高中物理 17.1 能量量子化 17.2 光的粒子性课件 新人教版选修35 .ppt

一 正确理解光电效应中的五组概念 1 光子与光电子 光子指光在空间传播时的每一份能量 光子不带电 光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子 其本质是电子 光子是光电效应的因 光电子是果 2 光电子的动能与光电子的最大初动能 光照射到金属表面时 光子的能量全部被电子吸收 电子吸收了光子的能量 可能向各个方向运动 需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量 剩余部分为光电子的初动能 只有金属表面的电子直接向外飞出时 只需克服原子核的引力做功 才具有最大初动能 光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能 3 光子的能量与入射光的强度 光子的能量即每个光子的能量 其值为e h 为光子的频率 其大小由光的频率决定 入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量 入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积 4 光电流和饱和光电流 金属板飞出的光电子到达阳极 回路中便产生光电流 随着所加正向电压的增大 光电流趋于一个饱和值 这个饱和值是饱和光电流 在一定的光照条件下 饱和光电流与所加电压大小无关 5 光的强度与饱和光电流 饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的 对于不同频率的光 由于每个光子的能量不同 饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系 1 光电效应的实质是光现象转化为电现象 2 发生光电效应时 饱和光电流与入射光的强度有关 要明确不同频率的光 不同金属与光电流的对应关系 典例1 2010 上海高考 根据爱因斯坦光子说 光子能量等于 h为普朗克常量 c 为真空中的光速和波长 解题指导 本题考查光子能量公式和光速公式 光子的能量由频率决定 频率又和光速 波长有关系 标准解答 选a 光子的能量所以光子的能量 变式训练 一束绿光照射某金属发生了光电效应 则下列说法正确的是 a 若增加绿光的照射强度 则逸出的光电子数增加b 若增加绿光的照射强度 则逸出的光电子的最大初动能增加c 若改用紫光照射 则可能不会发生光电效应d 若改用紫光照射 则逸出的光电子的最大初动能增加 解析 选a d 光电效应的规律表明 入射光的频率决定是否发生光电效应以及发生光电效应时逸出的光电子的最大初动能的大小 当入射光的频率增加后 逸出的光电子的最大初动能也增加 又紫光的频率高于绿光的频率 而增加光的照射强度 会使单位时间内逸出的光电子数增加 故正确选项有a d 变式备选 下列关于光子的说法中 正确的是 a 在空间传播的光不是连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光子b 光子的能量由光强决定 光强大 每份光子的能量一定大c 光子的能量由光频率决定 其能量与它的频率成正比d 光子可以被电场加速 解析 选a c 按照爱因斯坦的光子说 在空间传播的光不是连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光子 光子的能量e h 与光的强度无关 故a c正确 b错误 光子不带电 不能被电场加速 d错误 二 全面理解光电效应方程及其规律 1 光电效应方程ek h w0的理解 1 式中的ek是光电子的最大初动能 就某个光电子而言 其离开金属时剩余动能大小可以是0 ek范围内的任何数值 2 光电效应方程实质上是能量守恒方程 能量为e 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 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 3 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 若发生光电效应 则光电子的最大初动能必须大于零 即ek h w0 0 亦即h w0 恰好是光电效应的截止频率 4 ekm 曲线 如图所示是光电子最大初动能ekm随入射光频率 的变化曲线 这里 横轴上的截距是截止频率或极限频率 纵轴上的截距是逸出功的负值 斜率为普朗克常量 2 光子说对光电效应的解释 1 饱和光电流与光强关系 光越强 包含的光子数越多 照射金属时产生的光电子越多 因而饱和光电流越大 所以 入射光频率一定时 饱和光电流与光强成正比 2 存在截止频率和遏止电压 爱因斯坦光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率成线性关系 与光强无关 所以遏止电压由入射光频率决定 与光强无关 光电效应方程同时表明 只有h w0时 才有光电子逸出 就是光电效应的截止频率 3 效应具有瞬时性 电子一次性吸收光子的全部能量 不需要积累能量的时间 所以光电效应几乎是瞬时发生的 1 逸出功和截止频率均由金属本身决定 与其他因素无关 2 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大 但不是正比关系 典例2 2010 四川高考 用波长为2 0 10 7m的紫外线照射钨的表面 释放出来的光电子中最大的动能是4 7 10 