高中物理 第17章 波粒二象性 2 光的粒子性课件 新人教版选修35.ppt

第十七章 2光的粒子性 学习目标1 了解光电效应及其实验规律 以及光电效应与电磁理论的矛盾 2 知道爱因斯坦光电效应方程及应用 3 了解康普顿效应及其意义 了解光子的动量 内容索引 知识探究 题型探究 达标检测 知识探究 一 光电效应及其实验规律 如图1所示 取一块锌板 用砂纸将其一面擦一遍 去掉表面的氧化层 连接在验电器上 弧光灯发射紫外线 1 用弧光灯照射锌板 看到的现象为 说明 答案 图1 验电器指 针偏角张开 锌板带电了 弧光灯发出的紫 外线照射到锌板上 在锌板表面发射出光电子 从而使锌板带上了正电 2 在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板 再用弧光灯照射 看到的现象为 说明 答案 减小 锌板产生光电效应是光中紫外线 照射的结果而不是可见光 指针偏角明显 3 撤去弧光灯 换用白炽灯发出的强光照射锌板 并且照射较长时间 看到的现象为 说明 观察不 到指针的偏转 可见光不能使锌板发生光电效应 1 光电效应 照射到金属表面的光 能使金属中的从表面逸出的现象 2 光电子 光电效应中发射出来的 3 光电效应的实验规律 1 存在着电流 在光的颜色不变的情况下 入射光越强 饱和电流 电子 电子 饱和 越大 2 存在着遏止电压和频率 入射光的频率低于截止频率时 填 能 或 不能 发生光电效应 3 光电效应具有性 光电效应中产生电流的时间不超过10 9s 4 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的值 用w0表示 不同金属的逸出功 截止 不能 瞬时 最小 不同 判断下列说法的正误 1 光电效应中 光 指的是可见光 2 能否发生光电效应 取决于光的强度 3 光电子不是光子 4 逸出功的大小与入射光无关 二 爱因斯坦的光电效应方程 用如图2所示的装置研究光电效应现象 所用光子能量为2 75ev的光照射到光电管上时发生了光电效应 电流表的示数不为零 移动滑动变阻器的滑动触头 发现当电压表的示数大于或等于1 7v时 电流表示数为0 1 光电子的最大初动能是多少 遏止电压为多少 图2 答案1 7ev1 7v 答案 2 光电管阴极的逸出功又是多少 答案w0 h ekm 2 75ev 1 7ev 1 05ev 答案 3 当滑动触头向a端滑动时 光电流变大还是变小 答案变大 4 当入射光的频率增大时 光电子最大初动能如何变化 遏止电压呢 答案变大变大 1 光子说 在空间传播的光是不连续的 而是的 每一份叫做一个光的能量子 简称光子 光子的能量 其中h 6 63 10 34j s 称为普朗克常量 2 最大初动能 发生光电效应时 金属表面上的吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的值 3 遏止电压与截止频率 1 遏止电压 使光电流减小到零的反向电压uc 2 截止频率 能使某种金属发生光电效应的频率叫做该种金属的截止频率 又叫极限频率 不同的金属对应着不同的极限频率 一份一份 h 电子 最大 最小 4 光电效应方程 1 表达式 或 2 物理意义 金属中电子吸收一个光子获得的能量是 这些能量一部分用于克服金属的 剩下的表现为逸出后电子的 3 光电效应方程说明了产生光电效应的条件若有光电子逸出 则光电子的最大初动能必须大于零 即ek h w0 0 亦即h c 而 c 恰好是光电效应的截止频率 h ek w0 ek h w0 h 逸出功w0 最大初动能 w0 5 ek 曲线如图3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 纵轴上的截距是 斜率为 图3 截止频率 或极限频率 逸出功的负值 普朗克常量 判断下列说法的正误 1 从金属表面出来的光电子的最大初动能越大 这种金属的逸出功越小 2 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 3 入射光若能使某金属发生光电效应 则入射光的强度越大 照射出的光电子越多 4 遏止电压的大小与入射光的频率有关 与入射光的光强无关 答案 三 康普顿效应 太阳光从小孔射入室内时 我们从侧面可以看到这束光 白天的天空各处都是亮的 宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目 其他方向的天空却是黑的 为什么 答案 答案在地球上存在着大气 太阳光经大气中微粒散射后传向各个方向 