高二物理教案（下）第15单元：光的粒子性、光电效应

高二物理教案（下）第15单元：光的粒子性、光电效应 第15单元:光电效应、光的波粒二象性 一、黄金知识点: 1、光电效应; 2、光子说; 3、光电管; 4、光的波粒二象性; 二、要点大揭密: (一)光电效应: 1、光电效应:在光(包括不可见光)的照射下从物体发射出电子的现象称为光电效应。 2、光电效应的规律: (1)任何一种金属都有一个极限频率υ，入射光的频率必须大于υ，才能产生光电效00 应; (2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大; (3)入射光照射到光电子发射几乎是瞬时的; (4)发生光电效应时，光电流的强度与入射光强度成正比。 3、波动说对光电效应解释的困难: (1)金属中的自由电子，由于受到带正电的原子核的吸引，必须从外部获得足够的能量才能从金属中逸出。按照波动理论，光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅决定的，跟频率无关，因此无论光的频率如何，只要光的强度足够大或照射时间足够长，都能够使电子获得足够的能量产生光电效应。然而这跟实验结果是直接矛盾的。极限频率的存在，即频率低于某一数值的光不论强度如何都不能产生光电效应，这是波动理论不能解释的。 (2)波动理论也不能解释光电子的最大初动能只与光的频率有关而与光的强度无关。 (3)产生光电效应的时间之短，也跟波动理论相矛盾，一束很弱的光波照射到物体上时，它的能量分布到大量的原子上，怎么可能在极短的时间内把足够的能量集中到一个电子上面使它从物体中飞出来呢, (二)光子说: 1、光子说:在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子，光子的能量E=hυ(h为普朗克常量) 2、光子说可以完全解释光电效应: 3、逸出功(W):金属 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上的电子逸出时要克服金属原子核的吸引力而做的功。 12(三)光电效应方程:= h,W mv,2 1、光电效应方程的理解: (1)光电效应的意义:一个光子能量h被金属内的一个电子所吸收，一部分能量用于, 克服引力做功(逸出功)，另一部分能量就是光电子的最大初动能。 (2)只有当h?W 时，才能产生光电效应，极限频率可由公式:h=W，即=W/h,,,,000求出。对于某一给定的金属材料而言，逸出功W是一定值;对于不同的金属，W的值不同。故对不同的金属，入射光的极限频率也不同。 C (3)真空中的光速C=，所以= ， 由此可得出入射光的极限波长为 ,,,, C= 。 当入射光的波长? 时才能发生光电效应。 ,,,00,0 12 (4)当入射光的频率大于极限频率时，由公式 = h,W 知 ，打出的光电子的mv,2 最大初动能只随入射光的频率增大而增大，是线形关系，但不成正比。 2、描述光电效应的图象: 12 光电子的最大初动能与入射光的频率的关系如图所示: mv2 (1)光电子的最大初动能随入射光的频率变化的图象是一条不过原点的直线。 , (2)图线在横坐标上的截距表示该金属的极限频率。 12mv12 2mv)图线的斜率为= h ，即它表示普朗克常量h 。 (32,,,0 θ ν ν 0O (四)光电管: 1、光电管:一种可以把光信号转变为电信号的器件; 2、应用:光电自动控制，有声电影还声、光纤通信等。 (五)光的波粒二象性: 1、光的干涉、衍射等现象无可争辩的表明光具有波动性，而光电效应又无可争辩的表明光具有粒子性，对于宏观世界来说，波动性和粒子性是相互矛盾的、对立的，没有任何宏观物体同时具有这两种特性。但对于微观世界来说，两者却是统一的，这可以从以下两个式子看出: h 光子的能量E=hν ， 光子的动量P= 。 , 这两个式子中的能量E动量P是反映粒子性的物理量，而两个式子中的频率、波长λ,是反映波动性的物理量，就通过这两个关系式，把光的波动性和粒子性定量的联系起来了，按照现在的观点，光同时具有这两种特性，也就是说，光既是波(是电磁波的一种)，又是粒子，只有这样才能解释所有的光学现象。 2、光的波动性和粒子性是统一的，只不过在不同的情况下某一方面的性质比较突出而已，一般说来，大量光子所产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性，比如光的干涉实验中，如果使光流减弱到光子只能一个一个地通过狭缝，曝光时间又很短，这种情况，底片上只出现一些无规则分布的点子，这些点子是光子打在底片上形成的，表现出了光的粒子性，如果曝光时间足够长，有大量的光子通过狭缝，底片上就出现了规则的干涉条纹。明条纹就是光子到达多的区域，暗条纹就是光子到达少的区域，在实验中看到了干涉条纹，这又表现出了光的波动性，显然我们可以把光的波动性看作大量光子运动的规律。 C 3、电磁波谱中的各种频率相差巨大。无线电波、微波的频率很低，由公式λ=知，它们,的波长很大，容易发生干涉、衍射，因此我们很容易观察到它们的波动性，又由公式E=h,知，它们的光子能量太小，因此很难观察到它们的粒子性，而伦琴射线、γ射线频率很高、波长很短，就很难观察到它们的波动性，但它们光子的能量却很大，穿透本领很强，就很容 易观察到它们的粒子性。 4、总的说来，波动性和粒子性都是光的重要特性，我们无法只用其中的某一种去解释所有的光学现象，而必须认为光同时具有这两种特性，即光具有波粒二象性，才能解释所有的光学现象。 