高中物理 第5章 波與粒子 第1節(jié) 光電效應(yīng) 第2節(jié) 康普頓效應(yīng)教師用書 魯科版選修3-5

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第1節(jié)　光電效應(yīng) 第2節(jié)　康普頓效應(yīng) 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.知道什么是光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．(重點(diǎn)) 2.理解光子說和愛因斯坦光電效應(yīng)方程，能夠利用它解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．(重點(diǎn)) 3.知道什么是康普頓效應(yīng)及X射線實(shí)驗(yàn)原理．(重點(diǎn)) 4.理解光的波粒二象性，了解光是一種概率波．(難點(diǎn)) 光 電 效 應(yīng) [先填空] 1．光電效應(yīng)現(xiàn)象：在物理學(xué)中，在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象． 2．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 (1)發(fā)生的條件：每一種金屬對應(yīng)一種光的最小頻率，又稱極限頻率．只有當(dāng)光的頻率大于或等于這個(gè)最小頻率時(shí)，才會產(chǎn)生光電效應(yīng)．當(dāng)光的頻率小于這個(gè)最小頻率時(shí)，即使增加光的強(qiáng)度或照射時(shí)間，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)． (2)與光的強(qiáng)度的關(guān)系：產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，光的強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)逸出的電子數(shù)越多． (3)發(fā)生光電效應(yīng)所需的時(shí)間：從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)的時(shí)間間隔很短，通?？稍?0－9_s內(nèi)發(fā)生光電效應(yīng)． 3．光子說：看似連續(xù)的光實(shí)際上是由個(gè)數(shù)有限、分立于空間各點(diǎn)的光子組成的，每一個(gè)光子的能量為hν.光在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的． 4．光電效應(yīng)方程 (1)表達(dá)式：hν＝W＋mv2. (2)物理意義：金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν，這些能量一部分用于從金屬表面逸出時(shí)做功，剩下的表現(xiàn)為電子逸出后的最大初動能． 5．光電效應(yīng)的應(yīng)用 (1)光電開關(guān)． (2)光電成像． (3)光電池． [再判斷] 1．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中光照時(shí)間越長光電流越大．() 2．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流．() 3．光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)．(√) [后思考] 你對光電效應(yīng)中的“光”是怎樣認(rèn)識的？ 【提示】　這里的光，可以是可見光，也可以是紫外線、X光等． [核心點(diǎn)擊] 1．愛因斯坦光子理論對光電效應(yīng)的解釋 (1)解釋極限頻率的存在：光照射到金屬板時(shí)，光子將能量傳遞給電子，每個(gè)光子的能量為hν，所以一個(gè)光子傳遞給一個(gè)電子的能量為hν，電子要脫離原子核的引力，有一個(gè)最小能量，最小能量對應(yīng)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)入射光的最小頻率，即極限頻率．如果小于這一頻率，即使增大光強(qiáng)，也不會使電子逸出．這是因?yàn)樵龃蠊鈴?qiáng)，只是增加了吸收光子能量的電子數(shù)，單個(gè)電子吸收的光子能量仍為hν，電子仍不能逸出． (2)解釋光電效應(yīng)的瞬時(shí)性：電子吸收光子的能量時(shí)間很短，幾乎是瞬時(shí)的．如果入射光頻率低于極限頻率，即使增加照射時(shí)間，也不能使電子逸出．因?yàn)橐粋€(gè)電子吸收一個(gè)光子后，在極短的時(shí)間內(nèi)就可以把能量傳遞給其他粒子，所以電子不可能通過能量積累逸出金屬表面． (3)解釋最大初動能與頻率的關(guān)系：由愛因斯坦光電效應(yīng)方程hν＝W＋mv2可知，電子從金屬中逸出所需克服束縛而消耗的能量的最小值為逸出功，從金屬表面逸出的電子消耗的能量最少，逸出時(shí)的動能值最大，稱為最大初動能．就其他逸出的電子而言，離開金屬時(shí)的動能小于最大初動能．最大初動能的大小與光的強(qiáng)度無關(guān)，與光的頻率有關(guān)． 2．光電效應(yīng)規(guī)律中的兩個(gè)關(guān)系 (1)由hν＝W＋mv2得mv2＝hν－W，逸出電子的最大初動能Ekm(即mv2)與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系． (2)產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，光的強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)逸出的電子數(shù)越多．即如果形成光電流，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比． 1．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖511所示，用弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，則下面說法中正確的是(　　) 圖511 A．用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) B.用綠色光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) C．鋅板帶的是負(fù)電荷 D．使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷 E．