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高考物理总复习 选考部分 第3讲 光电效应波粒二象性课件 新人教版选修3-5


一、光电效应 1.产生条件 入射光的频率 大于 金属的极限频率.

2.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 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 10-9 s. (4)当入射光的频率大于极限频率

时,饱和光电流的强度与 入射光的强度成 正比 .

(1)对光电效应现象的三点说明 ①光电效应的实质是光现象转化为电现象. ②光电效应中的照射光包括可见光和不可见光. ③照射光的频率决定着是否发生光电效应及光电子的最大 初动能. (2)对光电子的理解 光电子是金属表面受光照射逸出的电子,光电子也是电子, 与光子不同,光子的本质是光.

二、光电效应方程 1.光子说 爱因斯坦提出: 空间传播的光不是连续的, 而是一份一份的, 每一份称为一个光子,光子具有的能量与光的频率成正比,即: E=hν,其中 h=6.63×10
-34

J· s.

2.爱因斯坦光电效应方程 Ek=hν-W0(Ek 是光电子的最大初动能;W0 是逸出功,即 从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功).

三、光的波粒二象性、物质波 1.光的波粒二象性 (1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有 波动 性. (2)光电效应说明光具有 粒子 性. (3)光既具有波动性, 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 h 种波与它对应,其波长 λ= p ,p 为运动物体的动量,h 为普 朗克常量.

1.光电效应中的“光”指的是可见光( 答案:× 2.光电子就是电子( 答案:√ )

)

3.入射光的强度相同,则入射光的频率一定相同( 答案:×

)

4.从金属表面逸出来的光电子的最大初动能越大,这种金 属的逸出功越小(
答案:× 5.入射光的频率越大,逸出功越大( 答案:× )

)

6.光电效应说明光具有粒子性,说明光的波动说是错误的 ( )

提示: 光电效应说明光具有粒子性, 但不能否定光的波动性, 光具有波粒二象性.
答案:×

7.当一束光照到金属上,发生光电效应的条件是光子的能 量大于金属的逸出功(
答案:√ 8.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比( )

)

提示:光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大, 但不是正比关系.
答案:×

考向一

光电效应规律的理解

1.光电效应规律的解释
电子从金属表面逸出,首先需克 存在 服金属原子核的引力做功 W0, 要 极限 使入射光子能量不小于 W0, 对应 频率 W0 的频率 νc= h ,即极限频率

光电子的最大 初动能随着入 射光频率的增 大而增大,与 入射光强度无 关

电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用 做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只 有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大 初动能,对于确定的金属,W0是一定的, 故光电子的最大初动能只随入射光的频率增 大而增大,一个电子只能吸收一个光子,故 光电子最大初动能与光照强度无关

光电效应具有 光照射金属时,电子吸收一个光子的能量 - 9 瞬时性(10 后,动能立即增大,不需要能量积累的过程 s)
光较强时饱和 光较强时光子数较多,照射金属时,产生的 电流大 光电子较多,因而饱和电流较大

2.用光电管研究光电效应 (1)常见电路

(2)光电流与饱和电流 ①入射光强度: 指单位时间内入射到金属表面单位面积上的 能量,可以理解为频率一定时,光强越大,光子数越多. ②光电流: 指光电子在电路中形成的电流. 光电流有最大值, 未达到最大值以前,其大小和光强、电压都有关,达到最大值以 后,光电流和光强度成正比. ③饱和电流:指在一定频率与强度的光照射下的最大光电 流,饱和电流不随电路中电压的增大而增大.

(3)两条分析线索 ①通过频率分析: 光子频率高→光子能量大→产生光电子的 最大初动能大. ②通过光的强度分析: 入射光强度大→光子数目多→产生的 光电子多→光电流大.

(4)常见概念辨析

(2013· 茂名五校协作体)用强度相同的红光和蓝 光分别照射同一种金属, 均能使该金属发生光电效应. 下列判断 正确的是( )

A.用红光照射时,该金属的逸出功小,用蓝光照射时该金 属的逸出功大 B.用红光照射时,该金属的截止频率低,用蓝光照射时该 金属的截止频率高

C.用红光照射时,逸出光电子所需时间长,用蓝光照射时 逸出光电子所需时间短 D.用红光照射时,逸出的光电子最大初动能小,用蓝光时 逸出的光电子最大初动能大

【解析】 金属的逸出功只与金属本身的结构有关, 因而逸 W 出功相同,金属的截止频率 ν= h 相同,逸出光电子所需时间相 等,选项 A、B、C 错误;由爱因斯坦光电效应方程 Ek=hν- W0 可知,频率高的光照射时,逸出的光电子最大初动能大;蓝 光的频率高于红光的频率, 用蓝光照射时逸出的光电子最大初动 能大,选项 D 正确.
【答案】 D

