第2节光的粒子性

1、第十七章波粒二象性第十七章波粒二象性第第2节光的粒子性节光的粒子性 栏目链接学学 习习目目 标标1了解光电效应及其实验规律了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的感受以实验为基础的科学研究方法科学研究方法2知道爱因斯坦光电效应方程及其意义知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，感受科学家感受科学家在面对科学疑难时的创新精神在面对科学疑难时的创新精神3了解康普顿效应及其意义了解康普顿效应及其意义 栏目链接1光电效应现象光电效应现象如下图所示，用弧光灯照射锌板，与锌板相连的验电器就带如下图所示，用弧光灯照射锌板，与锌板相连的验电器就带正电，即锌板也带正电这说明锌板在光的照射下发射出了正电，即锌板也带

2、正电这说明锌板在光的照射下发射出了电子电子 栏目链接(1)定义：在光的照射下物体发射出电子的现象，叫作光电效定义：在光的照射下物体发射出电子的现象，叫作光电效应，发射出来的电子叫作光电子应，发射出来的电子叫作光电子(2)研究光电效应的实验装置研究光电效应的实验装置(如下图所示如下图所示)阴极阴极K和阳极和阳极A是是密封在真空玻璃管中的两个电极，密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光在受到光照时能够发射光电子电源加在电子电源加在K与与A之间的电压大小可以调整，正负极也可之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调以对调 栏目链接2光电效应的规律光电效应的规律(1)光电效应的实验结果光

3、电效应的实验结果首先在入射光的强度与频率不变的情况下，首先在入射光的强度与频率不变的情况下，IU的实验曲线如下的实验曲线如下图所示曲线表明，当加速电压图所示曲线表明，当加速电压U增加到一定值时，光电流达增加到一定值时，光电流达到饱和值到饱和值Im.这是因为单位时间内从阴极这是因为单位时间内从阴极K射出的光电子全部到射出的光电子全部到达阳极达阳极A.若单位时间内从阴极若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为上逸出的光电子数目为n，则，则饱和电流饱和电流Imne，式中，式中e为电子电荷量另一方面，当电压为电子电荷量另一方面，当电压U减小到零，并开始反向时，光电流并没有降为零，这就表明从减小到零，并

4、开始反向时，光电流并没有降为零，这就表明从阴极阴极K逸出的光电子具有初动能逸出的光电子具有初动能所以尽管有电场阻碍它运动，仍有部分光电子到达阳极所以尽管有电场阻碍它运动，仍有部分光电子到达阳极A.但是但是当反向电压等于当反向电压等于Uc时，就能阻止所有的光电子飞向阳极时，就能阻止所有的光电子飞向阳极A，使，使光电流降为零，这个电压叫遏止电压，它使具有最大初速度的光电流降为零，这个电压叫遏止电压，它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极电子也不能到达阳极A.如果不考虑在测量遏止电压时回路中的如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差，那么我们就能根据遏止电压接触电势差，那么我们就能根据遏止电压U

5、c来确定电子的最来确定电子的最大速度大速度vm和最大动能，即和最大动能，即 eUc.在用相同频率不同强度的光去照射阴极在用相同频率不同强度的光去照射阴极K时，得到的时，得到的IU曲线如曲线如图甲所示它显示出对于不同强度的光，图甲所示它显示出对于不同强度的光，Uc是相同的这说明是相同的这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的此外，用不同频率的光去照射阴极的此外，用不同频率的光去照射阴极K时，实验结果是：频时，实验结果是：频率越高，率越高，Uc越大，如图乙所示，并且越大，如图乙所示，并且与与Uc呈线性关系如图呈线性关系如图丙所

6、示，频率低于丙所示，频率低于c的光，不论强度多大，都不能产生光电子，的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此因此c称为截止频率对于不同的材料，截止频率不同称为截止频率对于不同的材料，截止频率不同(2)光电效应的实验规律光电效应的实验规律饱和电流饱和电流Im的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比(见图甲见图甲)光电子的最大初动能光电子的最大初动能(或遏止电压或遏止电压)与入射光线的强度无关与入射光线的强度无关(见图甲，图中见图甲，图中Io1、Io2、Io3表示入射光强度表示

7、入射光强度)，而只与入射，而只与入射光的频率有关频率越高，光电子的初动能就越大光的频率有关频率越高，光电子的初动能就越大(见图见图乙乙)频率低于频率低于c的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出都不能使光电子逸出光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内围内( s)观察不出这两者间存在滞后现象观察不出这两者间存在滞后现象 尝试应用尝试应用1如图所示如图所示，用导线将验电器与洁净锌板连接用导线将验电器与洁净锌板连接，触摸锌板使触摸锌板使验电器指针归零验电器指针归零，用紫外线

