知识讲解光的粒子性

高中物理物理总复习：光的粒子性【考纲要求】1、理解光子说及其对光电效应的解释2、理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简洁问题3、了解光既具有波动性，又具有粒子性4、了解光是一种概率波。【考点梳理】考点一、黑体与黑体辐射要点诠释：1、热辐射受到激发而放射电磁波的现象称为热辐射。2、黑体与黑体辐射能够完全吸取入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为确定黑体，简称黑体。不透亮的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。假设在一个空腔壁上开一个很小的孔，如以下图，那么射入小孔的电磁波在空腔内外表发生屡次反射和吸取，最终不能从空腔射出，这个小孔就成为了一个确定黑体。对图中的空腔加热，空腔内的温度上升，小孔就成了不同温度下的导体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。争论黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的根底。试验说明黑体辐射强度按波长的分布只与黑体的温度有关。利用分光技术和热电偶等设备就能测出它所辐射的电磁波强度按波长的分布状况画出了四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系：从中可以看出，随着温度的上升，一方面各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。3、能量子辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以放射和吸取辐射能。理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε〔称为能量子〕的整数倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n为正整数，称为量子数。高中物理高中物理对于频率为的谐振子最小能量为h，其中是电磁波的频率，h是一个常量，后被称为普朗克常量，其值为h=6.62610-3J·。宏观世界中我们说的能量值是连续的的，或者说微观粒子的能量是分立的。试验符合令人击掌叫绝。考点二、光电效应要点诠释：1、光电效应现象用紫外线照耀与验电器相连的不带电的锌板时说明有电子从金属外表飞出。在光〔包括不行见光〕的照耀下从物体放射出电子的现象，叫光电效应。光电效应中放射出来的电子叫光电子。试验说明，不仅紫外线能产生光电效应，对于碱金属，例如：锂、钠、钾、铯等，用可见光照耀也能产生光电效应。2、光电效应试验在光〔包括不行见光〕的照耀下从物体放射出电子的现象，叫光电效应。光电效应中放射出来的电子叫光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够放射光电子。电源加在K与A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调。电源按图示极性连接时，阳极A吸取阴极K发出的光电子，在电路中形成了〔颜色〕等物理量之间的关系。高中物理高中物理3、光电效应规律存在着饱和光电流Is与入射光强度成正比。在光照条件不变的状况下，随着所加电压的增加，光电流趋于一个饱和值入射光越强，饱和电流越大假设用确定频率和强度的单色光照耀阴极K，转变加在AK两极间的电压U，测量光电流I的变化，则可得如以下图的伏安特性曲线。试验说明：光电流I随正向电压UIs；而且饱和电Is的大小与入射光强度成正比。存在着遏止电压和截止频率当所加电压为零时，电流I并不为零只有施加反向电压，电流才有可能为零由上图可见，A和K两极间的电压为零时，光电流并不为零，只有当两极间加了反向电压U=-UC＜0时，光电流I才为零，UC称为遏止电压(或截止电压)。试验说明：对于确定颜色〔频率〕的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光射光频率的增加而增加。当入射光的频率减小到某个值 时即使不施加反向电压也没有光电流说明已经没0有光电子了结论：光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于极限频率时不能发生光电效应。不同金属的极限频率不同。光电效应是瞬时发生的。试验觉察，只要入射光的频率0

，无论光多么微弱，从光照耀阴极到光电子逸出，这段时间不超过10-9s。光电效应的发生时间如此之短，通常称它是瞬时发生的。考点三、爱因斯坦的光电效应方程要点诠释：爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是指实物粒子。1、光子说对光电效应的解释①光是由一个个光子组成，被光子“打中”的电子，这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子“打中”的电子，则一点能量也没有获得。②得到能量的电子，动能马上增大，而不需要积存能量的过程。个能量缺乏以摆脱金属的束缚，则不能产生光电效应。目与光强成正比。2、爱因斯坦的光电效应方程逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值向运动，有的向金属内部运动，并不出来。向金属外表运动的电子，经过的路程不同，途中高中物理高中物理具有最大初动能。这些光电子抑制金属原子的引力所做的功叫做逸出功。光电效应方程12mv2跟入射光子的能量h和逸出功W之间有如下关系：1mv22

hW 这个方程叫爱因斯坦的光电效应方程。对于确定的金属来说，逸出功W的值是确定的。所以入射光子的频率越大，光电子的最大初动能也越大。电子也多，所以光电流的饱和值也大。3、光电效应的图像光电子的最大初动能随光的频率变化而变化的图象，如以下图。12

