2019-2020学年高中物理 第二章 波粒二象性 第二节 光子学案 粤教版选修3-5

第二节光子1.知道普朗克提出的能量量子的假说2理解爱因斯坦的光子说及光电效应的解释，了解光电效应方程，并会用来解决简单问题一、能量量子假说1能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是h的整数倍，h称为一个能量量子，其中是辐射频率，h是一个常量，称为普朗克常量实验测得h6.631034 js2意义：由这个假说出发，可以解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象3量子化：微观世界里，物理量的取值很多时候是不连续的，只能取一些分立的值，这种物理量分立取值的现象称为量子化现象1如何解释测量一杯水的温度时温度计的示数连续变化而不是一份一份的？提示：每一份能量量子很小(微观量)，温度计示数变化1 对应变化的能量很大(宏观量)，由于温度计的精度不够，所以观察到的温度计温度不是一份一份地变化的二、光子假说光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子光子的能量与频率成正比，即h，式中h为普朗克常量三、光电效应方程1逸出功由于离子的束缚，金属内部的电子只有吸收一定的能量，才能从金属内部逸出成为光电子也就是说，必须对内部电子做功，电子才能脱离离子的束缚而逸出表面，这个功称为金属的逸出功，用符号w0表示2光电效应方程根据能量守恒定律，入射光子的能量等于出射光电子的最大初动能与逸出功之和其表达式为：hmvw02同一频率的光照射不同金属发生光电效应时，光电子的初动能是否相同？提示：由于不同金属的逸出功不同，由光电效应方程知，发生光电效应时，逸出的光电子初动能也就相应的不同了四、光电效应的解释1光电效应的条件：2遏止电压与光电子的最大初动能的关系：eu0mv3金属中的电子怎样才能摆脱原子核的吸引而逃逸出原子？提示：只有电子吸收了足够的能量后才能摆脱原子核的吸引而逃逸出原子区分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用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应在这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是_，可能相同的是_，一定不相同的是_a光子的能量 b金属的逸出功c光电子初动能 d光电子最大初动能解析光子的能量由频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功，因此只由材料决定，锌片和银片的光电效应中，光电子的逸出功一定不相同由ekmhw，照射光子能量h相同，逸出功w不同，则电子最大初动能不同由于光电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的初动能分布在零到最大初动能之间所以，在两个不同光电效应的光电子中，有时初动能是可能相等的答案acbd对光电效应方程的理解1光电效应方程ekhw0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0ek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：ekhw0.(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ekhw00，亦即hw0，0，而0 恰好是光电效应的极限频率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)存在极限频率和遏止电压：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hw0时，才有光电子逸出，0就是光电效应的极限频率(3)光电效应具有瞬时性：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)逸出功和极限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，但不是正比关系铝的逸出功为4.2 ev，现用波长为200 nm的光照射铝的表面已知h6.631034js，求：(1)光电子的最大初动能；(2)遏止电压；(3)铝的极限频率解析(1)根据光电效应方程ekhw0有ekw0 j4.21.61019 j3.2251019 j.(2)由ekeuc可得uc v2.016 v.(3)由hcw0知c hz1.0141015hz.答案(1)3.2251019 j(2)2.016 v(3)1.0141015hz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初动能为1.0 ev，入射光的波长应为多少？解析：由爱因斯坦光电效应方程得hmvw01.0 ev1.9 ev2.9 ev又h，c所以 m4.3107 m.答案：4.3107 m对光电效应曲线的应用在光电效应实验中，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)，如图所示则可判断出()a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由于是同一光电管，因而不论对哪种光，极限频率和金属的逸出功相同，对于甲、乙两种光，遏止电压相同，因而频率相同，a项错误；丙光对应的遏止电压较大，因而丙光的频率较高，波长较短，对应的光电子的最大初动能较大，故c、d均错误，只有b项正确答案b(1)ekm图象：方程ekmhw0表明，光电子的最大初动能ekm与入射光的频率存在线性关系(如图甲所示)，与光强无关图中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，图线的斜率为普朗克常量解决图象问题，弄清截距及斜率的物理意义是关键 甲乙(2)iu曲线：如图乙所示的是光电流强度i随光电管两极板间电压u的变化曲线，图中im为饱和光电流，uc为遏止电压用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能ek随入射光频率变化的ek图象已知钨的逸出功是3.28 ev，锌的逸出功是3.34 ev，若将两者的图象分别用实线与虚线画在同一个ek图上，则下图中正确的是()解析：选a.