2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應(yīng)與光的量子說教學(xué)案 教科版選修3-5

《2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應(yīng)與光的量子說教學(xué)案 教科版選修3-5》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應(yīng)與光的量子說教學(xué)案 教科版選修3-5（10頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應(yīng)與光的量子說 (對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁碼P53) 一、黑體與黑體輻射 1．熱輻射 周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫做熱輻射。 2．黑體 是指能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體。 3．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)圖線 (1)圖線如圖4-1-1所示。 圖4-1-1 (2)兩類公式： ①維恩公式：短波部分與實(shí)驗(yàn)相符。 ②瑞利公式：長波部分與實(shí)驗(yàn)相符。 二、普朗克提出的能量子概念 1．量子化假設(shè) 黑體的空腔壁由大量帶電諧振子組成，其能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，并以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻

2、射或吸收能量。 2．能量子 (1)定義：不可再分的最小能量值ε。 (2)關(guān)系式：ε＝hν，ν是電磁波頻率；h是普朗克常量， h＝6.63×10－34_J·s。 三、光電效應(yīng) 1．光電效應(yīng) 在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子。 實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象。 2．實(shí)驗(yàn)規(guī)律 實(shí)驗(yàn)規(guī)律之一：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，也就是說，在電流較小時(shí)，電流隨著電壓的增大而增大；但當(dāng)電流增大到一定值之后，即使電壓再增大，電流也不會(huì)增大了。(如圖4-1-2所示) 圖4-1-2 實(shí)驗(yàn)規(guī)律之二：對(duì)光電管加反向電壓，光電流可

3、以減小到零，使光電流恰好減小為零的反向電壓稱為遏止電壓。不同頻率的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，遏止電壓是不同的。 實(shí)驗(yàn)規(guī)律之三：使金屬恰好產(chǎn)生光電效應(yīng)的光的頻率稱為截止頻率或極限頻率，當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時(shí)，無論入射光怎樣微弱，立刻就能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 [提別提醒] (1)光電效應(yīng)中的光可以是不可見光。 (2)光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象。 三、光電效應(yīng)方程 1．光子說 光不僅具有波動(dòng)性，還有粒子性，愛因斯坦把能量子概念推廣到光電效應(yīng)中，提出光量子概念，簡稱光子。 2．光電效應(yīng)方程 (1)表達(dá)式：hν＝mv2＋W。 (2)物理意義：金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是h

4、ν，這些能量一部分用于克服金屬的逸出功W，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動(dòng)能。 [特別提醒] (1)光的波動(dòng)說無法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。 (2)密立根測出了 h的值，從而給光的量子說以有力的支持。 (對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁碼P54) 對(duì)光子能量與光強(qiáng)的理解 光子能量是指一個(gè)光子具有的能量，在數(shù)值上光子能量E＝hν。 光強(qiáng)是指在垂直于光的傳播方向上，每平方米面積1 s內(nèi)獲得的能量，它等于在垂直光傳播方向上每平方米面積1 s內(nèi)通過的所有光子的能量和。 光子能量大并不意味著光強(qiáng)大，同樣光強(qiáng)大也不等于光子能量大。當(dāng)入射光頻率一定時(shí)，光強(qiáng)才與光子數(shù)成正比。光強(qiáng)一定時(shí)，頻率越高的光，在垂直于光

5、傳播方向上每平方米面積上1 s內(nèi)通過的光子數(shù)越少。 1．氦—氖激光器發(fā)出波長為633 nm的激光，當(dāng)激光器的輸出功率為1 mW時(shí)，每秒發(fā)出的能量子數(shù)為(　　) A．2.2×1015個(gè)　　　　　B．3.2×1015個(gè) C．2.2×1014個(gè) D．3.2×1014個(gè) 解析：選B　一個(gè)能量子ε＝hν＝h 激光器功率為1 mW時(shí)，每秒發(fā)出的光子數(shù)為： n＝＝個(gè) ≈3.2×1015個(gè)。 對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的理解 1.任何一種金屬都有一個(gè)截止頻率或極限頻率ν0，入射光的頻率必須大于ν0才能發(fā)生光電效應(yīng)。 2．光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。 3

