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物理选择性必修 第三册第6章 波粒二象性第1节 光电效应及其解释图片ppt课件
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这是一份物理选择性必修 第三册第6章 波粒二象性第1节 光电效应及其解释图片ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了光电子，最小频率，大于或等于，光的强度，照射时间，-9s，不再增加，饱和电流，遏止电压，最大初动能等内容，欢迎下载使用。
一、光电效应【思考】问题1:锌板能否发生光电效应与什么有关?提示:与照射锌板的光的频率有关。问题2:怎样验证静电计所带电荷的电性?提示:可以用带正电的轻小物体靠近静电计的金属球,相互排斥说明静电计的金属球带正电。
光电效应现象及实验规律:(1)光电效应现象:物理学中,在光的照射下_____从物体表面逸出的现象。逸出的电子称为_______。(2)光电效应的实验规律:①发生的条件:每一种金属对应一种光的_________,又称极限频率。只有当光的频率___________这个最小频率时,才会产生光电效应。当光的频率小于这个最小频率时,即使增加_________或_________,也不能产生光电效应。
②从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短,通常可在______内发生光电效应。 ③产生光电效应时,在光照强度不变的情况下,光电流随电压的增大而_____,当电流增大到一定值后,即使电压再增大,电流也_________,达到一个饱和值,即为_________。如果施加_____电压,在电压较低时也还有光电流,只有当反向电压大于某一值时,光电流才为零,这一电压值称为_________。④在光频率不变的情况下,入射光_____,单位时间内逸出的电子数_____,饱和电流_____;遏止电压Uc与光电子___________有关。
二、光电效应的解释及应用1.光子说:看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的_____组成的,每一个光子的能量为____(h是普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s,ν是光的频率)。光在发射和吸收时能量是一份一份的。2.光电效应方程:(1)表达式:_____ 。(2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的_______,剩下的表现为电子逸出后的___________。
3.光电现象的应用:光电_____、光电_____。
三、光的波粒二象性1.光具有波粒二象性:光子既有___________,又有_________。2.光波是一种_______。3.光的波动性和粒子性不是均衡表现的,有时_______表现得比较明显,有时_______表现得比较明显。
一 光电效应的规律与解释1.爱因斯坦光子理论对光电效应的几个解释:(1)解释极限频率的存在:
(2)解释光电效应的瞬时性:电子吸收光子的能量时间很短,几乎是瞬时的。如果入射光频率低于极限频率,即使增加照射时间,也不能使电子逸出。因为一个电子吸收一个光子后,在极短的时间内就可以把能量传递给其他粒子,所以电子不可能通过能量积累逸出金属表面。
(3)解释最大初动能与频率的关系:由爱因斯坦光电效应方程hν=W+ mv2可知,电子从金属中逸出所需消耗的能量的最小值为逸出功,从金属表面逸出的电子消耗的能量最少,逸出时的动能值最大,称为最大初动能。就其他逸出的电子而言,离开金属时的动能小于最大初动能。最大初动能的大小与光的强度无关,与光的频率有关。(4)由c=λν知,波长与频率成反比,故存在极限波长,发生光电效应时,频率要大于或等于极限频率,故波长要小于或等于极限波长。
2.光电效应的四点提醒:(1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率。(2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光。(3)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关。(4)光电子不是光子,而是电子。
3.饱和光电流及遏止电压的产生:实验装置如图所示:发生光电效应时,从金属表面逸出的光电子向四面八方运动,部分光电子能够到达阳极A形成光电流。
(1)饱和光电流:若电源右侧为正极,即将阴极K接电源负极,阳极A接电源正极,在K与A之间就形成了向左的电场。电场力迫使原来未到达阳极A的光电子向阳极A聚集,电压逐渐增大,电场力增大;迫使作用更加强烈,到达阳极A的光电子数增多,光电流增大。当电压达到一定值时,电场力迫使所有的光电子都到达阳极,这时若继续增大电压,到达阳极A的光电子数也不会增加,即光电流不再增加,达到饱和光电流。此时若想增大光电流只能增加出来的光子数,即增大光照强度。
(2)遏止电压:若电源左侧为正极,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在K与A之间就形成了使光电子减速的向右的电场。电场阻碍光电子到达阳极A,逐渐增大U,电场力增大,阻碍作用更加强烈,到达阳极A的光电子数减少,光电流逐渐减小;当电压达到一定值时,电场力的阻碍作用使最易到达阳极A的光电子(具有最大初动能且朝向阳极A运动)不能到达阳极A时,光电流恰好减到零,此时的电压就是遏止电压。
4.光电效应中的三个关系式:(1)爱因斯坦光电效应方程:hν= mv2+W。(2)最大初动能与遏止电压的关系:Ek=eUc。(3)逸出功与极限频率的关系:W=hνc。5.光电效应中的两条对应关系:(1)光照强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大。(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
【思考•讨论】如图是研究光电流与电压之间关系的实验原理图。若要使电流表的示数增大,电源的正负极如何接入?滑动变阻器向哪个方向移动?按照上述方向移动时,能否使电流表示数一直增加?
