光的强度取决于振幅的大小，振幅越大，光就越强；金属在光的照射下，其中的自由电子就会由于光的变化着的电磁场作用而做受迫振动，无论照射光的频率如何，只要光足够强，自由电子受迫振动的幅度就会足够大，这样就可以产生光电效应，而这与实验事实恰恰相反，关于照射时间的问题，波动观点更是陷于困境，如果光强很微弱，则在从光开始照射到光电子的发射之间应该有一个可测的滞后时间，在这段时间内电子应从光束中不断吸收能量，一直到所积累的能量能够使它逸出金属表面为止，这与光电效应的瞬时性存在严重的矛盾，既然光电效应与传统的波动理论存在如此巨大的矛盾，因此，这个理论不适用于解释微观粒子的运动.3.对光子假说解释光电效应的正确理解剖析：（1）光电效应金属中的自由电子吸收了光子的能量后，其动能大到足以克服金属离子的引力而逃逸出金属表面，成为光电子，对一定的金属来说，逸出功是一定的，照射光的频率越大，光子能量越大，从金属中逸出的电子的初动能就越大，如果入射光的频率较低，它的能量小于金属的逸出功，就不能产生光电效应，这就是存在极限频率的原因.（2）光电效应规律中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值（对应从阴极发出的电子，全部被拉向阳极的状态）,因为光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极的电压有关，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比.问题探究问题：光电效应的规律是什么？探究：（1）光电效应实验：研究光电效应规律的实验装置如图17-2-1所示，其中s是抽成真空的容器，c是石英窗口，紫外光和可见光都可以通过它射到容器里的金属板k上，在k的对面有另一金属板a，k和a组成一对电极，把k跟电池组的负极相连，a跟正极相连.图17-2-1在没有光照k时，电压表有示数，电流表没有示数.保持a、k间电压一定，灯泡亮度一定，在窗口c前依次放上红色、橙色、绿色、滤光片.观察到红光照射金属板k时没有光电流，橙光和绿光照射时，有光电流.逐渐减小k、a间的正向电压，直到电压为零时，电流表仍有示数，说明光电流依然存在.如果在k、a间加一反向电压，则光电流变小，反向电压增大到某一值时，使光电流刚好为零.给光电管电极k、a间加正向电场，以高于极限频率的光入射，保持电压不变，增加入射光的强度，发现光电流的强度增大.（2）探究结论：光电效应的四条规律：序号规律1任何一种金属都有一个极限频率，入射光频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应2光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大3入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s4当入射光频率大于极限频率时，保持频率不变，光电流的强度与入射光的强度成正比典题精讲【例1】 在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块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17-2-2所示，这时（ ）图17-2-2a.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，指针带负电思路解析：本题应从光电效应、验电器原理来考虑解答.锌板原来不带电，验电器的指针发生了偏转，说明锌板在弧光灯的照射下发生了光电效应，发生光电效应时，锌板向空气中发射电子，所以锌板带正电，验电器的指针亦带正电.故选b项.答案：b【例2】 一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列正确的是（ ）a.若增加绿光的照射强度，则单位时间内逸出的光电子数目不变b.若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子将具有更大的动能c.若改用紫光照射，则逸出的光电子将具有更大的动能d.若改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子数目增加思路解析：在光电效应中，入射光的频率决定能否发生光电效应，在能产生光电效应时，入射光的强度影响单位时间内逸出的光电子数目，入射光的频率影响逸出的光电子的初动能的大小.选项c正确.答案：c【例3】 下表给出了一些金属材料的逸出功.材料铯钙镁铍钛逸出功（10-19 j）3.04.35.96.26.6现用波长为400 nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有（普朗克常量h=6.610-34 js，光速c=3.0108 m/s）（ ）a.2种 b.3种 c.4种 d.5种思路解析：本题考查发生光电效应的条件，光子的能量及光的波长、波速与频率的关系.当单色光的频率大于金属的极限频率时便能产生光电效应，即照射光子的能量大于金属的逸出功.e=h及c=得，e=e=6.610-34j=4.9710-19 j照射光光子的能量大于铯、钙的逸出功，能产生光电效应的材料有2种，故a正确.答案：a【例4】 已知金属铯的逸出功为1.9 ev，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大动能为1.0 ev，入射光的波长应为_m.