而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播 1 光的散射光在介质中与相互作用 因而传播方向 这种现象叫做光的散射 2 康普顿效应美国物理学家康普顿在研究石墨对x射线的散射时 发现在散射的x射线中 除了与入射波长 0相同的成分外 还有波长 0的成分 这个现象称为康普顿效应 物质微粒 发生改变 大于 3 康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外 还具有动量 深入揭示了光的的一面 4 光子的动量 1 表达式 p 2 说明 在康普顿效应中 入射光子与晶体中电子碰撞时 把一部分动量转移给电子 光子的动量变小 因此 有些光子散射后波长变大 粒子性 判断以下说法的正误 1 光子的动量与波长成反比 2 光子发生散射后 其动量大小发生变化 但光子的频率不发生变化 3 有些光子发生散射后 其波长变大 答案 题型探究 一 光电效应现象及其实验规律 1 光电效应的实质 光现象电现象 2 光电效应中的光包括不可见光和可见光 3 光电子 光电效应中发射出来的电子 其本质还是电子 4 能不能发生光电效应由入射光的频率决定 与入射光的强度无关 5 发生光电效应时 产生的光电子数与入射光的频率无关 与入射光的强度有关 6 光电效应与光的电磁理论的矛盾按光的电磁理论 应有 1 光越强 光电子的初动能越大 遏止电压与光的强弱有关 2 不存在截止频率 任何频率的光都能产生光电效应 3 在光很弱时 放出电子的时间应远大于10 9s 例1一验电器与锌板相连 如图4所示 用一紫外线灯照射锌板 关灯后 验电器指针保持一定偏角 图4 解析 1 现用一带负电的金属小球与锌板接触 则验电器指针偏角将 填 增大 减小 或 不变 减小 答案 解析当用紫外线灯照射锌板时 锌板发生光电效应 锌板放出光电子而带上正电 此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电 故指针发生了偏转 当带负电的金属小球与锌板接触后 中和了一部分正电荷 从而使验电器的指针偏角减小 2 使验电器指针回到零 再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板 验电器指针无偏转 那么 若改用强度更大的红外线灯照射锌板 可观察到验电器指针 填 有 或 无 偏转 解析 无 答案 解析使验电器指针回到零 用钠灯发出的黄光照射锌板 验电器指针无偏转 说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率 而红外线比黄光的频率还要低 更不可能使锌板发生光电效应 能否发生光电效应与入射光的强弱无关 例2入射光照射到某金属表面上发生光电效应 若入射光的强度减弱 而频率保持不变 那么a 从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加b 逸出的光电子的最大初动能将减小c 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少d 有可能不发生光电效应 答案 解析 解析发生光电效应几乎是瞬时的 选项a错误 入射光的强度减弱 说明单位时间内的入射光子数目减少 频率不变 说明光子能量不变 逸出的光电子的最大初动能也就不变 选项b错误 入射光子的数目减少 逸出的光电子数目也减少 故选项c正确 入射光照射到某金属上发生光电效应 说明入射光频率不低于这种金属的极限频率 入射光的强度减弱而频率不变 同样能发生光电效应 故选项d错误 针对训练1 多选 如图5所示 电路中所有元件完好 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a 入射光太弱b 入射光波长太长c 光照时间太短d 电源正 负极接反 图5 答案 解析 解析金属存在截止频率 超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出 射出的光电子的动能随频率的增大而增大 动能小时不能克服反向电压 也不会有光电流 入射光的频率低于截止频率 不能产生光电效应 与光照强弱无关 选项b正确 a错误 电路中电源正 负极接反 对光电管加了反向电压 若该电压超过了遏止电压 也没有光电流产生 d正确 光电效应的产生与光照时间无关 c错误 二 光电效应方程的理解与应用1 光电效应方程实质上是能量守恒方程 1 能量为 h 