提示:若要使电流表的示数增大,电源右侧为正极,滑动变阻器向右滑动,当电流达到饱和时,继续向右移动滑片,电流表示数也不会增加。
【典例示范1】用波长为300 nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10-19 J。已知普朗克常量为6.63×10-34 J·s,真空中的光速为3.00×108 m·s-1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为( )A.1×1014 Hz B.8×1014 HzC.2×1015 HzD.8×1015 Hz
【解析】选B。根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,当ν最小时hν0=W0,代入数值可得ν0≈8×1014 Hz,选项B正确。
【误区警示】应用光电效应方程的两点注意(1)频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零,逸出功W=hν0。(2)某种金属的逸出功是一定值,随入射光频率的增大,光电子的最大初动能增大,但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比。
【典例示范2】(多选)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。下列说法正确的是( )A.保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和光电流变大B.入射光的频率变高,饱和光电流变大C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大D.遏止电压的大小与入射光的频率有关,与入射光的光强无关
【解析】选A、C、D。产生光电效应时,光的强度越大,单位时间内逸出的光电子数越多,饱和光电流越大,选项A正确。饱和光电流大小与入射光的频率无关,选项B错误。光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加,与入射光的强度无关,选项C正确。遏止电压的大小与入射光的频率有关,与光的强度无关,选项D正确。
【规律方法】解决光电流的两条思路
【素养训练】1.(多选)在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏静电计相连,用弧光灯(紫外线)照射锌板时,静电计的指针就张开一个角度,如图所示,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.若用黄光照射锌板,则可能不产生光电效应现象D.若用红光照射锌板,则锌板能发射光电子
【解析】选B、C。锌板在紫外线照射下,发生光电效应现象,有光电子飞出,故锌板带正电,指针上的部分电子被吸引到锌板上发生中和,使指针带正电,B正确,A错误;红光和黄光的频率都小于紫外线的频率,都可能不产生光电效应,C正确,D错误。
2.如图为密立根研究某金属的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图像,则下列说法正确的是 ( )A.图像的斜率为普朗克常量B.该金属的截止频率约为5.5×1014 HzC.由图像可得该金属的逸出功为0.5 eVD.由图像可知,光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系
【解析】选D。根据光电效应方程得,Ekm=hν-W0,又Ekm=eUc,解得Uc= ,可知图线的斜率k= ,故A项错误;当遏止电压为零时,入射光的频率等于金属的截止频率,大约为4.2×1014 Hz,故B项错误;图线的斜率k= ,则逸出功W0=hν0=keν0= ×4.2×1014 eV=1.6 eV,故C项错误;根据光电效应方程得,Ekm=hν-W0,即eUc=hν-W0,光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系,故D项正确。
3.(多选)如图所示是某金属在光的照射下,光电子的最大初动能Ek与入射光的波长的倒数( )的关系图像,由图像可知( )A.图像中的λ0是产生光电效应的最小波长B.普朗克常量和光速的乘积hc=Eλ0C.该金属的逸出功等于-ED.若入射光的波长为 ,产生的光电子的最大初动能为2E
【解析】选B、D。图像中的λ0是产生光电效应的最大波长,选项A错误;根据爱因斯坦光电效应方程,光电子的最大初动能Ek与入射光的波长的倒数 的关系图像对应的函数关系式为Ek=hc -W,由题图可知Ek=0时,hc=Eλ0,选项B正确;由Ek=hc -W,并结合关系图像可得该金属的逸出功W=E,选项C错误;若入射光的波长为 ,由Ek=hc -W,解得Ek=hc -W=3E-E=2E,即产生的光电子的最大初动能为2E,选项D正确。
【补偿训练】1.(多选)在光电效应实验中,波长为λ1的光恰好能使金属P发生光电效应,波长为λ2的光恰好能使金属Q发生光电效应,已知波长λ1>λ2,下列选项A、B是两种金属的光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的图像;选项C、D是用甲光照射金属P、乙光照射金属Q的光电流I与光电管两端电压U的关系图像,已知甲、乙两束光的频率ν甲>ν乙,则下列选项中正确的是( )
【解析】选A、D。根据光电效应方程Ek=hν-W0=hν-hν0知,图线的斜率表示普朗克常量,根据图线斜率可得出普朗克常量。横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率,已知波长λ1>λ2,所以ν1<ν2,因此Q的横轴截距大,A正确,B错误;光电流I与光电管两端电压U的关系图像与电压轴交点表示遏止电压,因eUc=hνc,由于两束光的频率ν甲>ν乙,所以P的遏止电压大,故D正确,C错误。
2.入射光照射到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率保持不变,那么( )A.从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.逸出的光电子的最大初动能将减小C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D.有可能不发生光电效应