鋅板帶的是正電荷 【解析】　弧光燈發(fā)出的紫外線可使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，鋅板帶正電，驗(yàn)電器小球帶正電，驗(yàn)電器指針也帶正電，使其指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故A、D、E正確，C錯(cuò)誤；綠光的頻率小于鋅板的極限頻率，所以用綠光照射鋅板，驗(yàn)電器指針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，B錯(cuò)誤． 【答案】　ADE 2．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)，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：18850062】 A．增大入射光的強(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，仍可能發(fā)生光電效應(yīng) D．改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動能變大 E．改用頻率為2ν的光照射，光電子的最大初動能變?yōu)樵瓉淼?倍 【解析】　增大入射光的強(qiáng)度，單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積上的光子數(shù)增加，光電流增大，A項(xiàng)正確．減小入射光的強(qiáng)度，只是光電流減小，光電效應(yīng)現(xiàn)象是否消失與光的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)，B項(xiàng)錯(cuò)誤．改用頻率小于ν的光照射，但只要光的頻率大于極限頻率ν0仍然可以發(fā)生光電效應(yīng)，C項(xiàng)正確．由愛因斯坦光電效應(yīng)方程hν－W逸＝mv2得：光頻率ν增大，而W逸不變，故光電子的最大初動能變大，但ν與mv2不成正比，故D正確，E錯(cuò)誤． 【答案】　ACD 3．如圖512所示是某金屬在光的照射下，光電子最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象，由圖象可知(　　) 圖512 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能為2E E．入射光的頻率為2ν0時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為E 【解析】　題中圖象反映了光電子的最大初動能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－W0，知當(dāng)入射光的頻率恰為該金屬的截止頻率ν0時(shí)，光電子的最大初動能Ek＝0，此時(shí)有hν0＝W0，即該金屬的逸出功等于hν0，選項(xiàng)B正確；根據(jù)圖線的物理意義，有W0＝E，故選項(xiàng)A、E正確，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤． 【答案】　ABE (1)極限頻率為ν0的光照射金屬對應(yīng)逸出電子的最大初動能為零，逸出功W＝hν0. (2)某種金屬的逸出功是一定值，隨入射光頻率的增大，光電子的最大初動能增大，但光電子的最大初動能與入射光的頻率不成正比． 　 康普頓效應(yīng)及光的波粒二象性 [先填空] 1．光的散射：光在介質(zhì)中與物體微粒的相互作用，使光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象． 蔚藍(lán)的天空、殷紅的晚霞是大氣層對陽光散射形成的，夜晚探照燈或激光的光柱，是空氣中微粒對光散射形成的． 2．康普頓效應(yīng) 在光的散射現(xiàn)象中，部分散射光的波長變長，波長改變的多少與散射角有關(guān)．這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)． 3．康普頓的理論 當(dāng)光子與電子相互作用時(shí)，既遵守能量守恒定律，又遵守動量守恒定律．在碰撞中光子將能量hν的一部分傳遞給了電子，光子能量減少，波長變長． 4．康普頓效應(yīng)的意義 康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面，為光子說提供了又一例證． 5．光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng) 發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)取決于入射光的波長．當(dāng)波長較短的X射線或γ射線入射時(shí)，產(chǎn)生康普頓效應(yīng)；當(dāng)波長較長的可見光或紫外光入射時(shí)，主要產(chǎn)生光電效應(yīng)． 6．光的波粒二象性 (1)光的本性：光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性． (2)光是一種電磁波． (3)當(dāng)光的波長較長時(shí)，光在傳播過程中波動性明顯；當(dāng)光的波長較短時(shí)，光子與粒子相互作用時(shí)，粒子性明顯． [再判斷] 1．康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也具有動量．(√) 2．康普頓效應(yīng)進(jìn)一步說明光具有粒子性．(√) 3．光的波動性和粒子性是統(tǒng)一的，光具有波粒二象性．(√) [后思考] 太陽光從小孔射入室內(nèi)時(shí)，我們從側(cè)面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；宇航員在太空中，盡管太陽光線耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的，為什么？ 【提示】　地球上存在著大氣，太陽光經(jīng)大氣中的微粒散射后傳向各個(gè)方向；而在太空的真空環(huán)境下，光不再散射，只向前傳播． [核心點(diǎn)擊] 1．對康普頓效應(yīng)的理解 (1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 X射線管發(fā)出波長為λ0的X射線，通過小孔投射到散射物石墨上．X射線在石墨上被散射，部分散射光的波長變長，波長改變的多少與散射角有關(guān)． (2)康普頓效應(yīng)與經(jīng)典物理理論的矛盾 按照經(jīng)典物理理論，入射光引起物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子的受迫振動，振動著的帶電粒子從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光．