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人教版 (2019)选择性必修 第三册2 光电效应精品课件ppt
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这是一份人教版 (2019)选择性必修 第三册2 光电效应精品课件ppt，共45页。PPT课件主要包含了学习目标，思维导图，必备知识，自我检测，探究一，探究二，探究三，随堂检测等内容，欢迎下载使用。
1.了解光电效应及其实验规律,以及光电效应与电磁理论的矛盾。2.知道爱因斯坦光电效应方程及应用。3.了解康普顿效应及其意义,了解光子的动量。4.理解光的波粒二象性及其对立统一的关系,会用光的波粒二象性分析有关现象。
一、光电效应的实验规律1.光电效应:照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。2.光电子:光电效应中发射出来的电子。
3.光电效应的实验规律:(1)存在着饱和光电流:在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流就越大。这表明对于一定颜色的光,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:光电子的最大初动能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。(3)光电效应具有瞬时性:光电效应几乎是瞬间发生的,从光照射到产生光电流的时间极短。4.逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值。不同金属的逸出功不同。
二、爱因斯坦的光子说与光电效应方程1.光子说: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个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,这些能量子被称为光子。2.爱因斯坦的光电效应方程:(1)表达式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。(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逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。
三、康普顿效应和光子的动量1.光的散射:光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。2.康普顿效应:美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。3.康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子除了具有能量之外,还具有动量,深入揭示了光的粒子性的一面。4.光子的动量(1)表达式: 。(2)说明:在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子的动量变小。因此,有些光子散射后波长变大。
四、光的波粒二象性1.大量光子产生的效果显示出波动性,比如干涉、衍射、偏振现象表明光在传播过程中具有波动性。2.个别光子产生的效果显示出粒子性,比如光电效应、康普顿效应等,这些都体现了光的粒子性。3.光既具有波动性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。
1.正误判断(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( )(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。( )(3)在发生光电效应的条件下,同种频率的入射光强度越大,饱和光电流越大。( )(4)“光子”就是“光电子”的简称。( )(5)不同金属的逸出功不同,因此金属对应的截止频率也不同。( )(6)入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,照射出的光电子越多。( )
(7)光子的动量与波长成反比。 ( )(8)光子发生散射时,其动量大小发生变化,但光子的频率不发生变化。( )(9)光子发生散射后,其波长可能变大。( )(10)用同一种色光照同一种金属,发出的所有光电子的初动能都相同。( )(11)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。( )(12)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。( )答案(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)√ (8)× (9)√ (10)× (11)√ (12)√
2.下列利用光子说对光电效应的解释正确的是( )A.金属表面的一个电子只能吸收一个光子B.电子吸收光子后一定能从金属表面逸出,成为光电子C.金属表面的一个电子吸收若干个光子,积累了足够的能量才能从金属表面逸出D.无论光子能量大小如何,电子吸收光子并积累能量后,总能逸出成为光电子解析根据光子说,金属中的一个电子一次只能吸收一个光子,只有所吸收的光子频率大于金属的截止频率,电子才能逃离金属表面,成为光电子,且光子的吸收是瞬时的,不需时间的积累,故只有选项A正确。答案A
3.(多选)如图所示,与锌板相连的验电器指针原来是闭合的,现让紫外线灯发出的光照射锌板,发现验电器指针张开了,则( )A.验电器的指针带了正电B.该实验表明光是一种电磁波
C.增强紫外线灯的发光强度,指针张角会增大D.红光照射锌板,验电器的指针张角一定会变得更大
解析用紫外线灯照射锌板时,验电器指针发生了偏转,可知发生了光电效应,电子从锌板中逸出,此时锌板失去电子带正电,故A正确。光是一种电磁波,但本实验无法得出此结论,故B错误。紫外光越强,单位时间内逸出的光电子数目越多,则带电荷量越大,所以验电器的指针偏角越大,故C正确。因为红光的频率小于紫外线的频率,用红光照射,不一定发生光电效应,故D错误。答案AC
4.(多选)如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像。由图像可知( )A.该金属的逸出功等于EB.该金属的逸出功等于hνcC.当入射光的频率为2νc时,产生的光电子的最大初动能为E解析根据光电效应方程有Ek=hν-W0,其中W0为金属的逸出功W0=hνc,所以有Ek=hν-hνc,由此结合题图图像可知,该金属的逸出功为E,或者W0=hνc,当入射光的频率为2νc时,代入方程可知产生的光电子的最大初动能为E,故A、B、C正确;当入射光的频率为 时,小于极限频率,不能发生光电效应,故D错误。答案ABC
