2017-2018学年同步备课套餐之物理粤教版选修3-5讲义：第2章波粒二象性第二节

第二节光子［学习目标］1.知道普朗克的能量量子假说.2.知道爱因斯坦的光子说以及光子能量的表达式.3.知道爱因斯坦的光电效应方程以及对光电效应规律的解释．知识探究 新知探鸵点点酒实一、能量量子假说［导学探究］(1)在宏观世界里，下列哪些量的取值是连续的；哪些是不连续的？(物体的长度、质量、动能、动量、人的个数、台阶的个数)⑵氢原子中电子的能量只可能取值一13.6eV、一3.40eV、一1.51eV等，这是连续还是分立取值？答案(1)连续的有：物体的长度、质量、动能、动量．不连续的有：人的个数、台阶的个数．(2)分立取值，即氢原子的能量是量子化的．［知识梳理］1假说内容：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hv的整数倍..能量量子：hv_称为一个能量量子，其中v是辐射频率，h是一个常量，称为普朗克常量，h=6.63X10-34J$.假说的意义：能量量子假说能够非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象.4．量子化现象：在微观世界里，物理量的取值很多时候是不连续的，只能取一些分立值的现象．［即学即用］判断下列说法的正误．⑴物体热辐射的电磁波的能量是不连续的.(J)(2)电磁波的能量子的能量尸hv,v是电磁波的速度.(X)⑶所谓量子化即物理量的取值是分立的，是不连续的.(J)二、光子假说和光电效应方程［导学探究］用如图1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.图1(1)光电子的最大初动能是多少？遏止电压为多少？(2)光电管阴极的逸出功是多少？⑶当滑动触头向。端滑动时，光电流变大还是变小？(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(1)1.7eV1.7V⑵W0=hv-2mvmax2=2.75eV—1.7eV=1.05eV(3)变大(4)变大变大［知识梳理］1．光子说⑴光不仅具有波动性，还有粒子性，爱因斯坦把能量子概念推广到光电效应中，提出光量子概念，简称光子．⑵光子假说：爱因斯坦指出，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，一个光子的能量为£=hv.2．光电效应方程⑴表达式：hv=2mvmax2+W0或2mvmax2=hv—W0.(2)对光电效应方程的理解：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.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．［即学即用］判断下列说法的正误．⑴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.(X)⑵光电子的最大初动能与入射光的频率成正比.(X)⑶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.(V)(4)用同一种色光照同一种金属，发出的所有光电子的初动能都相同．(X)三、光电效应的解释［导学探究］⑴根据光电效应方程hv=1mv2+Wn可知，1mv2=hv—Wn，那么要发生光2max0 2max 0电效应，对光的频率有什么要求？⑵如果光电子的最大初能为1mv2,那么它对应的遏止电压为多少？2max(3)遏止电压与光的频率有什么关系？与光的强度有什么关系？答案(1)根据1mv2=hv-W，只有hv三W才能发生光电效应，即v三W才可发生.2max 0 0 h⑵因为eU0=2mvmax2所以u0=mver1 hvW⑶因为eU0=2mvmax2,而2mvmax2=hV-W0，所以eUo0=hV-W0，所以U0=工-7，即光的频率越高，U0越大，与光的强度无关.［知识梳理］光电效应的解释1．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或至少等于零，即2mvmax2=hv-W0三0,亦即hv三W,v三W0=匕，而匕=W0恰好是光电效应的极限频率.0h0 0h2．对遏止电压与入射光的频率有关,而与入射光的强度无关的解释遏止电压对应光电子的最大初动能，即：eU0=2mvmaj对应爱因斯坦的光电效应方程可得:hv=eU0+W0,可见，对某种金属而言，遏止电压只由入射光频率决定，与光的强弱无关.［即用即用］判断下列说法的正误.⑴只要光的频率小于极限频率，无论光多强，都不会发生光电效应.(V)⑵增加入射光的强度，遏止电压变大.(X)(3)发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率,与入射光的强度无关．(V)题型探究 重点难点个个击破一、对光子概念的理解1．光子不是光电子：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.光子的能量由光的频率决定：。=hv.3．光的强度与光子的能量的关系：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．