6、．光電效應(yīng)的發(fā)生是瞬時(shí)的，不超過10－9 s。 4．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和光電流越大，逸出的光電子數(shù)越多，逸出電子的數(shù)目與入射光的強(qiáng)度成正比。 解釋光電效應(yīng)時(shí)，應(yīng)從以下兩點(diǎn)進(jìn)行把握： (1)照射光頻率決定著是否發(fā)生光電效應(yīng)以及光電子的最大初動(dòng)能； (2)能夠發(fā)生光電效應(yīng)的前提下，照射光強(qiáng)度決定著單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù)。 2．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，下列表述正確的是(　　) A．光照時(shí)間越長光電流越大 B．入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流 C．遏止電壓與入射光的頻率有關(guān) D．入射光頻率大于極限頻率才能產(chǎn)生光電子 解析：選CD　要產(chǎn)生光電效應(yīng)入射光的頻率必須大于一個(gè)最

7、小頻率，即極限頻率，當(dāng)入射光的頻率小于極限頻率時(shí)，不管光的強(qiáng)度多大都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，與光照時(shí)間無關(guān)，故D正確，A、B錯(cuò)誤；對(duì)同一種金屬，入射光的頻率越大，光電子的最大初動(dòng)能越大，遏止電壓越大，C正確。 光電效應(yīng)方程的理解和應(yīng)用 1.光電效應(yīng)方程中的能量守恒 當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，能量為E的光子被電子所吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對(duì)它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)能。如果克服引力做功最少為W，離開金屬表面時(shí)的最大動(dòng)能為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知E＝W＋Ek，即Ek＝E－W，同時(shí)有E＝hν，故可得出愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W。如果照射光頻率等于

8、金屬截止頻率，此時(shí)Ek＝0。 圖4-1-3 2．光電效應(yīng)曲線 如圖4-1-3所示是光電子最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率ν的變化曲線。這里，橫軸上的截距是金屬的截止頻率；縱軸上的截距是金屬的逸出功負(fù)值；斜率為普朗克常量。從曲線可以看出，最大初動(dòng)能隨ν的增大而增大，但不成正比例。 (1)應(yīng)用光電效應(yīng)方程時(shí)應(yīng)注意結(jié)合能量守恒定律，有助于理解光電效應(yīng)的規(guī)律。 (2)該類問題的考查通常以光電管為載體，因此，必須理解光電管中影響光電流的因素。 3．愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。某種金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能Ekm與入射光頻率ν的關(guān)系

9、如圖4-1-4所示，某中ν0為極限頻率。從圖中可以確定的是________。(填選項(xiàng)前的字母)(　　) 圖4-1-4 A．逸出功與ν有關(guān) B．Ekm與入射光強(qiáng)度成正比 C．當(dāng)ν<ν0時(shí)，會(huì)逸出光電子 D．圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān) 解析：選D　金屬的逸出功與入射光無關(guān)，A錯(cuò)；光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，B錯(cuò)；當(dāng)入射光的頻率小于極限頻率，不能發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，C錯(cuò)；據(jù)光電效應(yīng)方程可知圖像的斜率與普朗克常量有關(guān)，D對(duì)。 (對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁碼P54) 光子說與光電效應(yīng)現(xiàn)象 [例1]　(廣東高考)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應(yīng)。下

10、列說法正確的是(　　) A．增大入射光強(qiáng)度，光電流增大 B．減小入射光的強(qiáng)度，光電效應(yīng)現(xiàn)象消失 C．改用頻率小于ν的光照射，一定不發(fā)生光電效應(yīng) D．改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動(dòng)能變大 [解析]　已知用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生光電效應(yīng)，可知光電管陰極金屬材料的極限頻率肯定小于ν，改用頻率較小的光照射時(shí)，仍有可能發(fā)生光電效應(yīng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，增加照射光頻率，光電子最大初動(dòng)能也增大，故選項(xiàng)D正確；增大入射光強(qiáng)度，單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積的光電子數(shù)增加，則光電流將增大，故選項(xiàng)A正確；光電效應(yīng)是否產(chǎn)生于照射光頻率有關(guān)而與照射光強(qiáng)度無

11、關(guān)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。 [答案]　AD (1)光電效應(yīng)方程研究的是最大初動(dòng)能與入射光頻率之間的關(guān)系，要注意區(qū)別光電子的動(dòng)能和最大初動(dòng)能。 (2)發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的截止頻率，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。 光電效應(yīng)方程的應(yīng)用 [例2]　 (1)研究光電效應(yīng)的電路如圖4-1-5所示。用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖像中，正確的是________。 圖4-1-5 圖4-1-6 (2)鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，