光电效应的实验规律情境探究当我们走到自动门前,在光电池电子眼探测到有人到来时,门就会自动打开,这种传感器可以对光响应。当光的强度变化时,传感器产生的电流大小将发生改变,与相应的电路耦合,就可以触发开关将门打开,你知道其中的道理吗?要点提示这种传感器代表了光电效应的一种应用,当发生光电效应时,光照在金属上使电子从金属中飞出,这种现象由爱因斯坦给出了合理的解释并将其理论化,他阐明了光有粒子流似的行为。
知识归纳一、光电效应中六组易混淆的概念1.光子与光电子:光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电;光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子,光照射金属是因,产生光电子是果。2.光电子的初动能与光电子的最大初动能:光照射到金属表面时,光子的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
3.光子的能量与入射光的强度:光子的能量即每个光子的能量,其值为ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,入射光的强度等于单位时间内光子能量hν与入射光子数n的乘积。即光强等于nhν。4.光电流和饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。5.光的强度与饱和光电流:饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。
6.光电效应现象存在遏止电压和截止频率:当所加电压U为0时,电流I并不为0。只有施加反向电压,也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极,在光电管两极间形成使电子减速的电场,电流才有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。当光照射在金属表面时有电子从金属表面逸出,但并不是任何频率的入射光都能引起光电效应。对于某种金属材料,只有当入射光的频率大于某一频率νc时,电子才能从金属表面逸出,形成光电流。当入射光的频率小于νc时,即使不施加反向电压也没有光电流,这表明没有光电子逸出,这一频率νc称为截止频率或极限频率。截止频率与阴极材料有关,不同的金属材料的νc一般不同。如果入射光的频率ν小于截止频率νc,那么,无论入射光的光强多大,都不能产生光电效应。
二、光电效应与经典电磁理论的矛盾1.矛盾之一:遏止电压由入射光频率决定,与光的强弱无关按照光的经典电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压应与光的强弱有关,而实验表明:遏止电压由入射光的频率决定,与光强无关。2.矛盾之二:存在截止频率按照光的经典电磁理论,不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够的能量从而逸出表面,不应存在截止频率。而实验表明:不同金属有不同的截止频率,入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。
3.矛盾之三:具有瞬时性按照光的经典电磁理论,如果光很弱,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。而实验表明:无论入射光怎样微弱,光电效应几乎都是瞬时的。
三、光电效应的四个规律1.任何一种金属都有一个截止频率νc,入射光的频率必须大于νc才能产生光电效应,与入射光的强度及照射时间无关。(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只与入射光的频率有关。(3)当产生光电效应时,单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关。(4)光电效应几乎是瞬时的,发生的时间一般不超过10-9 s。
实例引导例1 利用光电管研究光电效应实验如图所示,用频率为ν的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( )A.用紫外线照射,电流表不一定有电流通过B.用红光照射,电流表一定无电流通过C.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头移到A端时,电流表中一定无电流通过D.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时,电流表示数可能不变
解析因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,选项A错误。因不知阴极K的截止频率,所以用红光照射时,也可能发生光电效应,所以选项B错误。即使UAK=0,电流表中也可能有电流通过,所以选项C错误。当滑动触头向B端滑动时,UAK增大,阳极A吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当所有光电子都到达阳极A时,电流达到最大,即饱和电流,若在滑动前,电流已经达到饱和电流,那么即使增大UAK,光电流也不会增大,所以选项D正确。答案D
规律方法 关于光电效应的三个理解误区误区1:误认为光电效应中,只要光强足够大,就能发生光电效应。产生该误区的原因是对产生光电效应的条件认识不清,实际上能不能发生光电效应由入射光的频率决定,与入射光的强度无关。误区2:误认为光电流的强度与入射光的强度一定成正比。出现该误区是由于混淆了光电流和饱和光电流。实际上,光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关,还与光电管两极间的电压有关,只有饱和光电流的强度才与入射光的强度成正比。
误区3:误认为入射光越强,产生的光电子数一定越多。这是对光强的概念理解不全面造成的,实际上,入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量,是由入射的光子数和入射光子的频率决定的,可用E=nhν表示,其中n为单位时间内的光子数。在入射光频率不变的情况下,光强度与光子数成正比。换用不同频率的光,即使光强度相同,光子数目也不同,因而逸出的光电子数目也不同。
