江苏专用2020版高考物理新增分大一轮复习第十一章动量近代物理第3讲光电效应波粒二象性讲义含解析.pdf
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1、第 3 讲 光电效应 波粒二象性第 3 讲 光电效应 波粒二象性 一、普朗克能量子假说 黑体与黑体辐射 1.黑体与黑体辐射 (1)黑体 : 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就是 绝对黑体. (2)黑体辐射:辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,如图 1 所示. 图 1 2.普朗克能量子假说 当带电微粒辐射或吸收能量时,是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,这个最小 能量值叫做能量子.h. 二、光电效应及其规律 1.光电效应现象 在光的照射下,金属中的电子从表面逸出的现象,发射出来的电子叫光电子. 2.光电效应的产生条件 入射光的频率大于等于金
2、属的极限频率. 3.光电效应规律 (1)每种金属都有一个极限频率, 入射光的频率必须大于等于这个极限频率才能产生光电效应. (2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光频率的增大而增大. (3)光电效应的发生几乎是瞬时的,一般不超过 109s. (4)当入射光的频率大于等于极限频率时,饱和光电流的大小与入射光的强度成正比. 4.爱因斯坦光电效应方程 (1)光子说 : 光的能量不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量 h. (2)逸出功W0:电子从金属中逸出所需做功的最小值. (3)最大初动能 : 发生光电效应时,金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所 具
3、有的动能的最大值. (4)光电效应方程 表达式:hEkW0或EkhW0. 物理意义:金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是h,这些能量的一部分用来克服 金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek. 自测 1 (多选)如图 2 所示,用导线把验电器与锌板相连接,当用紫外线照射锌板时,发生 的现象是( ) 图 2 A.有光子从锌板逸出 B.有电子从锌板逸出 C.验电器指针张开一个角度 D.锌板带负电 答案 BC 三、光的波粒二象性 物质波 1.光的波粒二象性 (1)波动性:光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性. (2)粒子性:光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性. (3)光既具有
4、波动性,又具有粒子性,称为光的波粒二象性. 2.物质波 (1)概率波 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到达概率大的地方,暗 条纹是光子到达概率小的地方,因此光波又叫概率波. (2)物质波 任何一个运动着的物体,小到微观粒子,大到宏观物体,都有一种波与它对应,其波长 ,p为运动物体的动量,h为普朗克常量. h p 自测 2 有关光的本性,下列说法正确的是( ) A.光既具有波动性,又具有粒子性,两种性质是不相容的 B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点 C.大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性 D.由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种性质
5、去说明光的一切行为,只能 认为光具有波粒二象性 答案 D 命题点一 光电效应的实验规律命题点一 光电效应的实验规律 1.对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. 2.光电效应的研究思路 (1)两条线索: (2)两条对应关系: 光强大光子数目多发射光电子多光电流大 光子频率高光子能量大光电子的最大初动能大 例 1 (多选)在光电效应实验中,用频率为的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下 列说法正确的是( ) A.增大