散射光的頻率應(yīng)該等于粒子受迫振動的頻率(即入射光的頻率)．因此散射光的波長與入射光的波長應(yīng)該相同，不應(yīng)該出現(xiàn)波長變長的散射光．另外，經(jīng)典物理理論無法解釋波長改變與散射角的關(guān)系． (3)光子說對康普頓效應(yīng)的解釋 假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞． ①光子和電子相碰撞時(shí)，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長． ②因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量與碰撞的角度有關(guān)，所以波長的改變與散射角有關(guān)． 2．對光的波粒二象性的理解 (1)光的粒子性的含義 粒子的含義是“不連續(xù)”、“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏觀概念的粒子，但也具有動量和能量． ①當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)． ②少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性． ③頻率高，波長短的光，粒子性特征顯著． (2)光的波動性的含義 光的波動性是光子本身的一種屬性，它不同于宏觀的波，它是一種概率波，即光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性(概率)大小可用波動規(guī)律描述． ①足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)． ②頻率低，波長長的光，波動性特征顯著． (3)光的波粒二象性 ①光的粒子性并不否定光的波動性，光既具有波動性，又具有粒子性，波動性、粒子性都是光的本質(zhì)屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同． ②只有從波粒二象性的角度，才能統(tǒng)一說明光的各種行為． 4．關(guān)于光的波粒二象性，下列說法中正確的是(　　) A．光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到 B．光的頻率越高，粒子性越顯著 C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性 D．光的波粒二象性否定了光的電磁說 E．麥克斯韋提出的光的電磁說，將光的波動說發(fā)展到了相當(dāng)完美的地步 【解析】　光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的電磁說，只是說某些情況下粒子性明顯，某些情況下波動性明顯，故D錯(cuò)誤．光的頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，波動性越不明顯，越不易看到其衍射現(xiàn)象，故B對、A錯(cuò)誤．大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，故C對．麥克斯韋提出了光是一種電磁波的學(xué)說，將光的波動說發(fā)展到了相當(dāng)完善的地步，E正確． 【答案】　BCE 5．對光的認(rèn)識，下列說法正確的是(　　) A．個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性 B．光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的 C．光表現(xiàn)出波動性時(shí)，就不具有粒子性了，光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不具有波動性了 D．光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某些場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在某些場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯 E．光表現(xiàn)出波動性還是粒子性由光的頻率大小決定，頻率大的光就顯示粒子性 【解析】　本題考查光的波粒二象性．光是一種概率波，少量光子的行為易顯示出粒子性，而大量光子的行為往往顯示出波動性，A選項(xiàng)正確；光的波動性不是由光子之間的相互作用引起的，而是光的一種屬性，這已被弱光照射雙縫后在膠片上的感光實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，B選項(xiàng)正確；粒子性和波動性是光同時(shí)具備的兩種屬性，C、E選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確． 【答案】　ABD 6．康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也有動量．如圖513給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運(yùn)動方向，則碰后光子可能沿________方向運(yùn)動，并且波長________(選填“不變”“變短”或“變長”). 【導(dǎo)學(xué)號：18850063】 圖513 【解析】　因光子與電子在碰撞過程中動量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前動量的方向一致，可見碰后光子運(yùn)動的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，能量減少，由ε＝hν知，頻率變小，再根據(jù)c＝λν知，波長變長． 【答案】　1　變長 對光的波粒二象性的兩點(diǎn)提醒 1．光的干涉和衍射及偏振說明光具有波動性，而光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)是光具有粒子性的例證． 2．波動性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同．當(dāng)光與其他物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)；少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性；頻率高波長短的光，粒子性顯著．大量光子在傳播時(shí)表現(xiàn)為波動性；頻率低波長長的光，波動性顯著．