根据光电效应方程ekhw0可知ek图象的斜率为普朗克常量h，因此图中两线应平行，知c、d错误；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子动能为零)时的入射光频率即极限频率由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的入射光的频率越高，所以能使金属锌发生光电效应的极限频率较高，所以a正确，b错误随堂检测1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.由爱因斯坦光电效应方程ekhw0可知：ek只与频率有关，故选项b、c、d错误，选项a正确2当具有5.0 ev能量的光子照射到某金属表面时，从金属表面逸出的电子具有的最大初动能是1.5 ev.为了使这种金属产生光电效应，入射光的最低能量为()a1.5 evb3.5 evc5.0 ev d6.5 ev解析：选b.由ekhw0得w0hek5.0 ev1.5 ev3.5 ev，则入射光的最低能量为hminw03.5 ev.3频率为的光照射到一种金属表面上，有电子从金属表面逸出，当所加反向电压u的大小增大到3 v时，光电流刚好减小到零已知这种金属的极限频率为c6.001014 hz，因此照射光的频率_ hz.(电子电荷量e1.601019 c，普朗克常量h6.631034 js)解析：光电子的最大初动能ekeuc由爱因斯坦光电效应方程ekhhc由得：c1.321015 hz.答案：1.321015 hz课时作业一、单项选择题1某金属的逸出功为2.3 ev，这意味着()a这种金属内部的电子克服原子核引力做2.3 ev的功即可脱离表面b这种金属表层的电子克服原子核引力做2.3 ev的功即可脱离表面c要使这种金属有电子逸出，入射光子的能量可以小于2.3 evd这种金属受到光照时若有电子逸出，则电子离开金属表面时的动能至少等于2.3 ev解析：选b.逸出功指原子的最外层电子脱离原子核克服引力做的功，选b.2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)()ah bhch d解析：选a.由爱因斯坦光子说知，光子的能量h，而c.故h，a项正确3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 bnhcnh d2nh解析：选c.据光子说可知，光子能量与频率有关，一个光子能量为h(h为普朗克常量)，n个光子的能量为nh，所以选项c正确4用波长为2.0107m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4.71019 j由此可知，钨的极限频率是(普朗克常量h6.631034 js，光速 c3.0108 m/s，结果取两位有效数字)()a5.51014 hz b7.91014 hzc9.81014 hz d1.21015 hz解析：选b.由爱因斯坦光电效应方程hekmw0和w0h0知07.91014 hz.选项b正确5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；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()a12，wcwd b12，wcwdc12，wcwd d12，wcwd解析：选d.由题意知，a光光子的能量大于b光，根据hh，得12；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wcwd，故正确选项是d.6a与b两种单色光组成的复合光束，照射到某金属表面上时发生了光电效应若将该入射光a的强度增强，b的强度减弱，下列说法中正确的是()a有可能不发生光电效应b逸出的光电子的最大初动能将加大c单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将可能增加d从入射光照至金属表面上到金属发射出光电子之间的时间间隔将明显变化解析：选c.入射光的强度变化时，单位时间内照到单位面积上的光子数将变化，对应的吸收能量逸出的光电子数必将变化但是光电效应的发生是瞬时的，大约光照射后109 s之内就会发生，在发生时间上不会有影响根据爱因斯坦光电效应方程hw0ek，如果光的频率不变则光电效应一定发生而且逸出的光电子的最大初动能不变7关于光电效应，下列说法正确的是()a极限频率越大的金属材料逸出功越大b只要光照射的时间足够长，任何金属都能发生光电效应c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d入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多解析：选a.金属材料的逸出功与极限频率具有正比关系，即w0h极，故a正确；只有照射光的频率大于极限频率才能发生光电效应，故b错误；金属的逸出功由金属本身决定，与光电子的最大初动能无关，故c错误；入射光的光强一定时，频率越高，光子数越少，单位时间内逸出的光电子数就越少，故d错误，所以选a.二、多项选择题8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光子的能量由光的频率决定，其能量与它的频率成正比d光子可以被电场加速解析：选ac.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，光子的能量由光的频率决定，光子不带电，不能被电场加速9如图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象，由图象可知()a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.题中图象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ekhw0，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h0w0，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w0e，故选项a正确，而选项c、d错误10关于光电效应，以下说法不正确的是()a光电子的动能与入射光的频率成正比b光电子的最大初动能越大，形成的光电流越强c能否产生光电效应现象，决定于入射光光子的能量是否大于或等于金属的逸出功d用频率是1的绿光照射某金属发生了光电效应，改用频率是2的黄光照射该金属时一定不发生光电效应解析：选abd.由光电效应方程知，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