8、照射锌板用紫外线照射锌板，验电器指针发生明显验电器指针发生明显偏转偏转，接着用毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板接着用毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板，发现验电器指发现验电器指针张角减小针张角减小，此现象说明锌板带此现象说明锌板带_电电(选填选填“正正”或或“负负”)；若改用红外线重复以上实验；若改用红外线重复以上实验，结果发现验电器指针结果发现验电器指针根本不会偏转根本不会偏转，说明金属锌的极限频率说明金属锌的极限频率_(选填选填“大于大于”或或“小于小于”)红外线的频率红外线的频率解析：解析：紫外线照射锌板后紫外线照射锌板后，与锌板相连的验电器指针发生明显与锌板相连的验电器指针发生明显偏转偏转，可知锌板

9、带电毛皮摩擦过的橡胶棒带负电可知锌板带电毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，橡胶棒与橡胶棒与锌板接触锌板接触，验电器指针张角变小验电器指针张角变小，说明锌板上的电荷与橡胶棒说明锌板上的电荷与橡胶棒上的电荷电性相反上的电荷电性相反，由此可判断锌板带正电金属要发生光电由此可判断锌板带正电金属要发生光电效应效应，入射光的频率必须大于金属的极限频率入射光的频率必须大于金属的极限频率，本题中用红外本题中用红外线照射锌板验电器指针不偏转线照射锌板验电器指针不偏转，说明没发生光电效应因此说明没发生光电效应因此可判断锌的极限频率大于红外线的频率可判断锌的极限频率大于红外线的频率答案：答案：正大于正大于 栏目链接1解释光

10、电效应中的疑难解释光电效应中的疑难(1)逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值用逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值用W0表示，表示，不同金属的逸出功不同不同金属的逸出功不同(2)光电效应与光的电磁理论的矛盾光电效应与光的电磁理论的矛盾矛盾之一：光的能量与频率有关，而不像波动理论中应由振幅矛盾之一：光的能量与频率有关，而不像波动理论中应由振幅决定按光的波动理论，不论光的频率如何，只要照射时间足决定按光的波动理论，不论光的频率如何，只要照射时间足够长或光的强度足够大就可以产生光电效应，但实验结果表明：够长或光的强度足够大就可以产生光电效应，但实验结果表明： 栏目链接产生光电效应的条件却是入

11、射光频率大于某一极限频率，且光产生光电效应的条件却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，均与光的强度电效应的最大初动能与入射光频率成线性关系，均与光的强度无关根据能量的观点，电子要从物体中飞出，必须使之具有无关根据能量的观点，电子要从物体中飞出，必须使之具有一定的能量，而这一能量只能来源于照射光，为什么实验表明一定的能量，而这一能量只能来源于照射光，为什么实验表明发射电子的能量与照射光的强度无关，而与光的频率有关？这发射电子的能量与照射光的强度无关，而与光的频率有关？这个问题曾使物理界大为困惑，使经典的光的波动理论面临挑个问题曾使物理界大为困惑，使经典的光

12、的波动理论面临挑战战 矛盾之二：光电效应产生的时间极短电子吸收光的矛盾之二：光电效应产生的时间极短电子吸收光的能量是瞬时完成的，而不像波动理论所预计的那样可能逐渐积能量是瞬时完成的，而不像波动理论所预计的那样可能逐渐积累当一束很细的光照射到物体上时，它的能量将分布到大量累当一束很细的光照射到物体上时，它的能量将分布到大量的原子上，怎么可能在极短时间内把足够的能量集中到电子上的原子上，怎么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而使之从物体中飞出 栏目链接2爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程(1)光子说：爱因斯坦于光子说：爱因斯坦于1905年提出，在空间传播的光是不连

13、年提出，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光子，光子的能量续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光子，光子的能量跟它的频率成正比，即跟它的频率成正比，即h，式中，式中h叫普朗克常量叫普朗克常量(h6.63 Js)(2)光电效应方程：光电效应方程：EkmhW0.其中其中Ekm 为光电子的最大初动能，为光电子的最大初动能，W0为金属的逸为金属的逸出功注意要正确理解光电效应方程出功注意要正确理解光电效应方程 栏目链接式中式中Ekm是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是离开金属时的动能大小可以是0Ekm范围内的