【解析】选C。发生光电效应几乎是瞬时的,选项A错误;入射光的强度减弱,说明单位时间内的入射光子数目减少,频率不变,说明光子能量不变,逸出的光电子的最大初动能也就不变,选项B错误;入射光子的数目减少,逸出的光电子数目也就减少,故选项C正确;入射光照射到某金属上发生光电效应,说明入射光频率不低于这种金属的极限频率,入射光的强度减弱而频率不变,同样能发生光电效应,故选项D错误。
二 光的波粒二象性1.光的粒子性的含义:爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子,其能量与光的频率有关,光子说并不否定波动说。(1)当光同物质发生作用时,表现出粒子的性质。(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性。(3)频率高、波长短的光,粒子性特征显著。
2.光的波动性的含义:光的波动性是光子本身的一种属性,它不同于宏观的波,它是一种概率波。(1)足够能量的光(大量光子)在传播时,表现出波的性质。(2)频率低、波长长的光,波动性特征显著。
3.光的波动性和粒子性是统一的,光具有波粒二象性:(1)光的粒子性并不否定光的波动性,波动性和粒子性都是光的本质属性,只是在不同条件下的表现不同。(2)只有从波粒二象性的角度,才能统一说明光的各种表现,光的波动性和粒子性是统一的。
【思考•讨论】如图所示是对光的本质进行研究的两个实验。
两幅图分别是光什么性质的代表?说明了什么问题?提示:甲图是光电效应演示实验示意图,它是光的粒子性的代表;乙图是光的干涉实验示意图,它是光的波动性的代表。两个实验说明光具有波粒二象性。
【典例示范】【典例】(多选)关于光的波粒二象性,下列说法中正确的是( )A.光的频率越高,衍射现象越不容易看到B.光的频率越高,粒子性越显著C.大量光子产生的效果往往显示波动性D.光的波粒二象性否定了光的电磁说
【解析】选A、B、C。光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的电磁说,只是说某些情况下粒子性明显,某些情况下波动性明显,故D错。光的频率越高,波长越短,粒子性越明显,波动性越不明显,越不易看到其衍射现象,故B对、A对。大量光子的行为表现出波动性,个别光子的行为表现出粒子性,故C对。
【素养训练】1.有关光的波粒二象性的下列说法中,正确的是( )A.有的光是波,有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子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.大量光子的行为往往显示出粒子性
【解析】选C。同一种光在不同条件下,有时表现出波动性,有时表现出粒子性,A错误。电子是实物粒子,有静止质量;光子无静止质量,以场的形式存在,B错误。光的波长越长(频率越低),其波动性越显著,反之,粒子性越显著,C正确。大量光子的行为往往表现出波动性,D错误。
2.对光的认识,以下说法正确的是( )A.光波和声波的本质相同,都具有波粒二象性B.光既具有波动性,又具有粒子性,两种性质是不相容的C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
【解析】选D。光波是电磁波,具有波粒二象性,声波是机械波,是振动在介质中的传播,二者本质不同,A错误。光的干涉、衍射现象,属于波的特征,微粒说无法解释;光电效应现象用波动说无法解释,而用光子说可以完美地进行解释,证实光具有粒子性。因此,光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性,B错误。光的波动性与粒子性都是光的本质属性,只是表现明显程度不同,不容易观察并不说明不具有,C错误。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧面、不同属性,我们无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性,D正确。
【补偿训练】1.(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是( )A.大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子C.高频光是粒子,低频光是波D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
【解析】选A、D。大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性,A正确;光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著,B错误;频率高的光粒子性显著,频率低的光波动性显著,C错误;光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,D正确。
2.康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也具有动量。入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞,则当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子,如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰撞过程中动量 (选填“守恒”或“不守恒”),能量 (选填“守恒”或“不守恒”),碰后光子可能沿 (选填“1”“2”或“3”)方向运动,并且波长 (选填“不变”“变小”或“变长”)。
【解析】光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致,由矢量合成知识可知碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分能量转移给电子,能量减少,由E=hν知,频率变小,再根据c=λν知,波长变长。答案:守恒 守恒 1 变长