变式训练1(2020江苏盐城期末)如图所示,当光照射到光电管时,灵敏电流计指针没有发生偏转,检查电路没有发现断路情况,各元件也正常。发生这种情况可能的原因是( )A.电源电压太高B.入射光波长太长C.入射光强度较弱D.光照射时间太短解析由题图可知,此时电源提供的电压为正向电压,只要能发生光电效应,电路中就有电流,故A错误;若入射光波长太长,大于金属的极限波长时,金属不能产生光电效应,与入射光的强度以及照射的时间都无关,故B正确,C、D错误。答案B
爱因斯坦的光电效应理论情境探究图甲是研究光电效应现象的装置图,图乙是研究光电效应的电路图,请结合装置图及产生的现象回答下列问题:
1.在甲图中发现,利用紫光照射锌板无论光的强度如何变化,验电器都有张角,而用红光照射锌板,无论光的强度如何变化,验电器始终无张角,这说明了什么?要点提示金属能否发生光电效应,决定于入射光的频率,与入射光的强度无关。2.在乙图中给光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增加电压,电流表示数不变,而光强增加时,保持所加电压不变,电流表示数会增大,这说明了什么?要点提示发生光电效应时,饱和光电流的强度与光的强度有关。3.在乙图中若加反向电压,当光强增大时,遏止电压不变,而入射光的频率增加时,遏止电压却增加,这一现象说明了什么?要点提示光电子的能量与入射光频率有关,与光的强度无关。
知识归纳1.光电效应方程的理解与应用(1)光电效应方程实质上是能量守恒方程能量为E=hν的光子被电子吸收,电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为W0,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量守恒定律可知:Ek=hν-W0。就某一个光电子而言,其离开金属时的动能可以是0~Ek范围内的任何数值。(2)光电效应方程包含了产生光电效应的条件若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即Ek=hν-W0>0,亦即hν>W0, 恰好是光电效应的截止频率。
2.光子说对光电效应规律的解释①由于光的能量是一份一份的,那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量,而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为。如果光的频率低于截止频率,则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚,就不能发生光电效应。②当光子的频率高于截止频率时,能量传递给电子后,电子摆脱束缚要消耗一部分能量,剩余的能量以光电子的动能形式存在。这样光电子的最大初动能 ,其中W0为金属的逸出功,可见光子的频率越高,光电子的最大初动能越大。
③电子接收能量的过程极其短暂,接收能量后的瞬间即挣脱束缚,所以光电效应的发生也几乎是瞬间的。④频率相同的光照射金属发生光电效应时,单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比,入射光的强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多,那么逸出的光电子数也就越多。
实例引导例2 (2020山东泰安四模)用金属钙做光电效应实验时,得到的光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示。用其他金属做实验,得到的Ekm-ν图线也为直线。表中列出了几种金属的截止频率和逸出功,下列判断正确的是( )
A.如用金属钨做实验,得到的Ekm-ν图线的斜率比图中直线的斜率大B.如用金属钨做实验,得到的Ekm-ν图线的斜率比图中直线的斜率小C.如用金属钠做实验,得到的Ekm-ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2>Ek1D.如用金属钠做实验,得到的Ekm-ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2
变式训练2(2020陕西期末)用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应,得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示。则关于这两种光的波长,下列说法正确的是( )A.a光的波长较长B.b光的波长较长C.两种光的波长一样长D.无法确定解析根据光电效应方程 mv2=hν-W0,由题图可得b光照射光电管时反向遏止电压大,使其逸出的光电子最大初动能大,所以b的频率大,则a的频率小,那么a的波长长,故A正确,B、C、D错误。答案A
康普顿效应和光子的动量情境探究太阳光从小孔射入室内时,我们从侧面可以看到这束光;白天的天空各处都是亮的;宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目,其他方向的天空却是黑的,为什么?要点提示在地球上存在着大气,太阳光经微粒散射后传向各个方向,而在太空中的真空环境下光不能散射只向前传播。
知识归纳1.光子说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个不可分割的能量子组成,每个能量子称为光子。
2.光子说的验证(1)密立根通过测量遏止电压Uc与入射光频率ν,从而计算普朗克常量h,利用实验直接说明光子说的正确性。(2)解释康普顿效应①经典物理的理论无法解释康普顿效应按照经典物理的理论,由于光是电磁振动的传播,入射光将引起物质内部带电粒子的受迫振动,振动着的带电粒子从入射光吸收能量,并向四周辐射,这就是散射光。散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率,也就是入射光的频率。因而散射光的波长与入射光的波长应该相同,不应出现λ>λ0的散射光。
②利用光子的动量解释康普顿效应在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子的动量变小。由光子动量 知,p变小,则光的波长变长。
例3 康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰后光子( )A.可能沿1方向,且波长变短B.可能沿2方向,且波长变短C.可能沿1方向,且波长变长D.可能沿3方向,且波长变长解析因光子与电子碰撞过程动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,可见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,光子将一部分动量转移给电子,光子的动量减小,由 知,波长变长,故C项正确。答案C