14、任何数值范围内的任何数值光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系呈线性关系(注意不是正比关系注意不是正比关系)，与光强无关，与光强无关光电效应方程包含了产生光电效应的条件，即光电效应方程包含了产生光电效应的条件，即光电效应方程实质上是能量守恒方程光电效应方程实质上是能量守恒方程逸出功逸出功W0：电子从金属中逸出所需要的克服束缚而消耗的：电子从金属中逸出所需要的克服束缚而消耗的能量的最小值，叫作金属的逸出功光电效应中，从金属表能量的最小值，叫作金属的逸出功光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少面逸出的电子消耗能量最少 栏

15、目链接3光子说对光电效应规律的解释光子说对光电效应规律的解释(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量而且这个传递能量的过程只能是一份一份地吸收光子的能量而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为如果光的频率低于极限频率，则光个光子对一个电子的行为如果光的频率低于极限频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原来的束缚，就不能发生光电子提供给电子的能量不足以克服原来的束缚，就不能发生光电效应效应(2)而当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后，电而当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后，电子摆

16、脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能式存在，这样光电子的最大初动能Ekm mvm2hW0，其中其中W0为金属的逸出功，因此光的频率越高，电子的初动能为金属的逸出功，因此光的频率越高，电子的初动能越大越大 栏目链接(3)电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间即挣脱电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间即挣脱束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正

17、比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多多，那么逸出的光电子数目也就越多 尝试应用尝试应用2用同一束单色光用同一束单色光，在同一条件下在同一条件下，先后照射锌片和银片先后照射锌片和银片，都能产生光电效应在这两个过程中都能产生光电效应在这两个过程中，对下列四个物理量来对下列四个物理量来说说，一定相同的是一定相同的是_，可能相同的是可能相同的是_，一定一定不相同的是不相同的是_A光子的能量光子的能量 B金属的逸出功金属的逸出功C光电子的初动能光电子的初动能 D光电子的最大初动能光电子的最大初动能解析：解析

18、：光子的能量由光的频率决定光子的能量由光的频率决定，同一束单色光频率相同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最少的功，因此只由材料决定，锌片和银片的光电效应中，光，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；由电子的逸出功一定不相同；由EkhW0，照射光子能量照射光子能量k相同相同，逸出功逸出功W0不同不同，则电子最大初动能不同；由于光电子吸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途中损失的能量

19、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在两个不同光电效应的光电子中，初动能是可能相等的初动能是可能相等的答案：答案：ACBD1光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，光的传播方向发生改变光在介质中与物质微粒相互作用，光的传播方向发生改变的现象叫作光的散射的现象叫作光的散射2康普顿效应康普顿效应在散射线中，除有与入射波长相同的射线外，还有波长比在散射线中，除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射线波长更长的射线人们把这种波长变化的现象叫作入射线波长更长的射线人们把这种波长变化的现象叫作康普

20、顿效应康普顿效应(Compton effect) 栏目链接3光子说对康普顿效应的解释光子说对康普顿效应的解释假定假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞，这种碰撞跟台球比射线光子与电子发生完全弹性碰撞，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射线射线光子不仅具有能量光子不仅具有能量h，而且还有动量如下图所示，这个，而且还有动量如下图所示，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，能量由电子，能量由h减小为减小为h，因此频率减小，波长增大同时，因此频率减小，波

21、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效应 尝试应用尝试应用3(多选多选)关于康普顿效应关于康普顿效应，下列说法正确的是下列说法正确的是(BCD)A康普顿在研究康普顿在研究X射线散射时射线散射时，发现散射光的波长发生了变化发现散射光的波长发生了变化，为波动说提供了依据为波动说提供了依据BX射线散射时射线散射时，波长改变的多少与散射角有关波长改变的多少与散射角有关C发生散射时发生散射时，波长较短的波长较短的X射线或射线或射线入射时射线入射时，产生康普顿产生康普顿效应效应D爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应爱因斯坦的光子

22、说能够解释康普顿效应，所以康普顿效应支所以康普顿效应支持粒子说持粒子说解析：解析：美国物理学家康普顿在研究美国物理学家康普顿在研究X射线散射时射线散射时，发现散射光发现散射光波长发生了变化波长发生了变化，这种现象用波动说无法理解这种现象用波动说无法理解，用光子说却可用光子说却可以解释以解释，A错；波长改变的多少与散射角有关错；波长改变的多少与散射角有关，B对；当波长对；当波长较短时发生康普顿效应较短时发生康普顿效应，较长时发生光电效应较长时发生光电效应，C对、对、D对对用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施