【拓展例题】考查内容:光电效应规律的拓展应用【典例】以往我们认识的光电效应是单光子光电效应,即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,由于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从而形成多光子光电效应,这已被实验证实。光电效应实验装置示意如图。用频率为ν的普通光源照射阴极K,没有发生光电效应。换用同样频率ν的强激光照射阴极K,则发生了光电效应;此时,若加上反向电压U,
即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U,光电流会逐渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电量)( )A.U= B.U= C.U=2hν-WD.U=
【解析】选B。由题意可知一个电子吸收多个光子仍然遵守光电效应方程,设电子吸收了n个光子,则逸出的光电子的最大初动能为Ek=nhν-W(n=2,3,4…),逸出的光电子在遏止电压下运动时应有Ek=eU,由以上两式联立得U= ,若取n=2,则B正确。
1.(多选)对光电效应的理解正确的是( )A.金属钠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.在光电效应中,一个电子只能吸收一个光子C.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而逸出时所需做的最小功,便不能发生光电效应D.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
【解析】选B、C。按照爱因斯坦的光子说,光子的能量由光的频率决定,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,电子必须具有足够的动能,而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量,且一个电子只能吸收一个光子,不能同时吸收多个光子,所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象;电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小。综上所述,选项B、C正确。
【补偿训练】某光源发出的光由不同波长的光组成,不同波长的光的强度如图所示。表中给出了一些材料的极限波长,用该光源发出的光照射表中材料( )
A.仅钠能产生光电子B.仅钠、铜能产生光电子C.仅铜、铂能产生光电子D.都能产生光电子
【解析】选D。由题图可知,该光源发出的光的波长大约在25 nm到440 nm之间,而三种材料中,极限波长最小的铂的极限波长是196 nm,大于25 nm,所以该光源能使三种材料都产生光电效应。故选D。
2.(2019·北京高考)光电管是一种利用光照射产生电流的装置,当入射光照在管中金属板上时,可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。
由表中数据得出的论断中不正确的是( )A.两组实验采用了不同频率的入射光B.两组实验所用的金属板材质不同C.若入射光子的能量为5.0 eV,逸出光电子的最大动能为1.9 eVD.若入射光子的能量为5.0 eV,相对光强越强,光电流越大
【解析】选B。由光电效应可知电子最大初动能Ekm和入射光频率ν以及逸出功W0的关系满足Ekm=hν-W0①,题中数据表添加一项逸出功后,如表所示:
根据表格可知,不同频率光入射逸出功相同,由此可以判断是同一种金属材料,选项B错误,符合题中错误选项要求;入射光子能量不同,所以频率不同,选项A正确;根据①式可知若入射光子能量为5.0 eV,则逸出电子最大动能为1.9 eV;只要能够发生光电效应,相对光强越强,光电流越大,选项C、D正确。
【补偿训练】如图所示,当一束一定强度的某一频率的黄光照射到光电管阴极K上时,此时滑片P处于A、B中点,电流表中有电流通过,则( )A.若将滑片P向B端移动时,电流表读数一定增大B.若用红外线照射阴极K时,电流表中一定没有电流通过C.若用强度更弱的黄光照射阴极K,电流表读数不变D.若用强度更弱的紫外线照射阴极K,光电子的最大初动能一定变大
【解析】选D。光电管所加的电压,使光电子到达阳极,则电流表中有电流通过,且可能达到饱和电流,若将滑片P向B端移动时,电流表读数有可能不变,故A错误;若用红外线照射阴极K时,因红外线的频率小于黄光,因此可能不发生光电效应,也可能会发生光电效应,电流表不一定没有电流通过,故B错误;若用强度更弱的黄光照射阴极K时,能发生光电效应有光电子飞出,但光强变弱使得飞出的光电子数目减小,电流表读数减小,故C错误;紫外线的频率大于黄光的频率,根据光电效应方程:Ek=hν-W0可知用一束紫外线照射阴极K时,出射光电子的最大初动能一定变大,与光的强弱无关,故D正确;故选D。
3.用不同频率的光分别照射钨和锌,产生光电效应,根据实验可画出光电子的最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图线。已知钨的逸出功是3.28 eV,锌的逸出功为3.34 eV,若将二者的图线画在同一个Ek-ν坐标系中,则正确的图是( )
【解析】选A。根据光电效应方程Ek=hν-W可知,Ek-ν图像的斜率为普朗克常量h,因此图中两线应平行,故C、D错误;图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子动能为零)时的入射光频率即极限频率。由光电效应方程可知,逸出功越大的金属对应的极限频率越高,所以能使金属锌发生光电效应的极限频率越高,所以A正确,B错误。
4.(2020·济南高二检测)光照射金属铝时,能发生光电效应的最大波长为λ0。当用波长为λ的光照射铝时,测得遏止电压为Uc,已知光速为c,光电子电量为e。求:(1)光电子的最大初动能Ek; (2)普朗克常量h。