(2013· 海淀区期中)用光照射某种金属, 有光 电子从金属表面逸出,如果光的频率不变,而减弱光的强度,则 ( A.逸出的光电子数减少,光电子的最大初动能不变 B.逸出的光电子数减少,光电子的最大初动能减小 C.逸出的光电子数不变,光电子的最大初动能减小 D.光的强度减弱到某一数值,就没有光电子逸出了
答案:A

)

考向二

波粒二象性

1.粒子的波动性:实物粒子也具有波动性, ε h 满足如下关系:ν=h和 λ=p ,这种波称为德布罗意波,也叫物 质波.

2.光的波粒二象性 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)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)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, 越不容易看到光的干涉和 衍射现象,贯穿本领越强. (3)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.

关于物质的波粒二象性, 下列说法中不正确的是 ( 二象性 B.运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时, 都没有特定的运动轨道 C.波动性和粒子性,在宏观现象中是矛盾的、对立的,但 在微观高速运动的现象中是统一的 D.实物的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性 ) A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波粒

【尝试解答】 光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规 律, 大量光子运动的规律表现出光的波动性, 而单个光子的运动 表现出光的粒子性.光的波长越长,波动性越明显,光的频率越 高,粒子性越明显.而宏观物体的德布罗意波的波长太小,实际 很难观察到波动性,不是不具有波粒二象性.D 项正确.
【答案】 D

(2013· 安阳二模)如右图所示, 用单色光做双 缝干涉实验,P 处为亮条纹,Q 处为暗条纹.不改变单色光的频 率, 而调整光源使其极微弱, 并把单缝调至只能使光子一个一个 地过去,那么过去的某一光子( A.一定到达 P 处 C.可能到达 Q 处 )

B.一定到达 Q 处 D.都不正确

解析:单个光子的运动没有确定的轨道,只是落在 P 处的 概率大,落在 Q 处的概率小.因此,一个光子从狭缝通过后可 能落在 P 处也可能落在 Q 处,故 C 正确.
答案:C

物理思想方法——图象在光电效应问题中的应用 1.利用光电效应分析问题,应把握的三个关系 (1)爱因斯坦光电效应方程 Ek=hν-W0. (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 Ek=eUc,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 νc 的关系 是 W0=hνc.

2.与光电效应有关的图象分析

图象名称

图线形状

最大初动能 Ek与入射光 频率ν的关 系图线

由图线直接(间接) 得到的 物理量 ①极限频率:图线与ν轴交 点的横坐标ν0 ②逸出功:图线与Ek轴交 点的纵坐标的值W0=|-E| =E ③普朗克常量:图线的斜 率 k= h

图象名称 颜色相同、 强度不同的 光,光电流 与电压的关 系 颜色不同 时,光电流 与电压的关 系

图线形状

由图线直接(间接) 得到的 物理量 ①遏止电压Uc:图线与横 轴的交点 ②饱和光电流Im:电流的 最大值 ③最大初动能:Ekm=eUc ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和光电流 ③最大初动能Ek1=eUc1, Ek2=eUc2

图象名 称 遏止电 压Uc与 入射光 频率ν 的关系 图线

图线形状

由图线直接(间接) 得到的物 理量 ①截止频率ν0:图线与横轴 的交点 ②遏止电压Uc:随入射光频 率的增大而增大 ③普朗克常量h:等于图线 的斜率与电子电量的乘积, 即h=ke.(注:此时两极之间 接反向电压)

(2013· 浙江高考自选)小明用金属铷为阴极的光 电管,观测光电效应现象,实验装置示意如图甲所示.已知普朗 克常量 h=6.63×10-34 J· s.

(1)图甲中电极 A 为光电管的________(填“阴极”或“阳 极”); (2)实验中测得铷的遏止电压 Uc 与入射光频率 ν 之间的关系 如图乙所示,则铷的截止频率 νc=________Hz,逸出功 W0= ________J; (3)如果实验中入射光的频率 ν=7.00×1014 Hz,则产生的光 电子的最大初动能 Ek=________J.