23、是产生光电效应的措施是()A改用频率更小的紫外线照射改用频率更小的紫外线照射B改用改用X射线照射射线照射C改用强度更大的原紫外线照射改用强度更大的原紫外线照射D延长原紫外线的照射时间延长原紫外线的照射时间【审题指导【审题指导】要产生光电效应要产生光电效应，根据光电效应的条件必须用能量更大，即频，根据光电效应的条件必须用能量更大，即频率更高的粒子率更高的粒子解析：解析：根据光电效应的条件根据光电效应的条件o，要产生光电效应要产生光电效应，必须用必须用能量更大能量更大，即频率更高的粒子能否发生光电效应与光的强即频率更高的粒子能否发生光电效应与光的强度和照射时间无关度和照射时间无关X射线的频率大于紫

24、外线的频率故射线的频率大于紫外线的频率故A、C、D错误错误，B正确正确答案：答案：B点评：点评：解决本题的关键掌握光电效应的条件及各种电磁波的解决本题的关键掌握光电效应的条件及各种电磁波的频率大小关系频率大小关系 变式训练变式训练1(多选多选)如图所示的光电管的实验中如图所示的光电管的实验中，发现用一定频率的发现用一定频率的A单单色光照射光电管时色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转电流表指针会发生偏转，而用另一频率的而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应单色光照射时不发生光电效应，那么那么(AC)AA光的频率大于光的频率大于B光的频率光的频率BB光的频率大于光的频率大于A光的频率光的频率

25、C用用A光照射光电管时流过电流表光照射光电管时流过电流表G的电流方向是的电流方向是a流向流向bD用用A光照射光电管时流过电流表光照射光电管时流过电流表G的电流方向是的电流方向是b流向流向a解析：解析：根据光电效应的条件可知根据光电效应的条件可知，A光的频率高于极限频率光的频率高于极限频率c.B光的频率小于极限频率光的频率小于极限频率c，故故A光的频率大于光的频率大于B光的频率光的频率A项项正确光电管工作时光电子从阴极正确光电管工作时光电子从阴极(右侧右侧)飞向阳极飞向阳极(左侧左侧)，由此由此可知可知，电路中的电流为电路中的电流为ab，即即C项正确项正确(2014广东卷广东卷)(多选多选)在光

26、电效应实验中，用频率为在光电效应实验中，用频率为的光照射的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是()A增大入射光的强度，光电流增大增大入射光的强度，光电流增大B减小入射光的强度，光电效应现象消失减小入射光的强度，光电效应现象消失C改变频率小于改变频率小于的光照射，一定不发生光电效应的光照射，一定不发生光电效应D改变频率大于改变频率大于的光照射，光电子的最大初动能变大的光照射，光电子的最大初动能变大【审题指导【审题指导】光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率限频率，与入射光的强度无关与入射光的

27、强度无关，根据光电效应方程判断影响根据光电效应方程判断影响光电子最大初动能的因素光电子最大初动能的因素解析：解析：光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，能否发生光电效应，与入射光的强度无关，与光照时间也无能否发生光电效应，与入射光的强度无关，与光照时间也无关，当发生光电效应时，增大入射光的强度，则光电流会增关，当发生光电效应时，增大入射光的强度，则光电流会增大大故故A正确；入射光的频率大于金属的极限频率正确；入射光的频率大于金属的极限频率，才会发才会发生电效应生电效应，与入射光的强度无关与入射光的强度无关，故故B错误；光电效应的条错误；光

28、电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率件是入射光的频率大于金属的极限频率，当改变频率小于当改变频率小于，但不一定小于极限频率但不一定小于极限频率，故故C错误；在光电效应中错误；在光电效应中，根据光根据光电效应方程知电效应方程知，EkmhW0，入射光的频率越高入射光的频率越高，光电子光电子最大初动能越大故最大初动能越大故D正确正确答案：答案：AD 变式训练变式训练2(2014上海卷上海卷)在光电效应的实验结果中在光电效应的实验结果中，与光的波动理论不与光的波动理论不矛盾的是矛盾的是(C)A光电效应是瞬时发生的光电效应是瞬时发生的B所有金属都存在极限颇率所有金属都存在极限颇率C光电流随着入射光增强而变大光电流随着入射光增强而变大D入射光频率越大入射光频率越大，光电子最大初动能越大光电子最大初动能越大解析：解析：光具有波粒二象性光具有波粒二象性，即既具有波动性又具有粒子性即既具有波动性又具有粒子性，光电效应证实了光的粒子性光电效应证实了光的粒子性因为光子的能量是一份