【解析】(1)Ek=eUc(2) =eUc,答案:(1)eUc (2)
【新思维·新考向】情境:2020年5月5日18时0分,长征五号B搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱,从文昌航天发射场点火升空。长征五号B运载火箭运载能力大,未来主要执行大吨位空间站舱段的发射任务。
问题:空间站在太空中运行时要展开太阳能电池板,依靠太阳来提供一定的能量,将太阳能转化为电能主要应用了什么效应?【解析】利用了光电效应,将光能转化为电能。答案:见解析
一、光电效应【思考】问题1:锌板能否发生光电效应与什么有关?提示:与照射锌板的光的频率有关。问题2:怎样验证静电计所带电荷的电性?提示:可以用带正电的轻小物体靠近静电计的金属球,相互排斥说明静电计的金属球带正电。
光电效应现象及实验规律:(1)光电效应现象:物理学中,在光的照射下_____从物体表面逸出的现象。逸出的电子称为_______。(2)光电效应的实验规律:①发生的条件:每一种金属对应一种光的_________,又称极限频率。只有当光的频率___________这个最小频率时,才会产生光电效应。当光的频率小于这个最小频率时,即使增加_________或_________,也不能产生光电效应。
②从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短,通常可在______内发生光电效应。 ③产生光电效应时,在光照强度不变的情况下,光电流随电压的增大而_____,当电流增大到一定值后,即使电压再增大,电流也_________,达到一个饱和值,即为_________。如果施加_____电压,在电压较低时也还有光电流,只有当反向电压大于某一值时,光电流才为零,这一电压值称为_________。④在光频率不变的情况下,入射光_____,单位时间内逸出的电子数_____,饱和电流_____;遏止电压Uc与光电子___________有关。
二、光电效应的解释及应用1.光子说:看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的_____组成的,每一个光子的能量为____(h是普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s,ν是光的频率)。光在发射和吸收时能量是一份一份的。2.光电效应方程:(1)表达式:_____ 。(2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的_______,剩下的表现为电子逸出后的___________。
3.光电现象的应用:光电_____、光电_____。
三、光的波粒二象性1.光具有波粒二象性:光子既有___________,又有_________。2.光波是一种_______。3.光的波动性和粒子性不是均衡表现的,有时_______表现得比较明显,有时_______表现得比较明显。
一 光电效应的规律与解释1.爱因斯坦光子理论对光电效应的几个解释:(1)解释极限频率的存在:
(2)解释光电效应的瞬时性:电子吸收光子的能量时间很短,几乎是瞬时的。如果入射光频率低于极限频率,即使增加照射时间,也不能使电子逸出。因为一个电子吸收一个光子后,在极短的时间内就可以把能量传递给其他粒子,所以电子不可能通过能量积累逸出金属表面。
(3)解释最大初动能与频率的关系:由爱因斯坦光电效应方程hν=W+ mv2可知,电子从金属中逸出所需消耗的能量的最小值为逸出功,从金属表面逸出的电子消耗的能量最少,逸出时的动能值最大,称为最大初动能。就其他逸出的电子而言,离开金属时的动能小于最大初动能。最大初动能的大小与光的强度无关,与光的频率有关。(4)由c=λν知,波长与频率成反比,故存在极限波长,发生光电效应时,频率要大于或等于极限频率,故波长要小于或等于极限波长。
2.光电效应的四点提醒:(1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率。(2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光。(3)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关。(4)光电子不是光子,而是电子。
3.饱和光电流及遏止电压的产生:实验装置如图所示:发生光电效应时,从金属表面逸出的光电子向四面八方运动,部分光电子能够到达阳极A形成光电流。
(1)饱和光电流:若电源右侧为正极,即将阴极K接电源负极,阳极A接电源正极,在K与A之间就形成了向左的电场。电场力迫使原来未到达阳极A的光电子向阳极A聚集,电压逐渐增大,电场力增大;迫使作用更加强烈,到达阳极A的光电子数增多,光电流增大。当电压达到一定值时,电场力迫使所有的光电子都到达阳极,这时若继续增大电压,到达阳极A的光电子数也不会增加,即光电流不再增加,达到饱和光电流。此时若想增大光电流只能增加出来的光子数,即增大光照强度。
(2)遏止电压:若电源左侧为正极,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在K与A之间就形成了使光电子减速的向右的电场。电场阻碍光电子到达阳极A,逐渐增大U,电场力增大,阻碍作用更加强烈,到达阳极A的光电子数减少,光电流逐渐减小;当电压达到一定值时,电场力的阻碍作用使最易到达阳极A的光电子(具有最大初动能且朝向阳极A运动)不能到达阳极A时,光电流恰好减到零,此时的电压就是遏止电压。
4.光电效应中的三个关系式:(1)爱因斯坦光电效应方程:hν= mv2+W。(2)最大初动能与遏止电压的关系:Ek=eUc。(3)逸出功与极限频率的关系:W=hνc。5.光电效应中的两条对应关系:(1)光照强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大。(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
【思考•讨论】如图是研究光电流与电压之间关系的实验原理图。若要使电流表的示数增大,电源的正负极如何接入?滑动变阻器向哪个方向移动?按照上述方向移动时,能否使电流表示数一直增加?