mv21

0

，可知：2当E mv22K

0时，0

，即图象中的横截距，在数值上等于金属的极限频率。ktanh，即图象的外形是一条斜线，斜线的斜率在数值上等于普朗克常数。图象中纵截距在数值上等于这金属的逸出功：Wh。04、光电效应的应用遍的一种光电器件。A。当光照耀到光电管的阴极Kab的电流。考点四、康普顿效应要点诠释：1、光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生转变，这种现象叫做光的散射。2、康普顿效应英国物理学家康普顿在争论石墨对X射线的色散时，觉察在色散的X射线中，除了与入射波长λ0一样的成格外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。说明光子除了能量之外还具有动量。3、光子的动量确定的质量m与确定的能量E相对应：E=mc2高中物理高中物理pmv有：pmcmEchhc2 在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一局部动量转移给电子，p长变大。考点五、粒子的波动性要点诠释：1、光的波粒二象性

hpλ变大，因此有些光子散射后波说明光是具有能量Eh的光子流，也就是说光具有粒子性。·即光具有波粒二象性，这就是光的本性。大量光子的传播规律表达波动性；个别光子的行为表达为粒子性。频率越低，波长越长的光，波动性越显著；频率越高，波长越短的波，粒子性越显著。可以把光的波动性看做是说明大量光子运动规律的一种概率波。2、粒子的波动性1924年，法国物理学家德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。Ep跟它所对应的波的频率λ之间，也向光子跟光波一样，遵从如下Ehpmvh来称为物质波，亦称德布罗意波，而 h

h称为德布罗意波长公式。物质波也是一种概率波。3、物质波的试验验证

mv p光的干预和衍射是光具有波动性的有力证据。1927G·P·汤姆逊用电无法观看到它们的波动性。考点六、概率波要点诠释：性，即某些区域光子落点多，另一些区域光子落点少，落点多的区域就是亮条纹消灭的概率可以通过波动的规律确定。因此说光波是一种概率波。的分布等。【典型例题】高中物理高中物理类型一、光的本性的生疏1、关于光的本性，以下说法中正确的选项是〔〕A、关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明白光的本性B、光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子C、光的干预、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性D、光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来【思路点拨】理解光的本性，波动性的特征及代表人物，粒子性的特征及代表人物。【答案】C的干预、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性，故ABD错误，C对。【总结升华】光既有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性，这就是光的本性。举一反三【变式1】依据爱因斯坦的“光子说”可知〔 〕“光子说”本质就是牛顿的“微粒说”光的波长越大，光子的能量越小一束单色光的能量可以连续变化只有光子数很多时，光才具有粒子性【答案】BA错误。由Ehc可知选项BC错误。光子不但具有波动性，而且具有粒子性，选项D错误。【变式2】关于光的波粒二象性的说法中，正确的选项是〔 〕有的光是波，有的光是粒子光子与电子是同样的一种粒子光的波长越长，其波动性就越显著；波长越短，其粒子性就越显著光子的数量越少波动性就越显著；光子的数量越多粒子性就越显著【答案】C【解析】光具有波粒二象性，不能分割开来；光是一种电磁波，而电子是实物粒子，二者不动性越显著，波长越短，粒子性越显著。选项C正确。类型二、光电效应【高清课堂：光学2 例3】例2、能使某金属产生光电效应的截止频率为ν0则〔 〕当用频率为2ν0的单色光照耀该金属时，确定能产生光电子当用频率为2ν0的单色光照耀该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν0ν0ν增大，则逸出功增大νν0ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍高中物理高中物理0W=hv。0【解析】金属中电子的逸出功W是确定的，等于恰好能产生光电效应的光的能量hν0，ν012A正确；依据光电效应方程mv2hW，其中Wh ，可推断B正确，D错误，20应选AB。【总结升华】对于光电效应现象要正确理解极限频率、入射光频率、逸出功、最大初动能、光照强度、光电流大小等之间的关系。举一反三【变式1】光电效应试验中，以下表述正确的选项是〔 〕光照时间越长光电流越大入射光足够强就可以有光电流C.遏止电压与入射光的频率有关D.入射光频率大于极限频率才能产生光电子CD【解析】A、光电流的大小与光照时间无光，与光的强度有关，A错；B、发生光电效应的条件是入射光频率大于极限频率，入射光强，不愿定能发生光电效应，B错；C、依据光电Ekm