规律总结对康普顿效应的三点认识(1)光电效应主要用于电子吸收光子的问题;而康普顿效应主要用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。(2)假定X射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长。(3)康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。
变式训练3科学研究证明,光子有能量也有动量,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为λ,碰撞后的波长为λ',则碰撞过程中( )A.能量守恒,动量守恒,且λ=λ'B.能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ'C.能量守恒,动量守恒,且λ<λ'D.能量守恒,动量守恒,且λ>λ'解析光子与电子碰撞过程中,能量守恒,动量也守恒,因光子撞击电子的过程中光子将一部分能量传递给电子,光子的能量减少,由 可知,光子的波长增大,即λ'>λ,故C正确。答案C
1.(多选)下列对光子的认识,正确的是( )A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的微粒B.光子说中的光子就是光电效应的光电子C.在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子D.光子的能量跟光的频率成正比解析根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子。而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒。光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确。由E=hν知,光子能量E与其频率ν成正比,故D选项正确。答案CD
2.(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应,以下说法正确的是( )A.康普顿效应说明光子具有动量B.康普顿效应现象说明光具有波动性C.康普顿效应现象说明光具有粒子性D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加解析康普顿效应说明光具有粒子性,B项错误,A、C项正确;光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能量转移给电子,光子的能量会减少,D项错误。答案AC
3.(多选)如图所示的装置用来研究光电效应现象,当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA,改变滑动变阻器触头c的位置,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,则( )A.光电管阴极的逸出功为1.8 eVB.开关S断开后,没有电流流过电流表GC.改用光子能量为1.5 eV的光照射,电流表G也有电流,但电流较小D.光电子的最大初动能为0.7 eV
1.了解光电效应及其实验规律,以及光电效应与电磁理论的矛盾。2.知道爱因斯坦光电效应方程及应用。3.了解康普顿效应及其意义,了解光子的动量。4.理解光的波粒二象性及其对立统一的关系,会用光的波粒二象性分析有关现象。
一、光电效应的实验规律1.光电效应:照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。2.光电子:光电效应中发射出来的电子。
3.光电效应的实验规律:(1)存在着饱和光电流:在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流就越大。这表明对于一定颜色的光,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:光电子的最大初动能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。(3)光电效应具有瞬时性:光电效应几乎是瞬间发生的,从光照射到产生光电流的时间极短。4.逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值。不同金属的逸出功不同。
二、爱因斯坦的光子说与光电效应方程1.光子说: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个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,这些能量子被称为光子。2.爱因斯坦的光电效应方程:(1)表达式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。(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逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。
三、康普顿效应和光子的动量1.光的散射:光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。2.康普顿效应:美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。3.康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子除了具有能量之外,还具有动量,深入揭示了光的粒子性的一面。4.光子的动量(1)表达式: 。(2)说明:在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子的动量变小。因此,有些光子散射后波长变大。
四、光的波粒二象性1.大量光子产生的效果显示出波动性,比如干涉、衍射、偏振现象表明光在传播过程中具有波动性。2.个别光子产生的效果显示出粒子性,比如光电效应、康普顿效应等,这些都体现了光的粒子性。3.光既具有波动性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。