提示:若要使电流表的示数增大,电源右侧为正极,滑动变阻器向右滑动,当电流达到饱和时,继续向右移动滑片,电流表示数也不会增加。
【典例示范1】用波长为300 nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10-19 J。已知普朗克常量为6.63×10-34 J·s,真空中的光速为3.00×108 m·s-1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为( )A.1×1014 Hz B.8×1014 HzC.2×1015 HzD.8×1015 Hz
【解析】选B。根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,当ν最小时hν0=W0,代入数值可得ν0≈8×1014 Hz,选项B正确。
【误区警示】应用光电效应方程的两点注意(1)频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零,逸出功W=hν0。(2)某种金属的逸出功是一定值,随入射光频率的增大,光电子的最大初动能增大,但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比。
【典例示范2】(多选)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。下列说法正确的是( )A.保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和光电流变大B.入射光的频率变高,饱和光电流变大C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大D.遏止电压的大小与入射光的频率有关,与入射光的光强无关
【解析】选A、C、D。产生光电效应时,光的强度越大,单位时间内逸出的光电子数越多,饱和光电流越大,选项A正确。饱和光电流大小与入射光的频率无关,选项B错误。光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加,与入射光的强度无关,选项C正确。遏止电压的大小与入射光的频率有关,与光的强度无关,选项D正确。
【规律方法】解决光电流的两条思路
【素养训练】1.(多选)在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏静电计相连,用弧光灯(紫外线)照射锌板时,静电计的指针就张开一个角度,如图所示,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.若用黄光照射锌板,则可能不产生光电效应现象D.若用红光照射锌板,则锌板能发射光电子
【解析】选B、C。锌板在紫外线照射下,发生光电效应现象,有光电子飞出,故锌板带正电,指针上的部分电子被吸引到锌板上发生中和,使指针带正电,B正确,A错误;红光和黄光的频率都小于紫外线的频率,都可能不产生光电效应,C正确,D错误。
2.如图为密立根研究某金属的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图像,则下列说法正确的是 ( )A.图像的斜率为普朗克常量B.该金属的截止频率约为5.5×1014 HzC.由图像可得该金属的逸出功为0.5 eVD.由图像可知,光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系
【解析】选D。根据光电效应方程得,Ekm=hν-W0,又Ekm=eUc,解得Uc= ,可知图线的斜率k= ,故A项错误;当遏止电压为零时,入射光的频率等于金属的截止频率,大约为4.2×1014 Hz,故B项错误;图线的斜率k= ,则逸出功W0=hν0=keν0= ×4.2×1014 eV=1.6 eV,故C项错误;根据光电效应方程得,Ekm=hν-W0,即eUc=hν-W0,光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系,故D项正确。
3.(多选)如图所示是某金属在光的照射下,光电子的最大初动能Ek与入射光的波长的倒数( )的关系图像,由图像可知( )A.图像中的λ0是产生光电效应的最小波长B.普朗克常量和光速的乘积hc=Eλ0C.该金属的逸出功等于-ED.若入射光的波长为 ,产生的光电子的最大初动能为2E
【解析】选B、D。图像中的λ0是产生光电效应的最大波长,选项A错误;根据爱因斯坦光电效应方程,光电子的最大初动能Ek与入射光的波长的倒数 的关系图像对应的函数关系式为Ek=hc -W,由题图可知Ek=0时,hc=Eλ0,选项B正确;由Ek=hc -W,并结合关系图像可得该金属的逸出功W=E,选项C错误;若入射光的波长为 ,由Ek=hc -W,解得Ek=hc -W=3E-E=2E,即产生的光电子的最大初动能为2E,选项D正确。
【补偿训练】1.(多选)在光电效应实验中,波长为λ1的光恰好能使金属P发生光电效应,波长为λ2的光恰好能使金属Q发生光电效应,已知波长λ1>λ2,下列选项A、B是两种金属的光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的图像;选项C、D是用甲光照射金属P、乙光照射金属Q的光电流I与光电管两端电压U的关系图像,已知甲、乙两束光的频率ν甲>ν乙,则下列选项中正确的是( )
【解析】选A、D。根据光电效应方程Ek=hν-W0=hν-hν0知,图线的斜率表示普朗克常量,根据图线斜率可得出普朗克常量。横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率,已知波长λ1>λ2,所以ν1<ν2,因此Q的横轴截距大,A正确,B错误;光电流I与光电管两端电压U的关系图像与电压轴交点表示遏止电压,因eUc=hνc,由于两束光的频率ν甲>ν乙,所以P的遏止电压大,故D正确,C错误。
2.入射光照射到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率保持不变,那么( )A.从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.逸出的光电子的最大初动能将减小C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D.有可能不发生光电效应