19j 由此可知 钨的极限频率是 普朗克常量h 6 63 10 34j s 光速c 3 0 108m s 结果取两位有效数字 a 5 5 1014hzb 7 9 1014hzc 9 8 1014hzd 1 2 1015hz 解题指导 解答本题时要注意以下两点 1 产生光电效应时光子的能量与逸出功的关系 2 根据光电效应方程 求出对应的极限频率 标准解答 选b 根据光电效应方程ekm h w 在恰好发生光电效应时最大初动能为0 有h 0 w 且c 化简得 故b正确 规律方法 利用光电效应规律解题的技巧应用光电效应规律解题应当明确 1 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 还与光电管两极间的电压有关 只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比 2 明确两个决定关系 1 逸出功w0一定时 入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能 2 入射光的频率一定时 入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数 变式训练 2011 福建高考 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 的关系如图所示 其中 0为极限频率 从图中可以确定的是 填选项前的字母 a 逸出功与 有关b ekm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 解题提示 解答本题时应能读懂图象 且应理解光电效应的两个关系 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象的斜率与普朗克常量有关 d对 三 利用光子说解释康普顿效应1 假定x射线光子与电子发生弹性碰撞 这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似 按照爱因斯坦的光子说 一个x射线光子不仅具有能量e h 而且还有动量 如图所示 这个光子与静止的电子发生弹性斜碰 光子把部分能量转移给了电子 能量由h 减小为h 因此频率减小 波长增大 同时 光子还使电子获得一定的动量 这样就圆满地解释了康普顿效应 2 康普顿效应进一步揭示了光的粒子性 也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性 典例3 康普顿效应证实了光子不仅具有能量 也有动量 如图给出了光子与静止电子碰撞后 电子的运动方向 则碰后光子可能沿方向 运动 并且波长 选填 不变 变短 或 变长 解题指导 根据碰撞过程中动量 能量均守恒以及动量是矢量分析此题 标准解答 因光子与电子的碰撞过程动量守恒 所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致 可见碰后光子运动的方向可能沿1方向 不可能沿2或3方向 通过碰撞 光子将一部分能量转移给电子 能量减少 由e h 知 频率变小 再根据c 知 波长变长 答案 1变长 变式训练 假如一个光子与一个静止的电子碰撞 光子并没有被吸收 只是被电子反弹回来 散射光子的频率与原来光子的频率相比哪个大 为什么 解析 碰撞后光子动量减小 而所以波长变大 又由c 知 变小 答案 见解析 典例 1905年是爱因斯坦的 奇迹 之年 这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文 其中关于光量子的理论成功地解释了光电效应现象 关于光电效应 下列说法正确的是 a 当入射光的频率低于极限频率时 不能发生光电效应b 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比c 光电子的最大初动能与入射光的强度成正比d 某单色光照射一金属时不发生光电效应 改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应 解题指导 只有入射光子的能量足够大 大于逸出功 电子才能 逸出 所以能否发生光电效应与光的频率有关而与光的强度无关 若已经发生光电效应 逸出的光电子数跟入射光的强度成正比 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大 标准解答 选a d 根据光电效应现象的实验规律 只有入射光频率大于极限频率才能发生光电效应 故a d正确 根据光电效应方程 最大初动能与入射光频率为线性关系 但非正比关系 b错 根据光电效应现象的实验规律 光电子的最大初动能与入射光强度无关 c错 一 选择题1 关于能量量子化和光的粒子性 下列说法正确的是 a 黑色的物体是黑体b 光电子不是光子 光电子本质上是电子c 随着温度的升高 黑体的辐射强度都有增加 辐射强度的极大值向波长较长的方向移动d 光子的质量是指它的相对论质量 俗称动质量 没有静止质量 解析 选b d 黑色物体并不一定就是黑体 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 当照射光的频率大于某种金属的极限频率时 照射到金属表面的光 能使金属中的电子从其表面逸出 逸出的电子称为光电子 其本质就是电子 对于黑体辐射 随着温度的升高 黑体的辐射强度都有增加 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 由于光不能静止下来 