《2017-2018學年高中物理 第四章 波粒二象性 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應與光的量子說教學案 教科版選修3-5》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2017-2018學年高中物理 第四章 波粒二象性 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應與光的量子說教學案 教科版選修3-5（10頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 第1、2節(jié) 量子概念的誕生 光電效應與光的量子說 (對應學生用書頁碼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，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．黑體輻射的實驗圖線 (1)圖線如圖4-1-1所示。 圖4-1-1 (2)兩類公式： ①維恩公式：短波部分與實驗相符。 ②瑞利公式：長波部分與實驗相符。 二、普朗克提出的能量子概念 1．量子化假設 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 1．光電效應 在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應，發(fā)射出來的電子叫做光電子。 實質：光現(xiàn)象轉化為電現(xiàn)象。 2．實驗規(guī)律 實驗規(guī)律之一：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓增大，光電流趨于一個飽和值，也就是說，在電流較小時，電流隨著電壓的增大而增大；但當電流增大到一定值之后，即使電壓再增大，電流也不會增大了。(如圖4-1-2所示) 圖4-1-2 實驗規(guī)律之二：對光電管加反向電壓，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生光電效應，遏止電壓是不同的。 實驗規(guī)律之三：使金屬恰好產生光電效應的光的頻率稱為截止頻率或極限頻率，當入射光的頻率大于截止頻率時，無論入射光怎樣微弱，立刻就能產生光電效應。 [提別提醒] (1)光電效應中的光可以是不可見光。 (2)光電效應的實質：光現(xiàn)象轉化為電現(xiàn)象。 三、光電效應方程 1．光子說 光不僅具有波動性，還有粒子性，愛因斯坦把能量子概念推廣到光電效應中，提出光量子概念，簡稱光子。 2．光電效應方程 (1)表達式：hν＝mv2＋W。 (2)物理意義：金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是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能。 [特別提醒] (1)光的波動說無法解釋光電效應現(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。 (對應學生用書頁碼P54) 對光子能量與光強的理解 光子能量是指一個光子具有的能量，在數(shù)值上光子能量E＝hν。 光強是指在垂直于光的傳播方向上，每平方米面積1 s內獲得的能量，它等于在垂直光傳播方向上每平方米面積1 s內通過的所有光子的能量和。 光子能量大并不意味著光強大，同樣光強大也不等于光子能量大。當入射光頻率一定時，光強才與光子數(shù)成正比。光強一定時，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，當激光器的輸出功率為1 mW時，每秒發(fā)出的能量子數(shù)為(　　) A．2.2×1015個　　　　　B．3.2×1015個 C．2.2×1014個 D．3.2×1014個 解析：選B　一個能量子ε＝hν＝h 激光器功率為1 mW時，每秒發(fā)出的光子數(shù)為： n＝＝個 ≈3.2×1015個。 對光電效應現(xiàn)象的理解 1.任何一種金屬都有一個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。 2．光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大。 3

6、．光電效應的發(fā)生是瞬時的，不超過10－9 s。 4．發(fā)生光電效應時，入射光越強，飽和光電流越大，逸出的光電子數(shù)越多，逸出電子的數(shù)目與入射光的強度成正比。 解釋光電效應時，應從以下兩點進行把握： (1)照射光頻率決定著是否發(fā)生光電效應以及光電子的最大初動能； (2)能夠發(fā)生光電效應的前提下，照射光強度決定著單位時間內發(fā)射出來的光電子數(shù)。 2．光電效應實驗中，下列表述正確的是(　　) A．光照時間越長光電流越大 B．入射光足夠強就可以有光電流 C．遏止電壓與入射光的頻率有關 D．入射光頻率大于極限頻率才能產生光電子 解析：選CD　要產生光電效應入射光的頻率必須大于一個最

7、小頻率，即極限頻率，當入射光的頻率小于極限頻率時，不管光的強度多大都不會產生光電效應，與光照時間無關，故D正確，A、B錯誤；對同一種金屬，入射光的頻率越大，光電子的最大初動能越大，遏止電壓越大，C正確。 光電效應方程的理解和應用 1.光電效應方程中的能量守恒 當光照射到金屬表面上時，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它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時的動能。如果克服引力做功最少為W，離開金屬表面時的最大動能為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知E＝W＋Ek，即Ek＝E－W，同時有E＝hν，故可得出愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W。如果照射光頻率等于

8、金屬截止頻率，此時Ek＝0。 圖4-1-3 2．光電效應曲線 如圖4-1-3所示是光電子最大初動能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值；斜率為普朗克常量。從曲線可以看出，最大初動能隨ν的增大而增大，但不成正比例。 (1)應用光電效應方程時應注意結合能量守恒定律，有助于理解光電效應的規(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的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關系