【解析】选C。发生光电效应几乎是瞬时的,选项A错误;入射光的强度减弱,说明单位时间内的入射光子数目减少,频率不变,说明光子能量不变,逸出的光电子的最大初动能也就不变,选项B错误;入射光子的数目减少,逸出的光电子数目也就减少,故选项C正确;入射光照射到某金属上发生光电效应,说明入射光频率不低于这种金属的极限频率,入射光的强度减弱而频率不变,同样能发生光电效应,故选项D错误。
二 光的波粒二象性1.光的粒子性的含义:爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子,其能量与光的频率有关,光子说并不否定波动说。(1)当光同物质发生作用时,表现出粒子的性质。(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性。(3)频率高、波长短的光,粒子性特征显著。
2.光的波动性的含义:光的波动性是光子本身的一种属性,它不同于宏观的波,它是一种概率波。(1)足够能量的光(大量光子)在传播时,表现出波的性质。(2)频率低、波长长的光,波动性特征显著。
3.光的波动性和粒子性是统一的,光具有波粒二象性:(1)光的粒子性并不否定光的波动性,波动性和粒子性都是光的本质属性,只是在不同条件下的表现不同。(2)只有从波粒二象性的角度,才能统一说明光的各种表现,光的波动性和粒子性是统一的。
【思考•讨论】如图所示是对光的本质进行研究的两个实验。
两幅图分别是光什么性质的代表?说明了什么问题?提示:甲图是光电效应演示实验示意图,它是光的粒子性的代表;乙图是光的干涉实验示意图,它是光的波动性的代表。两个实验说明光具有波粒二象性。
【典例示范】【典例】(多选)关于光的波粒二象性,下列说法中正确的是( )A.光的频率越高,衍射现象越不容易看到B.光的频率越高,粒子性越显著C.大量光子产生的效果往往显示波动性D.光的波粒二象性否定了光的电磁说
【解析】选A、B、C。光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的电磁说,只是说某些情况下粒子性明显,某些情况下波动性明显,故D错。光的频率越高,波长越短,粒子性越明显,波动性越不明显,越不易看到其衍射现象,故B对、A对。大量光子的行为表现出波动性,个别光子的行为表现出粒子性,故C对。
【素养训练】1.有关光的波粒二象性的下列说法中,正确的是( )A.有的光是波,有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子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.大量光子的行为往往显示出粒子性
【解析】选C。同一种光在不同条件下,有时表现出波动性,有时表现出粒子性,A错误。电子是实物粒子,有静止质量;光子无静止质量,以场的形式存在,B错误。光的波长越长(频率越低),其波动性越显著,反之,粒子性越显著,C正确。大量光子的行为往往表现出波动性,D错误。
2.对光的认识,以下说法正确的是( )A.光波和声波的本质相同,都具有波粒二象性B.光既具有波动性,又具有粒子性,两种性质是不相容的C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
【解析】选D。光波是电磁波,具有波粒二象性,声波是机械波,是振动在介质中的传播,二者本质不同,A错误。光的干涉、衍射现象,属于波的特征,微粒说无法解释;光电效应现象用波动说无法解释,而用光子说可以完美地进行解释,证实光具有粒子性。因此,光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性,B错误。光的波动性与粒子性都是光的本质属性,只是表现明显程度不同,不容易观察并不说明不具有,C错误。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧面、不同属性,我们无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性,D正确。
【补偿训练】1.(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是( )A.大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子C.高频光是粒子,低频光是波D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
【解析】选A、D。大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性,A正确;光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著,B错误;频率高的光粒子性显著,频率低的光波动性显著,C错误;光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,D正确。
2.康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也具有动量。入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞,则当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子,如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰撞过程中动量 (选填“守恒”或“不守恒”),能量 (选填“守恒”或“不守恒”),碰后光子可能沿 (选填“1”“2”或“3”)方向运动,并且波长 (选填“不变”“变小”或“变长”)。
【解析】光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致,由矢量合成知识可知碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分能量转移给电子,能量减少,由E=hν知,频率变小,再根据c=λν知,波长变长。答案:守恒 守恒 1 变长
【拓展例题】考查内容:光电效应规律的拓展应用【典例】以往我们认识的光电效应是单光子光电效应,即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,由于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从而形成多光子光电效应,这已被实验证实。光电效应实验装置示意如图。用频率为ν的普通光源照射阴极K,没有发生光电效应。换用同样频率ν的强激光照射阴极K,则发生了光电效应;此时,若加上反向电压U,