1.正误判断(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( )(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。( )(3)在发生光电效应的条件下,同种频率的入射光强度越大,饱和光电流越大。( )(4)“光子”就是“光电子”的简称。( )(5)不同金属的逸出功不同,因此金属对应的截止频率也不同。( )(6)入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,照射出的光电子越多。( )
(7)光子的动量与波长成反比。 ( )(8)光子发生散射时,其动量大小发生变化,但光子的频率不发生变化。( )(9)光子发生散射后,其波长可能变大。( )(10)用同一种色光照同一种金属,发出的所有光电子的初动能都相同。( )(11)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。( )(12)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。( )答案(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)√ (8)× (9)√ (10)× (11)√ (12)√
2.下列利用光子说对光电效应的解释正确的是( )A.金属表面的一个电子只能吸收一个光子B.电子吸收光子后一定能从金属表面逸出,成为光电子C.金属表面的一个电子吸收若干个光子,积累了足够的能量才能从金属表面逸出D.无论光子能量大小如何,电子吸收光子并积累能量后,总能逸出成为光电子解析根据光子说,金属中的一个电子一次只能吸收一个光子,只有所吸收的光子频率大于金属的截止频率,电子才能逃离金属表面,成为光电子,且光子的吸收是瞬时的,不需时间的积累,故只有选项A正确。答案A
3.(多选)如图所示,与锌板相连的验电器指针原来是闭合的,现让紫外线灯发出的光照射锌板,发现验电器指针张开了,则( )A.验电器的指针带了正电B.该实验表明光是一种电磁波
C.增强紫外线灯的发光强度,指针张角会增大D.红光照射锌板,验电器的指针张角一定会变得更大
解析用紫外线灯照射锌板时,验电器指针发生了偏转,可知发生了光电效应,电子从锌板中逸出,此时锌板失去电子带正电,故A正确。光是一种电磁波,但本实验无法得出此结论,故B错误。紫外光越强,单位时间内逸出的光电子数目越多,则带电荷量越大,所以验电器的指针偏角越大,故C正确。因为红光的频率小于紫外线的频率,用红光照射,不一定发生光电效应,故D错误。答案AC
4.(多选)如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像。由图像可知( )A.该金属的逸出功等于EB.该金属的逸出功等于hνcC.当入射光的频率为2νc时,产生的光电子的最大初动能为E解析根据光电效应方程有Ek=hν-W0,其中W0为金属的逸出功W0=hνc,所以有Ek=hν-hνc,由此结合题图图像可知,该金属的逸出功为E,或者W0=hνc,当入射光的频率为2νc时,代入方程可知产生的光电子的最大初动能为E,故A、B、C正确;当入射光的频率为 时,小于极限频率,不能发生光电效应,故D错误。答案ABC
光电效应的实验规律情境探究当我们走到自动门前,在光电池电子眼探测到有人到来时,门就会自动打开,这种传感器可以对光响应。当光的强度变化时,传感器产生的电流大小将发生改变,与相应的电路耦合,就可以触发开关将门打开,你知道其中的道理吗?要点提示这种传感器代表了光电效应的一种应用,当发生光电效应时,光照在金属上使电子从金属中飞出,这种现象由爱因斯坦给出了合理的解释并将其理论化,他阐明了光有粒子流似的行为。
知识归纳一、光电效应中六组易混淆的概念1.光子与光电子:光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电;光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子,光照射金属是因,产生光电子是果。2.光电子的初动能与光电子的最大初动能:光照射到金属表面时,光子的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
3.光子的能量与入射光的强度:光子的能量即每个光子的能量,其值为ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,入射光的强度等于单位时间内光子能量hν与入射光子数n的乘积。即光强等于nhν。4.光电流和饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。5.光的强度与饱和光电流:饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。
6.光电效应现象存在遏止电压和截止频率:当所加电压U为0时,电流I并不为0。只有施加反向电压,也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极,在光电管两极间形成使电子减速的电场,电流才有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。当光照射在金属表面时有电子从金属表面逸出,但并不是任何频率的入射光都能引起光电效应。对于某种金属材料,只有当入射光的频率大于某一频率νc时,电子才能从金属表面逸出,形成光电流。当入射光的频率小于νc时,即使不施加反向电压也没有光电流,这表明没有光电子逸出,这一频率νc称为截止频率或极限频率。截止频率与阴极材料有关,不同的金属材料的νc一般不同。如果入射光的频率ν小于截止频率νc,那么,无论入射光的光强多大,都不能产生光电效应。
二、光电效应与经典电磁理论的矛盾1.矛盾之一:遏止电压由入射光频率决定,与光的强弱无关按照光的经典电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压应与光的强弱有关,而实验表明:遏止电压由入射光的频率决定,与光强无关。2.矛盾之二:存在截止频率按照光的经典电磁理论,不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够的能量从而逸出表面,不应存在截止频率。而实验表明:不同金属有不同的截止频率,入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。