思路解析：本题考查光电效应方程、光子的能量c=的关系.由爱因斯坦光电效应方程=h-w得h=+w=1.9 ev+1.0 ev=2.9 ev又e=h，c=所以=m=4.310-7 m.答案：4.310-7知识导学 本节学习的主要内容是光电效应，但为什么会产生光电效应？同学们在课外思考过这个问题吗？这在一个世纪以前可还是一个谜，为了解释光电效应，许多科学家做了大量的工作，其中包括爱因斯坦和普朗克.本节所要学习的光子说就是为了解释光电效应而假设出的，后来很快被实验所证实.光子说的主要内容是：空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子.光子能量e跟光的频率成正比，即e=h.这样就在物理学中产生了一门新的学科量子物理学，本节在这章学习中的地位十分重要，要认真对待.疑难导析1.光电效应是光具有粒子性的实验基础，要正确理解光电效应规律，必须明确以下几点：（1）光子是极小的能量微粒，通常认为一个电子每次只吸收一个光子，不能吸收多个光子，否则只要光的频率低而照射时间足够长也会发生光电效应，这是正确理解光电效应的一个基本出发点.（2）光电效应规律中“光电流的强度与入射光的强度成正比”中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值（对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态），因为光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两级间的电压有关，只有在光电流达到饱和后，才与入射光的强度成正比.2.光电效应规律与光的波动理论的矛盾.（1）按光的波动理论，光的强度由光振动的振幅决定，光的强度与频率无关，因此，不论频率如何，只要照射时间长或光的强度大，就可以产生光电效应，但实验表明：产生光电效应的条件是入射光频率大于某一极限频率，且光电效应的最大初动能与入射光频率成线性关系，均与光强无关.（2）光电效应产生的时间极短，而一束很细的光照射到物体上时，它的能量分布到大量的原子上，不可能在极短时间内把足够的能量集中到电子上而使之从物体中飞出.3.要正确理解这一问题就必须明白光子假说和光电效应方程这两个知识点：（1）爱因斯坦为解释光电效应现象，提出了光子说，其内容为：空间传播的光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子的能量为e=h.（2）光电效应方程光电子吸收光子的能量h之后，一部分消耗于克服电子的逸出功w，另一部分转换为电子动能，由能量守恒定律可知h=+w上式称为爱因斯坦光电效应方程.问题导思 要理解这一问题首先要对光电效应规律作出正确理解.（1）光子能量和光强是两个概念，要注意区分，光子能量是指一个光子具有的能量，在数值上光子能量e=h;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.因此，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，只在入射光频率一定时，光强与光子数成正比，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内通过的光子数越小.（2）光电效应规律说明是否产生光电效应；发生光电效应时光电子的最大初动能由入射光频率决定，与光强无关光电效应具有瞬时性不需要积累能量的时间入射光强度决定单位时间内产生的光电子数（3）能令电子发生光电效应的单个光子的能量必须足以使电子克服原子核的库仑引力束缚，如果金属中的某个电子吸收一个光子的全部能量后，该电子的能量在数值上等于电子在摆脱原子核的库仑引力等束缚时所做的功，此时这个电子就可以恰好从金属表面逃逸出来，这时照射光的频率0就是这种金属的极限频率，如果照射光的光子频率0，则一个光子的能量hh0，这样的光子传给电子的能量不足以使电子摆脱原子核的束缚，这时就不能产生光电效应.典题导考绿色通道：解答此类题时不能把光电效应和静电平衡知识混淆，当金属本身带电且静电平衡时，两端必是同种电荷；而不带电的导体处于静电场中静电平衡时，两端带等量异种电荷.此外，认为锌板发生了光电效应，产生光电子，因而锌板、指针均带负电也是错误的，其原因在于错误地以为光使金属产生了多余的电子，而实际上是，光使电子获得能量，逃逸出了金属.【典题变式1】 如图17-2-3所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是（ ）图17-2-3a.入射光太弱 b.入射光波长太长c.光照时间短 d.电源正负极接反答案：bd绿色通道：解此类题的关键是要注意，在光电效应中，入射光的频率和强度从不同的方面影响光电效应，要区分这两个方面的影响.【典题变式2】 用某一频率的伦琴射线照射某一金属板时，能发生光电效应，则（ ）a.用紫外线照射这块金属板，一定不能发生光电效应b.用射线照射该金属板，一定能发生光电效应c.若使伦琴射线的温度升高，光电子的最大初动能也增大d.若使伦琴射线的频率增大，光电流的饱和值也增大答案：ab绿色通道：知道入射光的频率高于金属的极限频率便有光电子发出，即入射光子的能量h大于逸出功w，不需要计算入射光的频率及金属的极限频率.【典题变式3】 用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应，现将该单色光的光强减弱，则（ ）a.光电子的最大初动能不变 b.光电子的最大