6、入射光的强度,光电流增大 B.减小入射光的强度,光电效应现象消失 C.改用频率小于的光照射,一定不发生光电效应 D.改用频率大于的光照射,光电子的最大初动能变大 答案 AD 解析 增大入射光强度,单位时间内照射到单位面积上的光子数增加,则单位时间内逸出的 光电子数增加,则光电流增大,故选项 A 正确;光电效应是否发生取决于入射光的频率,而 与入射光的强度无关,故选项 B 错误 ; 用频率为的光照射光电管阴极,发生光电效应,用 频率较小的光照射时, 若光的频率仍大于等于极限频率, 则仍会发生光电效应, 故选项 C 错误 ; 根据hW0Ek可知,增大入射光频率,光电子的最大初动能也增大,故选项 D
7、 正确. 变式 1 (多选)(2017苏锡常镇四市调研)图 3 是研究光电效应的实验装置,用一定频率的 光照射阴极 K,当滑片P处于图示位置时,电流表的示数不为零.为使电流表示数减小,下列 办法可行的是( ) 图 3 A.将滑片P向右移动B.减小入射光的强度 C.换用电动势更大的电源D.将电源的正、负极对调 答案 BD 命题点二 光电效应方程的理解与应用命题点二 光电效应方程的理解与应用 三个关系 1.爱因斯坦光电效应方程EkhW0. 2.光电子的最大初动能Ek可以利用光电管用实验的方法测得, 即EkeUc, 其中Uc是遏止电压. 3.光电效应方程中的W0为逸出功,它与极限频率c的关系是W0h
8、c. 例 2 (2018江苏单科12C(2)光电效应实验中,用波长为0的单色光A照射某金属板 时,刚好有光电子从金属表面逸出.当波长为的单色光B照射该金属板时,光电子的最大 0 2 初动能为,A、B两种光子的动量之比为.(已知普朗克常量为h,光速为c) 答案 12 hc 0 解析 根据光电效应方程EkhW0, 又, 所以有 0W0,EkW0, 解得Ek c hc 0 2hc 0 ,又光子动量p,所以A、B两种光子的动量之比为 12. hc 0 h 变式 2 (2018南京市三模)如图 4 所示,当开关 K 断开时,用光子能量为 2.8eV 的一束光 照射阴极P, 发现电流表读数不为零.合上开关
9、, 调节滑动变阻器, 发现当电压表读数小于 0.70V 时,电流表读数仍不为零 ; 当电压表读数大于或等于 0.70V 时,电流表读数为零.由此可知阴 极材料的逸出功为 eV; 若将照射到阴极 P 上的该光的照射强度变为原来的 2 倍,则遏止电压 为 V. 图 4 答案 2.1 0.70 命题点三 光电效应的图象问题命题点三 光电效应的图象问题 四类图象 图象名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量 最大初动能Ek与入射光 频率的关系图线 极限频率:图线与轴交点的 横坐标c 逸出功:图线与Ek轴交点的纵 坐标的绝对值,W0|E|E 普朗克常量:图线的斜率kh 颜色相同、强度不同的 光,光电流
10、与电压的关系 遏止电压Uc: 图线与横轴交点的 横坐标 饱和光电流Im1、Im2:电流的最 大值 最大初动能:EkmeUc 颜色不同时,光电流与电 压的关系 遏止电压Uc1、Uc2 饱和光电流 最大初动能Ek1eUc1,Ek2eUc2 遏止电压Uc与入射光频 率的关系图线 截止频率c:图线与横轴交点 的横坐标 遏止电压Uc: 随入射光频率的增 大而增大 普朗克常量h:等于图线的斜率 与电子电荷量的乘积,即h ke.(注:此时两极之间接反向电 压) 例3 (2018南通市、 泰州市一模)利用如图5甲所示电路研究光电效应中金属的遏止电压Uc 与入射光频率的关系,描绘出图乙中的图象,由此算出普朗克常
11、量h.图乙中U1、1、0 均已知,电子电荷量用e表示.当入射光的频率增大时,为了测定遏止电压,滑动变阻器的滑 片P应向(选填 “M” 或 “N” )端移动, 由Uc图象可求得普朗克常量h(用题中字母表示). 图 5 答案 N eU1 10 变式 3 (2018盐城市三模)光照射某金属产生光电效应时,实验测得光电子最大初动能与 照射光频率的图象如图 6 所示,其中图线与横轴交点的横坐标为 5.51014Hz.用一束波长范 围为 4.01079.0107m 的可见光照射该金属时,则光电子的最大初动能 J.(已知普朗 克常量为h6.61034Js) 图 6 答案 1.321019J 解析 由题知,
12、该金属的极限频率05.51014 Hz, 又c, 则Ekmhh0h c h01.321019 J 命题点四 光的波粒二象性 物质波命题点四 光的波粒二象性 物质波 光既有波动性,又有粒子性,两者不是孤立的,而是有机的统一体,其表现规律为: (1)从数量上看:个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波 动性. (2)从频率上看:频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性 越显著,贯穿本领越强,越不容易看到光的干涉和衍射现象. (3)从传播与作用上看:光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现为 粒子性. (4)波动性与粒子性的统一
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