3.矛盾之三:具有瞬时性按照光的经典电磁理论,如果光很弱,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。而实验表明:无论入射光怎样微弱,光电效应几乎都是瞬时的。
三、光电效应的四个规律1.任何一种金属都有一个截止频率νc,入射光的频率必须大于νc才能产生光电效应,与入射光的强度及照射时间无关。(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只与入射光的频率有关。(3)当产生光电效应时,单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关。(4)光电效应几乎是瞬时的,发生的时间一般不超过10-9 s。
实例引导例1 利用光电管研究光电效应实验如图所示,用频率为ν的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( )A.用紫外线照射,电流表不一定有电流通过B.用红光照射,电流表一定无电流通过C.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头移到A端时,电流表中一定无电流通过D.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时,电流表示数可能不变
解析因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,选项A错误。因不知阴极K的截止频率,所以用红光照射时,也可能发生光电效应,所以选项B错误。即使UAK=0,电流表中也可能有电流通过,所以选项C错误。当滑动触头向B端滑动时,UAK增大,阳极A吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当所有光电子都到达阳极A时,电流达到最大,即饱和电流,若在滑动前,电流已经达到饱和电流,那么即使增大UAK,光电流也不会增大,所以选项D正确。答案D
规律方法 关于光电效应的三个理解误区误区1:误认为光电效应中,只要光强足够大,就能发生光电效应。产生该误区的原因是对产生光电效应的条件认识不清,实际上能不能发生光电效应由入射光的频率决定,与入射光的强度无关。误区2:误认为光电流的强度与入射光的强度一定成正比。出现该误区是由于混淆了光电流和饱和光电流。实际上,光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关,还与光电管两极间的电压有关,只有饱和光电流的强度才与入射光的强度成正比。
误区3:误认为入射光越强,产生的光电子数一定越多。这是对光强的概念理解不全面造成的,实际上,入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量,是由入射的光子数和入射光子的频率决定的,可用E=nhν表示,其中n为单位时间内的光子数。在入射光频率不变的情况下,光强度与光子数成正比。换用不同频率的光,即使光强度相同,光子数目也不同,因而逸出的光电子数目也不同。
变式训练1(2020江苏盐城期末)如图所示,当光照射到光电管时,灵敏电流计指针没有发生偏转,检查电路没有发现断路情况,各元件也正常。发生这种情况可能的原因是( )A.电源电压太高B.入射光波长太长C.入射光强度较弱D.光照射时间太短解析由题图可知,此时电源提供的电压为正向电压,只要能发生光电效应,电路中就有电流,故A错误;若入射光波长太长,大于金属的极限波长时,金属不能产生光电效应,与入射光的强度以及照射的时间都无关,故B正确,C、D错误。答案B
爱因斯坦的光电效应理论情境探究图甲是研究光电效应现象的装置图,图乙是研究光电效应的电路图,请结合装置图及产生的现象回答下列问题:
1.在甲图中发现,利用紫光照射锌板无论光的强度如何变化,验电器都有张角,而用红光照射锌板,无论光的强度如何变化,验电器始终无张角,这说明了什么?要点提示金属能否发生光电效应,决定于入射光的频率,与入射光的强度无关。2.在乙图中给光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增加电压,电流表示数不变,而光强增加时,保持所加电压不变,电流表示数会增大,这说明了什么?要点提示发生光电效应时,饱和光电流的强度与光的强度有关。3.在乙图中若加反向电压,当光强增大时,遏止电压不变,而入射光的频率增加时,遏止电压却增加,这一现象说明了什么?要点提示光电子的能量与入射光频率有关,与光的强度无关。
知识归纳1.光电效应方程的理解与应用(1)光电效应方程实质上是能量守恒方程能量为E=hν的光子被电子吸收,电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为W0,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量守恒定律可知:Ek=hν-W0。就某一个光电子而言,其离开金属时的动能可以是0~Ek范围内的任何数值。(2)光电效应方程包含了产生光电效应的条件若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即Ek=hν-W0>0,亦即hν>W0, 恰好是光电效应的截止频率。
2.光子说对光电效应规律的解释①由于光的能量是一份一份的,那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量,而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为。如果光的频率低于截止频率,则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚,就不能发生光电效应。②当光子的频率高于截止频率时,能量传递给电子后,电子摆脱束缚要消耗一部分能量,剩余的能量以光电子的动能形式存在。这样光电子的最大初动能 ,其中W0为金属的逸出功,可见光子的频率越高,光电子的最大初动能越大。
③电子接收能量的过程极其短暂,接收能量后的瞬间即挣脱束缚,所以光电效应的发生也几乎是瞬间的。④频率相同的光照射金属发生光电效应时,单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比,入射光的强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多,那么逸出的光电子数也就越多。
实例引导例2 (2020山东泰安四模)用金属钙做光电效应实验时,得到的光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示。用其他金属做实验,得到的Ekm-ν图线也为直线。表中列出了几种金属的截止频率和逸出功,下列判断正确的是( )