【思维启迪】

(1)由最大初动能 Ek 与 ν 关系和最大初

动能 Ek 与遏止电压 Uc 的关系推出 Uc 与 ν 的关系式. (2)明确 Uc-ν 图线与横轴交点的物理意义.

【尝试解答】

(1)由光电管结构知,A 为阳极.

(2)根据爱因斯坦光电效应方程得: Ek=hν-W0① 由动能定理得: Uce=Ek② W0=hνc③ h h ①②③联立得:Uc= e ν- e ν0④

由④知图线截距表示截止频率 νc, 故 νc=(5.12~5.18)×1014 Hz W0=hν0=(3.39~3.43)×10
-19

J

(3)Ek=hν-W0=(1.21~1.25)×10-19 J
【答案】 3.43)×10-19 (1) 阳 极 (2)(5.12 ~ 5.18)×1014 (3.39 ~

(3)(1.21~1.25)×10-19

在光电效应实验中, 飞飞同学用同一光电管 在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线 (甲 光、乙光、丙光),如下图所示.则可判断出( A.甲光的频率大于乙光的频率 B.乙光的波长大于丙光的波长 C.乙光对应的截止频率大于丙光对应的截止频率 D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最 大初动能 )

解析:由图象知,甲、乙光对应的遏止电压相等,由 eUc =Ek 和 hν=W0+Ek 得甲、乙光频率相等,A 错误;丙光的频率 大于乙光的频率, 则丙光的波长小于乙光的波长, B 正确; 由 hνc =W0 得甲、乙、丙光对应的截止频率相同,C 错误;由光电效 应方程知, 甲光对应的光电子最大初动能小于丙光对应的光电子 最大初动能,D 错误.
答案:B

1.(2013· 常州模拟)从光的波粒二象性出发,下列说法正确 的是( )

A.光是高速运动的微观粒子,每个光子都具有波粒二象性 B.光的频率越高,光子的能量越小 C.在光的干涉现象中,暗条纹的地方是光子不会到达的地 方 D.在光的干涉现象中,亮条纹的地方是光子到达概率最大 的地方

解析:光具有波粒二象性,波动性是对大量光子来说的,单 个光子表现出粒子性.光的频率越高,光子的能量越大, A、B 错误; 在干涉条纹中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,C 错,D 正确.
答案:D

2.关于光电效应,下列说法正确的是( A.极限频率越大的金属材料逸出功越大

)

B.只要光照射的时间足够长,任何金属都能产生光电效应 C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大,这种金属 的逸出功越小 D.入射光的光强一定时,频率越高,单位时间内逸出的光 电子数就越多

解析:由 W=hν 可知 A 正确.照射光的频率大于极限频率 时才能发生光电效应,即 B 错;由 Ek=hν-W 可知 C 错;单位 时间内逸出的光电子数与频率无关, 取决于入射光的强度, 故D 错.
答案:A

3.(2013· 西安长安区质检)用频率为 ν1 的单色光照射某种金 属表面,发生了光电效应现象.现改为频率为 ν2 的另一单色光 照射该金属表面,下面说法正确的是( A.如果 ν2>ν1,能够发生光电效应 B.如果 ν2<ν1,不能够发生光电效应 C.如果 ν2>ν1,逸出光电子的最大初动能增大 D.如果 ν2>ν1,逸出光电子的最大初动能不受影响 )

解析: 对一定的金属, 入射光的频率必须大于或等于某一频 率 ν 时才会产生光电效应,频率 ν 称为截止频率,如果入射光的 频率低于截止频率 ν,则不论光强多大,照射时间多长,都不会 产生光电效应,不同的金属有不同的截止频率.所以当 ν2>ν1 时 能够发生光电效应,ν2<ν1 时不一定能够发生光电效应,A 正确, B 错误;又光电子的初动能随着入射光频率的增加而线性增加, 所以当 ν2>ν1 时逸出光电子的初动能增大,C 正确,D 错误.
答案:AC

4.(2013· 北京卷)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 为电子电荷量)( hν W A.U= e - e C.U=2hν-W ) 2hν W B.U= e - e 5hν W D.U= -e 2e

解析:用强激光照射金属,由于其光子密度极大,一个电子 在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.由题意知最大初动能 Ek=eU,根据光电效应方程有:nhν nhν-W =W+Ek=W+eU(n≥2), 得: U= (n≥2), 则 B 项正确, e 其他选项错误.
答案:B


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