即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U,光电流会逐渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电量)( )A.U= B.U= C.U=2hν-WD.U=
【解析】选B。由题意可知一个电子吸收多个光子仍然遵守光电效应方程,设电子吸收了n个光子,则逸出的光电子的最大初动能为Ek=nhν-W(n=2,3,4…),逸出的光电子在遏止电压下运动时应有Ek=eU,由以上两式联立得U= ,若取n=2,则B正确。
1.(多选)对光电效应的理解正确的是( )A.金属钠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.在光电效应中,一个电子只能吸收一个光子C.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而逸出时所需做的最小功,便不能发生光电效应D.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
【解析】选B、C。按照爱因斯坦的光子说,光子的能量由光的频率决定,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,电子必须具有足够的动能,而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量,且一个电子只能吸收一个光子,不能同时吸收多个光子,所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象;电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小。综上所述,选项B、C正确。
【补偿训练】某光源发出的光由不同波长的光组成,不同波长的光的强度如图所示。表中给出了一些材料的极限波长,用该光源发出的光照射表中材料( )
A.仅钠能产生光电子B.仅钠、铜能产生光电子C.仅铜、铂能产生光电子D.都能产生光电子
【解析】选D。由题图可知,该光源发出的光的波长大约在25 nm到440 nm之间,而三种材料中,极限波长最小的铂的极限波长是196 nm,大于25 nm,所以该光源能使三种材料都产生光电效应。故选D。
2.(2019·北京高考)光电管是一种利用光照射产生电流的装置,当入射光照在管中金属板上时,可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。
由表中数据得出的论断中不正确的是( )A.两组实验采用了不同频率的入射光B.两组实验所用的金属板材质不同C.若入射光子的能量为5.0 eV,逸出光电子的最大动能为1.9 eVD.若入射光子的能量为5.0 eV,相对光强越强,光电流越大
【解析】选B。由光电效应可知电子最大初动能Ekm和入射光频率ν以及逸出功W0的关系满足Ekm=hν-W0①,题中数据表添加一项逸出功后,如表所示:
根据表格可知,不同频率光入射逸出功相同,由此可以判断是同一种金属材料,选项B错误,符合题中错误选项要求;入射光子能量不同,所以频率不同,选项A正确;根据①式可知若入射光子能量为5.0 eV,则逸出电子最大动能为1.9 eV;只要能够发生光电效应,相对光强越强,光电流越大,选项C、D正确。
【补偿训练】如图所示,当一束一定强度的某一频率的黄光照射到光电管阴极K上时,此时滑片P处于A、B中点,电流表中有电流通过,则( )A.若将滑片P向B端移动时,电流表读数一定增大B.若用红外线照射阴极K时,电流表中一定没有电流通过C.若用强度更弱的黄光照射阴极K,电流表读数不变D.若用强度更弱的紫外线照射阴极K,光电子的最大初动能一定变大
【解析】选D。光电管所加的电压,使光电子到达阳极,则电流表中有电流通过,且可能达到饱和电流,若将滑片P向B端移动时,电流表读数有可能不变,故A错误;若用红外线照射阴极K时,因红外线的频率小于黄光,因此可能不发生光电效应,也可能会发生光电效应,电流表不一定没有电流通过,故B错误;若用强度更弱的黄光照射阴极K时,能发生光电效应有光电子飞出,但光强变弱使得飞出的光电子数目减小,电流表读数减小,故C错误;紫外线的频率大于黄光的频率,根据光电效应方程:Ek=hν-W0可知用一束紫外线照射阴极K时,出射光电子的最大初动能一定变大,与光的强弱无关,故D正确;故选D。
3.用不同频率的光分别照射钨和锌,产生光电效应,根据实验可画出光电子的最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图线。已知钨的逸出功是3.28 eV,锌的逸出功为3.34 eV,若将二者的图线画在同一个Ek-ν坐标系中,则正确的图是( )
【解析】选A。根据光电效应方程Ek=hν-W可知,Ek-ν图像的斜率为普朗克常量h,因此图中两线应平行,故C、D错误;图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子动能为零)时的入射光频率即极限频率。由光电效应方程可知,逸出功越大的金属对应的极限频率越高,所以能使金属锌发生光电效应的极限频率越高,所以A正确,B错误。
4.(2020·济南高二检测)光照射金属铝时,能发生光电效应的最大波长为λ0。当用波长为λ的光照射铝时,测得遏止电压为Uc,已知光速为c,光电子电量为e。求:(1)光电子的最大初动能Ek; (2)普朗克常量h。
【解析】(1)Ek=eUc(2) =eUc,答案:(1)eUc (2)
【新思维·新考向】情境:2020年5月5日18时0分,长征五号B搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱,从文昌航天发射场点火升空。长征五号B运载火箭运载能力大,未来主要执行大吨位空间站舱段的发射任务。
问题:空间站在太空中运行时要展开太阳能电池板,依靠太阳来提供一定的能量,将太阳能转化为电能主要应用了什么效应?【解析】利用了光电效应,将光能转化为电能。答案:见解析
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