【例1氦氖激光器发射波长为6.328X10-7m的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？若该激光器的发光功率为18mW,则每秒钟发射多少个光子？(h=6.63X10-34人)答案3.14X10-19J5.73X1016个解析根据爱因斯坦光子学说，光子能量£=hv,而Xv二c,hc6.63X10－34X3X108所以£二X二 6328X107 J=3.14X10-19J因为发光功率已知，所以1s内发射的光子数为P•t18X10.3X1n二一二 个二5.73X1016个.£ 3.14X10.19L归纳总结■ ).光速c=3.0X108m/s对真空中任何光都成立..真空中任何光都有c二人,丸是光的波长.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．⑴能量为£=hv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．⑵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1mvmaj根据能量守恒定律可知：2mvmax2=hv—%.2．光电效应规律中的两条线索、两个关系：(1)两条线索：「强度——决定着每秒钟 1通酎业光源发射的光子数-照射光,.频率——决定着每个. 光子的能量6=hv\每秒钟逸出的光电子数——'光电子决定着光电流的大小、光电子逸出后的最大初动能；加。皿2-(2)两个关系：光强一光子数目多一发射光电子多一光电流大；光子频率高一光子能量大一产生光电子的最大初动能大.3.Ekm—v曲线如图2所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率v的变化曲线.这里，横轴上的截距是极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，斜率为普朗克常量．【例2如图3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()图3图3B．0.6eVA．1.9eVB．0.6eVC．2.5eVD．3.1eVC．2.5eV答案A解析由题意知光电子的最大初动能为1212mvmax：2=eU0=0.6eV所以根据光电效应方程1mv 2=hv-W可得2max 0%=hv-1mvmax2=(2.5-0.6)eV=1.9eV.【例3】在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为《该金属的逸出功为.若用波长为丸(k丸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hc答案hchca。——丸)“0^解析由光电效应方程知，光电子的最大初动能Ek=hv-W0，其中金属的逸出功W0=hv0,又由c=人知W0=号，用波长为丸的单色光照射时，Ek=与-hc=he?机.又因为eU0=Ek,

0 00图图#表中所列的极限频率和逸出功数据可知C项正确，D项错误.二、非选择题7．(1)研究光电效应的电路如图3所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流.下列光电流I与A、KI与A、K之间的电压UAK的关系图象中，正确的是．图3(2)金属中的电子吸收光子的能量，从金属表面逸出，这就是光电子．光电子从金属表面逸出的过程中，其动量的大小(的过程中，其动量的大小(选填“增大”“减小”或“不变”)，原因是答案(1)C(2)减小光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功)解析由于光的频率一定，它们的遏止电压相同，A、B不正确.光越强，电流越大，C正确．由于光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功)，速度减小，光电子的动量变小．8．小明用金属铷为阴极的光电管观测光电效应现象，实验装置示意图如图4甲所示．已知普朗克常量h=6.63X10-34j$(1)图甲中电极A为光电管的(选填“阴极”或“阳极”)；⑵实验中测得铷的遏止电压U0与入射光频率v之间的关系如图乙所示，则铷的极限频率%=Hz，逸出功％=J；⑶如果实验中入射光的频率v=7.00X1014Hz,则产生的光电子的最大初动能Ek=J.答案(1)阳极(2)5.15X10143.41X10－19(3)1.23X10－19解析(1)在光电效应中，电子向A极运动，故电极A为光电管的阳极.(2)由题图可知，铷的极限频率v0为5.15X1014Hz，逸出功W0=hv0=6.63X10一34X5.15X1014J心3.41X10-19J.(3)当入射光的频率为v=7.00X1014Hz时，由Ek=hv-hv0得，光电子的最大初动能为Ek二6.63X10-34X(7.00-5.15)X1014J心1.23X10-19J.9.铝的逸出功为4.2eV,现用波长为200nm的光照射铝的表面.已知h=6.63X10-34J.s,求：(1)光电子的最大初动能；(2)遏止电压；(3)铝的极限频率．答案(1)3.225X10-19J(2)2.016V(3)1