高中物理 第十七章 波粒二象性 2 光的粒子性课堂互动学案(新人教版)选修3-5

1、2光的粒子性课堂互动三点剖析一、光电效应的实验规律1.光电效应的实验规律(1)存在饱和电流.在光照条件不变的情况下，随着所加电压增大，光电流趋于一个饱和值.实验表明，入射光越强，饱和电流越大，即入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多.(2)存在着遏止电压和截止频率.实验表明，对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的，光的频率改变时，遏止电压也会改变.实验还表明，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截止频率时不能发生光电效应.不同的金属截止频率不同.(3)效应具有瞬时性.当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照射到金属时立即产生光电效

2、应，精确测量表明产生电流的时间不超过10-9 s.2.光电效应与经典电磁理论的矛盾 按照经典电磁理论得出的结论应是：光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc应与光的强弱有关；不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率；如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10-9 s.二、爱因斯坦的光电效应方程1.光子：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为h，h为普朗克常量，这些能量子称为光子.2.光电效应方程：Ek=h-W0式中E

3、k为光电子的初动能，Ek=mev2.3.应用光电效应方程解释光电效应(1)爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关.只有当hW0时，才有光电子逸出，c=就是光电效应的截止频率.(2)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的.(3)光强越大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大，所以饱和电流与光强成正比.4.遏止电压Uc与频率、W0的关系：由Ek=eUc和Ek=h-W0联立得Uc=.三、康普顿效应及光子的动量1.康普顿效应解释光的散射：康普顿效应的基本思想是，X射线的光子不仅具有能量，也像其他粒

4、子那样具有动量，X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律，求解这些方程，可以得出散射光波长的变化值.理论结果与实验符合得很好.2.光子的动量：由质能方程E=mc2和光子的能量h，得光子的质量.根据动量的定义式p=mc=，又由，所以光子的动量为.各个击破【例1】 关于光电效应现象，下列说法正确的是( )A.只有入射光的波长大于使该金属发生光电效应的极限波长，才能发生光电效应现象B.在光电效应现象中，产生的光电子最大的初动能跟入射光的频率成正比C.产生的光电子最大初动能与入射光的强度成正比D.在入射光频率一定时，单位时间内从金属中逸出的光电子个数与入射光的强度成正比解析：(

5、1)当入射光频率大于极限频率时才能发生光电效应，设此时波长为0，极限频率为0，则由光速c=，可知当光波波长大于极限波长0时，其频率将小于极限频率0，所以大于极限波长的光不能使金属发生光电效应，因此选项A错误.(2)由光电效应方程Ek=h-W可知，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但并不与入射光频率成正比，因此选项B错误.由于光电子的最大初动能与入射光的强度无关，显然选项C错误.(3)若光强度增大到原来的n倍，则单位时间内入射光的能量就增大到原来的n倍.在入射光频率一定时，单个光子的能量不变，则单位时间内入射的光子数将增大到原来的n倍，因此选项D正确.答案：D温馨提示：解此类题的关键是

6、牢记光电效应的规律，理解光子说对光电效应的解释，对光的强度和光子能量的关系不清.对光子说解释光电效应现象不明确是出现错误的主要原因.类题演练1 光电效应实验的装置如图17-2-1所示，则下面的说法中正确的是( )图17-2-1A.用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B.用绿色光照射锌板，验电器指针会发生偏转C.锌板带的是负电荷D.使验电器指针发生偏转的是正电荷解析：将擦亮的锌板连接验电器，用弧光灯照射(弧光灯发出紫外线)，就可以发生光电效应(即验电器指针张开一个角度)，说明锌板带了电，因为是电子逸出，所以锌板带正电.绿光不能使锌板发生光电效应.答案：AD温馨提示：发生光电效应光子的频率必须超

7、过金属的极限频率，掌握光电效应的规律.【例2】 用频率为1.001015 Hz的紫外线照射钠的表面，释放出来的光电子的最大动能为1.86 eV，求钠的光电效应极限频率.解析：入射光中光子的能量E=h=6.62610-341.001015 J=6.6310-19 J释放出来的光电子的最大动能Ekm=1.861.610-19 J=2.9810-19 J根据光电方程Ek=h-W0，有W0=h-Ekm钠的极限频率为c=-=5.51014 Hz.答案：5.51014 Hz类题演练2 对光电效应的解释正确的是( )A.金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属B.如果

8、入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应C.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大D.由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同解析：按照爱因斯坦的光子说，光的能量是由光的频率决定的，与光强无关.入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大.但要使电子离开金属，须使电子具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，但电子只能吸收一个光子，不能吸收多个光子.因此只要光的频率低，即使照射时间足够长，也不会发生光电效应.答案：BD【例3】 求波长为0.35 nm的X射线光子的能量和动量大小.解析：波长为0.35 nm的X射线光子的能量为E=h= J=5.6810-16 J波长为0.35 nm的X射线光子的动量为 kgm/s=1.8910-24 kgm/s.答案：5.6810-16 J，1.8910-24 kgm/s类题演练3 根据量子理论，光子不但有动能还有动量，其计算式为p=，其中h是普朗克常量，是光子的波长.既然光子有动量，那么光照到物体表面，光子被物体吸收或反射时，光都会对物体产生压强，这就是“光压”.一台二氧化碳气体激光器发出的激光，功率为P0=1 000 W