12、這就是光電子。光電子從金屬表面逸出的過程中，其動(dòng)量的大小________(選填“增大”、“減小”或“不變”)，原因是________________________。 [解析]　由于光的頻率一定，它們的截止電壓相同，A、B不正確。光越強(qiáng)，電流越大，C正確。由于光電子受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)，光電子的動(dòng)量變小。 [答案]　(1)C　(2)減小　光電子受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功) (對(duì)應(yīng)學(xué)生用書頁碼P55) 1．對(duì)于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說法正確的是(　　) A．以某一個(gè)最小能量值一份一份地輻射或吸收 B．輻射和吸收的能量是某

13、一最小值的整數(shù)倍 C．吸收的能量可以是連續(xù)的 D．輻射和吸收的能量是量子化的 解析：選ABD　根據(jù)普朗克能量子假說，帶電粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，能量的輻射、吸收要一份份地進(jìn)行，故A、B、D正確。 2．在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器的指針就張開一個(gè)角度，如圖4-1-7所示，這時(shí)(　　) 圖4-1-7 A．鋅板帶正電，指針帶負(fù)電 B．鋅板帶正電，指針帶正電 C．鋅板帶負(fù)電，指針帶正電 D．鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電 解析：選B　弧光燈照射鋅板，將產(chǎn)生光電效應(yīng)，即鋅板逸出電子，鋅板因失掉電子而帶正電，與之相連

14、的驗(yàn)電器也帶正電。 3．在光電效應(yīng)的四條規(guī)律中，波動(dòng)說不能解釋的有(　　) A．入射光的頻率必須大于被照金屬的截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng) B．光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大 C．入射光照射到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10－9 s D．當(dāng)入射光頻率大于截止頻率時(shí)，光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比 解析：選ABC　按照經(jīng)典的光的波動(dòng)理論，光的能量隨光的強(qiáng)度的增大而增大，與光的頻率無關(guān)，金屬中的電子必須吸收足夠的能量后，才能從金屬中逸出，電子有一個(gè)能量積蓄的時(shí)間，光的強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)輻射到金屬表面的光子數(shù)目越多，被電子吸收的光子數(shù)目自

15、然也多，這樣產(chǎn)生的光電子數(shù)目也多。但是，光子不一定全部形成光電流，故應(yīng)選A、B、C。 4．硅光電池是利用光電效應(yīng)將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能。若有N個(gè)頻率為ν的光子打在光電池極板上，這些光子的總能量為(h為普朗克常量)(　　) A．hν B.Nhν C．Nhν D．2Nhν 解析：選C　光子能量與頻率有關(guān)，一個(gè)光子能量為ε＝hν，N個(gè)光子能量為Nhν，故C正確。 5．在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用單色光照射某種金屬表面，有光電子逸出，則光電子的最大初動(dòng)能取決于入射光的(　　) A．頻率　　　　　　　　　　 B．強(qiáng)度 C．照射時(shí)間 D．光子數(shù)目 解析：選A　根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程

16、Ek＝hν－W0可知，當(dāng)金屬的極限頻率確定時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能取決于入射光的頻率，與光照強(qiáng)度、照射時(shí)間、光子數(shù)目無關(guān)，選項(xiàng)A對(duì)，B、C、D錯(cuò)。 6．(北京高考)“約瑟夫森結(jié)”由超導(dǎo)體和絕緣體制成。若在結(jié)兩端加恒定電壓U，則它會(huì)輻射頻率為ν的電磁波，且ν與U成正比，即ν＝kU。已知比例系數(shù)k僅與元電荷e的2倍和普朗克常量h有關(guān)。你可能不了解此現(xiàn)象的機(jī)理，但仍可運(yùn)用物理學(xué)中常用的方法，在下列選項(xiàng)中，推理判斷比例系數(shù)k的值可能為(　　) A. B. C．2he D. 解析：選B　由ν＝kU，又題目中提到元電荷e和普朗克常量h，可聯(lián)想到能量，即列出相關(guān)等式qU＝hν，進(jìn)而比較ν＝kU，