因此光子没有静止质量 光子的质量是指它的相对论质量 俗称动质量 故b d正确 2 下列叙述错误的是 a 一切物体都在辐射电磁波b 一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关c 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关d 黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 解析 选b 我们周围的一切物体都在辐射电磁波 故a正确 根据热辐射和黑体辐射的特点知 一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外 还与材料种类和表面状况有关 而黑体辐射只与黑体的温度有关 b错误 c正确 根据黑体的定义知d正确 3 2011 金华高二检测 某种金属在单色光照射下发出光电子 光电子的最大初动能 a 随照射光强度的增大而增大b 随照射光频率的增大而增大c 随照射光波长的增大而增大d 与照射光的照射时间无关 解析 选b d 根据光电效应现象的实验规律 光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大 与入射光强度无关 入射光的强度只是与光电流有关 而光子的波长增大其频率反而减小 能否发生光电效应以及光电子的最大初动能与照射时间都没有关系 故选项b d正确 4 科学研究证明 光子有能量也有动量 当光子与电子碰撞时 光子的一些能量转移给了电子 假设光子与电子碰撞前的波长为 碰撞后的波长为 则碰撞过程中 a 能量守恒 动量守恒 且 b 能量不守恒 动量不守恒 且 c 能量守恒 动量守恒 且 解析 选c 能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律 适用于宏观世界也适用于微观世界 光子与电子碰撞时遵循这两个守恒规律 光子与电子碰撞前光子的能量当光子与电子碰撞时 光子的一些能量转移给了电子 光子的能量由e e 可知 选项c正确 5 2011 徐州高二检测 光子有能量 也有动量它也遵守有关动量的规律 如图所示 真空中有一 字形装置可绕通过横杆中点的竖直轴oo 在水平面内灵活地转动 其中左边是圆形黑纸片 右边是和左边大小 质量都相同的圆形白纸片 当用平行白光垂直照射这两个圆面时 关于装置开始转动情况 俯视 的下列说法中正确的是 a 顺时针方向转动b 逆时针方向转动c 都有可能d 不会转动 解析 选b 白纸片反射光子 光子的动量变化大 由动量定理知 光子对白纸片的冲击力大 故b正确 6 2011 扬州高二检测 如图所示 用绿光照射一光电管的阴极时产生光电效应 欲使光子从阴极逸出时的最大初动能增大 应采取的措施是 a 改用红光照射b 改用紫光照射c 增大绿光的强度d 增大加在光电管上的正向电压 解析 选b 发生光电效应时 光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大 与照射光强度 光电管的电压无关 红光的频率比绿光的频率小 不一定能发生光电效应 即使发生光电效应 光电子的最大初动能也较小 而紫光的频率大于绿光的频率 故选项b正确 7 用波长为 1和 2的单色光a和b分别照射两种金属c和d的表面 单色光a照射两种金属时都能产生光电效应现象 单色光b照射时 只能使金属c产生光电效应现象 不能使金属d产生光电效应现象 设两种金属的逸出功分别为wc和wd 则下列选项正确的是 a 2 wc wdb 1 2 wc wdc 1 2 wc wdd 1 2 wc wd 解析 选d 由题意知 a光光子的能量大于b光光子 根据得 1 2 又因为单色光b只能使金属c产生光电效应现象 不能使金属d产生光电效应现象 所以wc wd 故正确选项是d 8 研究光电效应规律的实验装置如图所示 以频率为 的光照射光电管阴极k时 有光电子产生 由于光电管k a间加的是反向电压 光电子从阴极k发射后将向阳极a做减速运动 光电流i由图中电流计g测出 反向电压u由电压表v测出 且遏止电压为u0 在下列表示光电效应实验规律的图象中 错误的是 解析 选b 当反向电压u和入射光频率 一定时 发生光电效应产生的光电子数与光强成正比 则单位时间到达阳极a的光电子数与光强也成正比 故光电流i与光强i成正比 所以选项a正确 由动能定理得 eu0 0 ek 又因ek h w0 所以可知遏止电压u0与频率 是线性关系 但不是正比例关系 故选项b错误 当光强与入射光频率一定时 单位时间内逸出的光电子数及其最大初动能是一定的 所形成的光电流强度会随反向电压的增大而减小 选项c正确 根据光电效应的瞬时性规律 可知选项d正确 方法技巧 利用光电效应规律解题的技巧应用光电效应规律解题应当明确 1 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 还与光电管两极间的电压有关 只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比 2 明确两个决定关系 1 逸出功w0一定时 入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能 2 入射光的频率一定时 入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数 二 非选择题9 2011 新课标全国卷 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