eUC

hW0

，知遏止电压与入射光的频率有关，故C正确；D、发生光电效应的条件是入射光频率大于极限频率．D正确，应选CD。【变式2】用一束紫外线照耀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是〔〕改用频率更小的紫外线照耀 B.改用X射线照耀C.改用强度更大的原紫外线照耀 D.延长原紫外线的照耀时间【答案】B图可知，X射线频率更大，B对；频率小于极限频率，转变光的强度、延长照耀时间没用，应选B。3A、B分别沿半径方向由空气射入半圆形玻璃砖，出射光P，以下说法正确的选项是〔〕A．AB光的频率AB光的传播速度C．两种单色光由玻璃射向空气时，A光的临界角较大DBA光照耀该金属也确定能发生光电效应现象高中物理高中物理【答案】CAB光偏折大，相当于紫光，依据“色光规律模型图AB光，ABA光的传播速度大B光的传播速度，由玻璃射向空气时，A光的临界角较大，AB错C对；由于A光的频率BBA光照耀该金属不愿定能发生光电效应现象。【变式4】光电效应的试验结论是：对于某种金属〔 〕A．无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应B．无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应C．超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小D．超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大AD5】半圆形玻璃砖横截面如图，AB为直径，O点为圆心。在该界面内有a、b两束单色可见光从空气垂直于AB射入玻璃砖，两入射点到O的距离相等。两束光在半圆边界上a、b两束光〔〕A．在同种均匀介质中传播，a光的传播速度较大B．以一样的入射角从空气斜射入水中，b光的折射角较大C．a光照耀某金属外表能发生光电效应，b光也确定能D．分别通过同一双缝干预装置，a光的相邻亮条纹间距大【答案】ACD【解析】由于两束光的入射点到O点的距离相等，因此它们在半圆边界上的入射角一样，ba光能够折射，a光相当于红光，b光相当于紫光，说明b光的全a光的全反射临界角，由n

1sinC可知，ba光的折射率，ba光的频率高，由v

cna光的传播速度大，AbB项错误；ba光的频率高，因此a光照耀到某种金属外表能发生光电效应，b光照耀高中物理高中物理也确定能发生光电效应，C项正确；通过同一双缝干预装置，频率低的波长长，干预条纹间距大，D项正确。例〔2023 江苏卷〔〕波粒二象性时微观世界的根本特征，以下说法正确的有〔〕A．光电效应现象提示了光的粒子性B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性C．黑体辐射的试验规律可用光的波动性解释D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波也相等BCA正确；热中子在晶体上产生衍射图样，即运B正确；黑体辐射的试验规律说解释，即C错误；依据的德布罗意波长公式

h，p22mEp

，又质子的质量大于电子的质量，所以动能相等的质子和电子，质子的德布罗意波较短，所以D错误。【点评】此题考察波粒二象性举一反三1】产生光电效应时，关于逸出光电子的最大初动能Ek，以下说法正确的选项是〔〕〔填入正确选项前的字母〕.A.对于同种金属，Ek与照耀光的强度无关B.对于同种金属，Ek与照耀光的波长成反比C.对于同种金属，Ek与照耀光的时间成正比D.对于同种金属，Ek与照耀光的频率成线性关系E.对于不同种金属，假设照耀光频率不变，Ek与金属的逸出功成线性关系【答案】ADEEk

hvWhc

W，同种金属最大初动能逸出功一样，最大初动能与照耀光性关系，不同种金属，保持入射光频率不变，最大初动能Ek与逸出功成线性关系。2NM、N间加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向与两板平行，调整M、N间的距离为d，电流表指针恰好不偏转，设光电子的质量为m，电荷量为e，普朗克常量为h，真空中的光速为c。高中物理高中物理在图中标出有光电流时电流的方向。求该金属的逸出功。【答案】〔1〕光电流方向见解析中图所示。〔2〕hc

e2d2B2。 8m【解析】〔1〕光电子从N板逸出打到M板上，N板带正电为正极，电子从NM，电流从下向上经过电流表，光电流方向如以下图。〔2〕依题意，只要具有最大初动能的光电子沿平行于N板方向射出时，不能到达M板，则沿其他方向射出的光电子均不能到达M。故电流表中恰无光电流时，确定是具有最大初动能的光电子沿平行于N板的方向进入磁场，恰好偏不到M板，即有R＝d/2据牛顿运动定律，有evBmv2

，解得v

eBR

eBdR m 2m1E mv21

e2B2d2k 2 8mc设金属逸出功为W，据光电效应方程EkhWc解得Wh

c e2d2B2h . k 8m3】如以下图，N为钨板，M为金属网，它们分别和电池两极相连，电池的电动势E4.5eV，现分别用能量不同的光子照耀钨板(各光子的能量也已在图上标出)，那么以以下图中能有电子到达金属网的是〔〕【答案】A【解析】B、D照耀光的能量小于逸出功，不能产生光电效应；A中电源加正向电压，光电子加速向M板运动。C中电源加反向电压，光电子最大初动能8eV－4.5eV=3.5eV＜Ue＝4.0eV，没有光电子到达M板。应选A。类型三、光子的能量、物质波例4〔2023全国课标Ⅰ卷〕现用某一光电管进展光电效应试验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。以下说