17、得出k＝q/h，再結(jié)合題意可知，k＝2e/h，故選項(xiàng)B對(duì)。 7．如圖4-1-8所示是某金屬在光的照射下，光電子最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像，由圖像可知(　　) 圖4-1-8 A．該金屬的逸出功等于E B．該金屬的逸出功等于hν0 C．入射光的頻率為ν0時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為E D．入射光的頻率為2ν0時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為2E 解析：選AB　題中圖像反映了光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W，知當(dāng)入射光的頻率恰為該金屬的截止頻率ν0時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能Ek＝0，此時(shí)有hν0＝W，即該金屬的逸出功等于hν

18、0，選項(xiàng)B正確。根據(jù)圖線的物理意義，有W＝E，故選項(xiàng)A正確，而選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。 8.在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，飛飛同學(xué)用同一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖4-1-9所示。則可判斷出(　　) 圖4-1-9 A．甲光的頻率大于乙光的頻率 B．乙光的波長大于丙光的波長 C．乙光對(duì)應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率 D．甲光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能大于丙光的光電子最大初動(dòng)能 解析：選B　由題圖可知，丙光的最大電流小于甲光和乙光，說明逸出的電子數(shù)目最少，即丙光的強(qiáng)度最小。由題圖說明丙光對(duì)應(yīng)的光電子的初動(dòng)能最大，即丙光的頻率最高(波長最小)，B項(xiàng)正

19、確，D項(xiàng)錯(cuò)誤；甲光和乙光的頻率相同，A項(xiàng)錯(cuò)誤。由于是同一光電管，所以乙光、丙光截止頻率是一樣的，C項(xiàng)錯(cuò)誤。 9．在光電效應(yīng)試驗(yàn)中，某金屬的截止頻率相應(yīng)的波長為λ0，該金屬的逸出功為________。若用波長為λ(λ<λ0)的單色光做實(shí)驗(yàn)，則其遏止電壓為________。已知電子的電荷量、真空中的光速和普朗克常量分別為e、c和h。 解析：由W＝hν0＝h，又eU＝Ek，且Ek＝hν－W，ν＝，所以U＝(－)＝。 答案：h　 10．用波長為λ的光照射金屬的表面，當(dāng)遏止電壓取某個(gè)值時(shí)，光電流便被截止。當(dāng)光的波長改變?yōu)樵ㄩL的1/n后，已查明使電流截止的遏止電壓必須增大到原值的η倍。試計(jì)算原入

20、射光的波長λ。(已知該金屬的逸出功為W) 解析：由愛因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子的初動(dòng)能Ek＝hν－W，設(shè)遏止電壓為Uc，eUc＝Ek，故eUc＝hν－W。依題意列出： eUc＝h－W　　　　　 ① ηeUc＝h－W ② 由②－①得：(η－1)eUc＝h(n－1) ③ 將①代入③得λ＝。 答案： 11．如圖4-1-10所示，陰極K用截止頻率對(duì)應(yīng)光波波長λ0＝0.66 μm的金屬銫制成，用波長λ＝0.50 μm的綠光照射陰極K，調(diào)整兩個(gè)極板間的電壓，當(dāng)A板電壓比陰極高出2.5 V時(shí)，光電流達(dá)到飽和，電流表示數(shù)為0.64 μA，求： 圖4-1-10 (1)每秒鐘陰極發(fā)射

21、的光電子數(shù)和光電子飛出陰極時(shí)的最大初動(dòng)能。 (2)如果把照射陰極的綠光的光強(qiáng)增大為原來的2倍，每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極的最大初動(dòng)能。 解析：(1)光電流達(dá)到飽和時(shí)，陰極發(fā)射的光電子全部到達(dá)陽極A，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子的個(gè)數(shù) n＝＝個(gè)＝4.0×1012個(gè) 根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子的最大初動(dòng)能： mv＝hν－W0＝h－h(huán) ＝6.63×10－34×3×108×(－) J ≈9.6×10－20 J。 (2)如果照射光的頻率不變，光強(qiáng)加倍，根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子數(shù)為： n′＝2n＝8.0×1012個(gè) 光電子的最大初動(dòng)能仍然是 mv＝9.6×10－20 J。 答案：(1)4.0×1012個(gè)　9.6×10－20 J (2)8.0×1012個(gè)　9.6×10－20 J 10