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 2 如果克服吸引力做功最少为w0 则电子离开金属表面时动能最大为ek 根据能量守恒定律可知 ek h w0 2 光电效应规律中的两条线索 两个关系 1 两条线索 2 两个关系 光强 光子数目多 发射光电子多 光电流大 光子频率高 光子能量大 产生光电子的最大初动能大 例3在光电效应实验中 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 的单色光做该实验 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 答案 解析 例4如图6所示 当开关k断开时 用光子能量为2 5ev的一束光照射阴极p 发现电流表读数不为零 合上开关 调节滑动变阻器 发现当电压表读数小于0 6v时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于0 6v时 电流表读数为零 由此可知阴极材料的逸出功为a 1 9evb 0 6evc 2 5evd 3 1ev 答案 图6 解析由题意知光电子的最大初动能为ek euc 0 6ev所以根据光电效应方程ek h w0可得w0 h ek 2 5 0 6 ev 1 9ev 解析 针对训练2 多选 一单色光照到某金属表面时 有光电子从金属表面逸出 下列说法中正确的是a 只增大入射光的频率 金属逸出功将减小b 只延长入射光照射时间 光电子的最大初动能将不变c 只增大入射光的频率 光电子的最大初动能将增大d 只增大入射光的频率 光电子逸出所经历的时间将缩短 解析金属的逸出功由金属本身的构成决定 与入射光的频率无关 选项a错误 根据爱因斯坦光电效应方程ek h w0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b c正确 d错误 答案 解析 1 逸出功w0对应着某一截止频率 c 即w0 h c 只有入射光的频率 c时才有光电子逸出 即才能发生光电效应 2 对于某一金属 c一定 入射光的频率决定着能否产生光电效应及光电子的最大初动能 而与入射光的强度无关 3 逸出功和截止频率均由金属本身决定 与其他因素无关 达标检测 1 多选 如图7所示 用弧光灯照射擦得很亮的锌板 验电器指针张开一个角度 则下列说法中正确的是a 用紫外线照射锌板 验电器指针会发生偏转b 用红光照射锌板 验电器指针会发生偏转c 锌板带的是负电荷d 使验电器指针发生偏转的是正电荷 1 2 3 答案 图7 解析 4 解析将擦得很亮的锌板与验电器连接 用弧光灯照射锌板 弧光灯发出紫外线 验电器指针张开一个角度 说明锌板带了电 进一步研究表明锌板带正电 这说明在紫外线的照射下 锌板中有一部分自由电子从表面飞出 锌板带正电 选项a d正确 红光不能使锌板发生光电效应 1 2 3 4 2 多选 下列对光子的认识 正确的是a 光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的微粒b 光子说中的光子就是光电效应的光电子c 在空间传播的光是不连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光量子 简称光子d 光子的能量跟光的频率成正比 1 2 3 解析 答案 4 解析根据光子说 在空间传播的光是不连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光量子 简称光子 而牛顿的 微粒说 中的微粒指宏观世界的微小颗粒 光电效应中 金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚 逸出金属表面 成为光电子 故a b选项错误 c选项正确 由e h 知 光子能量e与其频率 成正比 故d选项正确 1 2 3 4 3 利用光电管研究光电效应实验如图8所示 用频率为 的可见光照射阴极k 电流表中有电流通过 则a 用紫外线照射 电流表不一定有电流通过b 用红光照射 电流表一定无电流通过c 用频率为 的可见光照射k 当滑动变阻器的滑动触头移到a端时 电流表中一定无电流通过d 用频率为 的可见光照射k 当滑动变阻器的滑动触头向b端滑动时 电流表示数可能不变 1 2 3 图8 解析 答案 4 解析因紫外线的频率比可见光的频率高 所以用紫外线照射时 电流表中一定有电流通过 选项a错误 因不知阴极k的截止频率 所以用红光照射时 不一定发生光电效应 所以选项b错误 即使uak 0 电流表中也可能