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________。(填選項前的字母)(　　) 圖4-1-4 A．逸出功與ν有關 B．Ekm與入射光強度成正比 C．當ν<ν0時，會逸出光電子 D．圖中直線的斜率與普朗克常量有關 解析：選D　金屬的逸出功與入射光無關，A錯；光電子的最大初動能與入射光強度無關，B錯；當入射光的頻率小于極限頻率，不能發(fā)生光電效應現(xiàn)象，C錯；據(jù)光電效應方程可知圖像的斜率與普朗克常量有關，D對。 (對應學生用書頁碼P54) 光子說與光電效應現(xiàn)象 [例1]　(廣東高考)在光電效應實驗中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應。下

10、列說法正確的是(　　) A．增大入射光強度，光電流增大 B．減小入射光的強度，光電效應現(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 D．改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動能變大 [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，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，仍有可能發(fā)生光電效應，選項C錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0可知，增加照射光頻率，光電子最大初動能也增大，故選項D正確；增大入射光強度，單位時間內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A正確；光電效應是否產生于照射光頻率有關而與照射光強度無

11、關，故選項B錯誤。 [答案]　AD (1)光電效應方程研究的是最大初動能與入射光頻率之間的關系，要注意區(qū)別光電子的動能和最大初動能。 (2)發(fā)生光電效應的條件是入射光的頻率大于金屬的截止頻率，與入射光的強度無關。 光電效應方程的應用 [例2]　 (1)研究光電效應的電路如圖4-1-5所示。用頻率相同、強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，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) (對應學生用書頁碼P55) 1．對于帶電微粒的輻射和吸收能量時的特點，以下說法正確的是(　　) A．以某一個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、吸收要一份份地進行，故A、B、D正確。 2．在演示光電效應的實驗中，原來不帶電的鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖4-1-7所示，這時(　　) 圖4-1-7 A．鋅板帶正電，指針帶負電 B．鋅板帶正電，指針帶正電 C．鋅板帶負電，指針帶正電 D．鋅板帶負電，指針帶負電 解析：選B　弧光燈照射鋅板，將產生光電效應，即鋅板逸出電子，鋅板因失掉電子而帶正電，與之相連

14、的驗電器也帶正電。 3．在光電效應的四條規(guī)律中，波動說不能解釋的有(　　) A．入射光的頻率必須大于被照金屬的截止頻率才能產生光電效應 B．光電子的最大初動能與入射光強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大 C．入射光照射到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10－9 s D．當入射光頻率大于截止頻率時，光電流強度與入射光強度成正比 解析：選ABC　按照經典的光的波動理論，光的能量隨光的強度的增大而增大，與光的頻率無關，金屬中的電子必須吸收足夠的能量后，才能從金屬中逸出，電子有一個能量積蓄的時間，光的強度越大，單位時間內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，故應選A、B、C。 4．硅光電池是利用光電效應將光輻射的能量轉化為電能。若有N個頻率為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，一個光子能量為ε＝hν，N個光子能量為Nhν，故C正確。 5．在光電效應實驗中，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能取決于入射光的(　　) A．頻率　　　　　　　　　　 B．強度 C．照射時間 D．光子數(shù)目 解析：選A　根據(jù)愛因斯坦光電效應方程

16、Ek＝hν－W0可知，當金屬的極限頻率確定時，光電子的最大初動能取決于入射光的頻率，與光照強度、照射時間、光子數(shù)目無關，選項A對，B、C、D錯。 6．(北京高考)“約瑟夫森結”由超導體和絕緣體制成。若在結兩端加恒定電壓U，則它會輻射頻率為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。你可能不了解此現(xiàn)象的機理，但仍可運用物理學中常用的方法，在下列選項中，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，即列出相關等式qU＝hν，進而比較ν＝kU，

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

18、0，選項B正確。根據(jù)圖線的物理意義，有W＝E，故選項A正確，而選項C、D錯誤。 8.在光電效應實驗中，飛飛同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關系曲線(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．乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率 D．甲光對應的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能 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，即丙光的強度最小。由題圖說明丙光對應的光電子的初動能最大，即丙光的頻率最高(波長最小)，B項正

19、確，D項錯誤；甲光和乙光的頻率相同，A項錯誤。由于是同一光電管，所以乙光、丙光截止頻率是一樣的，C項錯誤。 9．在光電效應試驗中，某金屬的截止頻率相應的波長為λ0，該金屬的逸出功為________。若用波長為λ(λ<λ0)的單色光做實驗，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，當遏止電壓取某個值時，光電流便被截止。當光的波長改變?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方程，光電子的初動能Ek＝hν－W，設遏止電壓為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用截止頻率對應光波波長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，調整兩個極板間的電壓，當A板電壓比陰極高出2.5 V時，光電流達到飽和，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的最大初動能。 (2)如果把照射陰極的綠光的光強增大為原來的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能。 解析：(1)光電流達到飽和時，陰極發(fā)射的光電子全部到達陽極A，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子的個數(shù) n＝＝個＝4.0×1012個 根據(jù)愛因斯坦光電效應方程，光電子的最大初動能： 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，光強加倍，根據(jù)光電效應實驗規(guī)律，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子數(shù)為： n′＝2n＝8.0×1012個 光電子的最大初動能仍然是 mv＝9.6×10－20 J。 答案：(1)4.0×1012個　9.6×10－20 J (2)8.0×1012個　9.6×10－20 J 10