A.如用金属钨做实验,得到的Ekm-ν图线的斜率比图中直线的斜率大B.如用金属钨做实验,得到的Ekm-ν图线的斜率比图中直线的斜率小C.如用金属钠做实验,得到的Ekm-ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2>Ek1D.如用金属钠做实验,得到的Ekm-ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2
变式训练2(2020陕西期末)用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应,得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示。则关于这两种光的波长,下列说法正确的是( )A.a光的波长较长B.b光的波长较长C.两种光的波长一样长D.无法确定解析根据光电效应方程 mv2=hν-W0,由题图可得b光照射光电管时反向遏止电压大,使其逸出的光电子最大初动能大,所以b的频率大,则a的频率小,那么a的波长长,故A正确,B、C、D错误。答案A
康普顿效应和光子的动量情境探究太阳光从小孔射入室内时,我们从侧面可以看到这束光;白天的天空各处都是亮的;宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目,其他方向的天空却是黑的,为什么?要点提示在地球上存在着大气,太阳光经微粒散射后传向各个方向,而在太空中的真空环境下光不能散射只向前传播。
知识归纳1.光子说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个不可分割的能量子组成,每个能量子称为光子。
2.光子说的验证(1)密立根通过测量遏止电压Uc与入射光频率ν,从而计算普朗克常量h,利用实验直接说明光子说的正确性。(2)解释康普顿效应①经典物理的理论无法解释康普顿效应按照经典物理的理论,由于光是电磁振动的传播,入射光将引起物质内部带电粒子的受迫振动,振动着的带电粒子从入射光吸收能量,并向四周辐射,这就是散射光。散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率,也就是入射光的频率。因而散射光的波长与入射光的波长应该相同,不应出现λ>λ0的散射光。
②利用光子的动量解释康普顿效应在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子的动量变小。由光子动量 知,p变小,则光的波长变长。
例3 康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰后光子( )A.可能沿1方向,且波长变短B.可能沿2方向,且波长变短C.可能沿1方向,且波长变长D.可能沿3方向,且波长变长解析因光子与电子碰撞过程动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,可见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,光子将一部分动量转移给电子,光子的动量减小,由 知,波长变长,故C项正确。答案C
规律总结对康普顿效应的三点认识(1)光电效应主要用于电子吸收光子的问题;而康普顿效应主要用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。(2)假定X射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长。(3)康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。
变式训练3科学研究证明,光子有能量也有动量,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为λ,碰撞后的波长为λ',则碰撞过程中( )A.能量守恒,动量守恒,且λ=λ'B.能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ'C.能量守恒,动量守恒,且λ<λ'D.能量守恒,动量守恒,且λ>λ'解析光子与电子碰撞过程中,能量守恒,动量也守恒,因光子撞击电子的过程中光子将一部分能量传递给电子,光子的能量减少,由 可知,光子的波长增大,即λ'>λ,故C正确。答案C
1.(多选)下列对光子的认识,正确的是( )A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的微粒B.光子说中的光子就是光电效应的光电子C.在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子D.光子的能量跟光的频率成正比解析根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子。而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒。光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确。由E=hν知,光子能量E与其频率ν成正比,故D选项正确。答案CD
2.(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应,以下说法正确的是( )A.康普顿效应说明光子具有动量B.康普顿效应现象说明光具有波动性C.康普顿效应现象说明光具有粒子性D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加解析康普顿效应说明光具有粒子性,B项错误,A、C项正确;光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能量转移给电子,光子的能量会减少,D项错误。答案AC
3.(多选)如图所示的装置用来研究光电效应现象,当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA,改变滑动变阻器触头c的位置,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,则( )A.光电管阴极的逸出功为1.8 eVB.开关S断开后,没有电流流过电流表GC.改用光子能量为1.5 eV的光照射,电流表G也有电流,但电流较小D.光电子的最大初动能为0.7 eV
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