三、好题解给你: (一)本课预习题: 1、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，这时: A、锌板带正电，指针带负电; B、锌板带正电，指针带正电; C、锌板带负电，指针带正电; D、锌板带负电，指针带负电。 2、一束绿光照射某金属发生了光电效应，则以下正确的是: A、若增加绿光的照射强度，则单位时间内逸出的光电子数目不变; B、若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子最大初动能增加; C、若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加; D、若改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子数目一定增加。 3、光电效应的四条规律中，波动说仅能解释的一条规律是 A、入射光的频率必须大于、等于被照射金属的极限频率才能产生光电效应; B、发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比; C、光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大; -9D、 光电效应发生的时间极短，一般不超过10s 。 4、对于光电效应的解释，正确的是: A、金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能 逸出金属; B、如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力逸出时需要做的最小功， 光电效应便不能发生了; 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、由于不同的金属的逸出功是不同的，因此，使不同的金属产生光电效应的入射光的最 低频率也不相同。 5、某介质中光子的能量是E，波长是λ，则此介质的折射率是:(C为真空中传播的速度) A、λE/h ; B、λE/ch ; C、ch/λE ; D、h/λE 。 参考 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 : 1、B 2、C 3、B 4、BD 5、C (二)基础题: 1、光电管是一种把________信号转换成_________信号的器件。 2、关于光的性质，下列叙述中正确的是: A、在其它同等条件下，光频率越高，衍射现象越明显; B、频率越高的光粒子性越显著，频率越低的光波动性越显著; C、大量光子产生的效果往往会显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性。 D、如果让光子一个一个地通过狭缝时，它们将严格按照相同的轨道和方向作极有规律的 匀速直线运动。 3、对于光的波粒二象性的说法中是: A、有的光是波，有的光是离子粒子; B、光子与电子是同样一种粒子; C、光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越显著; D、光既是宏观意义上的波又是宏观意义上的粒子。 参考答案: 1、光，电 2、B C 3、C (三)应用题: 1、关于光的波粒二象性的下列说法中正确的是: A、光既有波动性又有粒子性; B、光的波粒二象性彻底推翻了光的电磁说; C、光的波粒二象性学说是把牛顿的光的微粒说和惠更斯的光的波动说相加得出结论; D、光的波粒二象性是一切微观粒子所普遍具有的二象性中的一个具体例子。 2、下列说法中错误的是: A、光的粒子说的代表人物先后是牛顿和爱因斯坦等; B、光的波动说的代表人物先后是惠更斯、托马斯.杨和麦克斯韦; C、支持波动说的实验现象是光的干涉、衍射、色散和光照下锌板放射电子等现象; D、支持光子说的实验现象是光电效应。 1414153、、已知铯的极限频率是4.445×10Hz，钠的为6.000×10Hz，银的为1.53×10Hz，铂 15的为1.529×10Hz，当用波长为0.357μm的光照射它们时，可发生光电效应的有__________。 参考答案: 1、A、D 2、C 3、[分析与解答] 83.00，10C14 因为C=λν，所以入射光的频率ν== =8×10Hz，因为该入射光的频,6,0.375，10 率大于铯与钠的极限频率，而小于银与铂的极限频率，故用该入射光照射它们时，能够发生光电效应的是铯与钠。 (四)提高题: 1、钠的逸出功为2.4电子伏，现分别用波长为0.7微米的红光、6000埃的橙光和0.42微米的紫光照射时，哪个能产生光电效应,为什么, 2、经典电磁理论为什么无法解释光电效应的瞬时性, 3、一个功率为P=1W的光源，沿各个方向均匀辐射，照射到逸出功为2.5eV的钠片表面，测得光源距钠片的距离为R = 1m，如果照射到每个原子的光能全部被最外层电子吸收，那么请你利用经典的电磁理论推测电子要经过多长时间的能量积累才能逸出钠片的表面, 参考答案: 1、[分析与解答] 题目告诉我们钠的逸出功为W= 2.4 eV ，因此我们可以根据入射光子的能量E与W的大小关系来判断。若E?W，则能发生光电效应。 CE = hν= h ， 先取中等波长的橙光来计算: , ,3486.63，10，3.00，10CE= h = J = 2.1eV < 2.4eV ，故不能产生光电效应，红光波橙,10,6000，10橙 长长，光子能量更小，更不能产生。 ,3486.63，10，3.00，10C E=h= J = 2.9 eV > 2.4eV ，由此可见只有照射钠才能产生紫,10,0.42，10紫 光电效应。 2、答:光电效应的实验表明，入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一 -9般不超过10s ，也就是说，光电子的逸出不需要一个能量的积累过程。按照经典的电磁理论，一束光照到物体表面上时，它的能量将分布在大量的原子上，电子从入射光中吸收能量后必须积累到足够大，才能克服内部原子对它的引力逸出表面，这就必须花较长时间，不可能立即逸出。这就是经典的电磁理论与光电效应的实验现象矛盾的地方。 3、[分析与解答] 光源每秒钟辐射的能量为: E = Pt = 1×1=1(J) 根据经典的电磁理论: 2 这1J的能量将散布在半径为1m的球面上，该球面面积为S=4πR。 -10设钠原子的半径r = 1.0×10m，则每个钠原子每秒内分配到的能量: 102,21，(1.0，10)ErEE‘22 -21E=?πr = ?πr= = = 2.5×10 (J) 222S4R,4R4，1 假定这些能量全部被一个电子吸收，则积累到能逸出表面所需的时间为: ,192.5，1.6，10W t = = = 160 s ',21E2.5，10 这个时间远远大于实验中观测到的数值，即使光源功率增大到100W，时间减为1.6 s ， -19 也远远大于10s ，所以经典电磁理论无法解释光电效应的瞬时性。 (五)课后演武场: 1、关于光电效应的规律，下面说法中不正确的是: A、当某种色光照射到金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光 电子的初动能越大; B、用某种色光照射金属表面时能产生光电效应，则入射光的强度越大，单位时间内产 生的光电子数越多; C、对某金属，入射光波长必须大于某一极限波长，才能产生光电效应; D、同一频率的光照射到不同金属，如果都能产生光电效应，则逸出功大的金属能产生 的光电子的最大初动能也越大。 2、把一块锌板跟一个不带电的验电器用导线连接起来，当锌板受紫外线照射时验电器 的金箔张开，关于上述物理现象，下列说法中正确的是: A、光子由锌板逸出; B、电子由锌板逸出; C、锌板带负电; D、验电器金箔带负电。 3、某色光照射某金属板不能产生光电效应，若要发生光电效应，可采用的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 是: A、改用频率较高的入射光照射金属板; B、改换一块逸出功较大的金属板; C、锌板带负电; D、延长原入射光的照射时间。 4、当用一束单色光照射如图中的光电管时， 灵敏电流计G中无电流，这可能是: A、照射时间太短; B、光的强度太弱; C、光的频率太低; D、电源电压太低。 G 5、一束单色光照射在某金属表面上，有光电子从该金属表面逸出。若设法逐步减小入 射光的强度(入射光的强度始终大于零)，则: A、逸出光电子数逐步减小，当入射光强度减小到某一数值时，将没有光电子逸出; B、逸出光电子的最大初动能逐步减小; C、单位时间内逸出的光电子数逐步减小，但始终有光电子逸出; D、逸出的光电子的最大初动能不变。 6、下列陈述中哪些是正确的: A、在相同条件下，用紫光照射双缝产生的干涉条纹间距比用红光时大; B、衍射现象研究表明，“光沿直线传播”只是一种近似的规律; C、产生光电效应的极限频率，只与金属的逸出功有关; D、光电效应实验表明，入射光波的振幅越大，所产生的光电子的最大初动能就越大。 7、下列说法中正确的是: A、有的光是波，有的光是粒子; B、光子与电子是同样一种粒子; C、光的波粒二象性是指:既可以把光看成是宏观意义上的波，也可以看成是宏观意义 上的粒子; D、光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越强。 8、在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是: A、使光子一个一个通过狭缝，如果时间足够长，底片上将出现衍射图样; B、单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍射图样; C、光的波动性是大量光子的运动规律; D、光子通过狭缝的运动路线像水面波一样。 9、对于光电效应，下面说法中正确的是: A、对于某一金属，只有波长大于某一数值的光照射，才能发生光电效应; B、光电子的最大初动能与入射光的强度无关，与入射光的频率成正比; C、金属中的电子吸收任何入射光的能量积累到某一定程度，都会逸出金属表面; D、在发生光电效应的条件下，保持入射光的频率不变，则单位时间内发射光电子的 数目与入射光的强度成正比。 10、一个小灯泡在3伏的电压下，通过0.25A电流，灯泡所发出的光经聚光后形成很细 的光束，沿某个方向直线射出。设灯泡发出的光波长为6000埃，问沿光的传播方向 上1m长的光束内有多少个光子, 参考答案: 1、ACD 2、B 3、A 4、C 5、CD 6、BC 7、D 8、AC 9、D 10、[分析与解答] 灯泡的功率为P= IU=0.25×3=0.75(W)，每秒钟辐射的能量为E= Pt = 0.75×1=0.75(J) 设每秒钟发出的光子个数为n，则 nhλ = 0.75， 0.75,所以 n = 。 hC8 每秒钟光传播的距离3×10m，故1m长的光束内的光子数为: ,10n0.750.75，6000，10,9(个) ,,,7.54，10,23482ChC6.63，10，(3，10)