（江苏专用）2020版高考物理总复习 第十一章 动量守恒定律 第2讲 光电效应 波粒二象性教案（选修

第2讲光电效应波粒二象性知识排查黑体和黑体辐射普朗克能量子假说1.黑体与黑体辐射(1)黑体：是指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。(2)黑体辐射的实验规律①一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。a.随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加。b.随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。2.能量子(1)定义：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的整数倍。即能量的辐射或者吸收只能是一份一份的。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。(2)能量子的大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.63×10－34J·s。光电效应1.定义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.研究光电效应的电路图(如图1)：图1其中A是阳极。K是阴极。4.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。低于这个频率的光不能产生光电效应。(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10－9s。(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。爱因斯坦光电效应方程1.光子说在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34J·s。(称为普朗克常量)2.逸出功W0使电子脱离某种金属所做功的最小值。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后所具有的动能的最大值。4.遏止电压与截止频率(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc。(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。5.爱因斯坦光电效应方程(1)表达式：Ek＝hν－W0。(2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，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光电子的最大初动能Ek＝12mev2。光的波粒二象性与物质波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种波与它对应，其波长λ＝hp，p为运动物体的动量，h为普朗克常量。小题速练1.思考判断(1)光子和光电子都是实物粒子。()(2)只要入射光的强度足够强，就可以使金属发生光电效应。()(3)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于金属的逸出功。()(4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。()(5)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。()(6)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律。()(7)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性。()答案(1)×(2)×(3)√(4)×(5)√(6)×(7)√2.[人教版选修3－5·P36第2题改编](多选)在光电效应实验中，用频率为ν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ν的光照射，一定不发生光电效应D.改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大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，则光电流将增大，故选项A正确；光电效应是否发生取决于入射光的频率，而与入射光强度无关，故选项B错误；用频率为ν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，若光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，选项C错误；根据hν－W逸＝12mv2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正确。答案AD3.下列说法正确的是()A.实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性B.康普顿效应说明光子既有能量又有动量C.光是高速运动的微观粒子，单个光子不具有波粒二象性D.宏观物体的物质波波长非常小，极易观察到它的波动解析由德布罗意理论知，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，但仍具有波粒二象性，选项A、D错误；康普顿效应说明光子除了具有能量之外还有动量，选项B正确；波粒二象性是光子的特性，单个光子也具有波粒二象性，选项C错误。答案B4.有关光的本性的说法正确的是()A.有关光的本性，牛顿提出了“粒子性”，惠更斯提出了“波动性”，爱因斯坦提出了“光子说”，它们都圆满地说明了光的本性B.光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念的波，也可以看成微观概念上的粒子C.光的干涉、衍射说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性D.在光双缝干涉实验中，光通过双缝时显示出波动性，如果光只通过一个缝时显示出粒子性解析爱因斯坦的光子说与惠更斯的波动说揭示了光具有波粒二象性；牛顿的“微粒说”认为光是一种实物粒子，不能解释光的本性，故A项错误；光既具有波动性又具有粒子性，故具有波粒二象性，但光的粒子性不同于宏观的粒子，其波动性也不同于宏观概念的波，故B项错误；光的干涉、衍射、色散说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性，故C项正确；在光双缝干涉实验中，光通过双缝时显示出波动性，如果光只通过一个缝时也显示出波动性，故D项错误。答案C5.(2018·全国卷Ⅱ，17)用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J。已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×108m·s－1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A.1×1014HzB.8×1014HzC.2×1015HzD.8×1015Hz解析根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0＝hcλ－hν0，代入数据解得ν0≈8×1014Hz，B正确。答案B光电效应现象和光电效应方程的应用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3.定量分析时应抓住三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。(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：W0＝hν0。【例1】(2019·南京调研)如图2所示，把一块不带电的锌板连接在验电器上。当用紫外线照射锌板时，发现验电器指针偏转一定角度，则()图2A.锌板带正电，验电器带负电B.若改用强度更小的紫外线照射锌板，验电器的指针也会偏转C.若改用红外线照射锌板，验电器的指针仍然会发生偏转D.这个现象可以说明光具有波动性解析用紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，则验电器的金属球和金属指针带正电，故A项错误；根据光电效应的条件可知发生光电效应与光的强度无关，若改用强度更小的紫外线照射锌板，验电器的指针也会偏转，故B项正确；根据光电效应的条件可知若改用红外线照射锌板，不一定能发生光电效应，所以验电器的指针不一定会发生偏转，故C项错误；光电效应说明光具有粒子性，故D项错误。答案B【例2】(2018·南通市高三第三次调研)一光电管的阴极K用截止频率为ν的金属铯制成，光电管阳极A和阴极K之间的正向电压为U。用波长为λ的单色光射向阴极，产生了光电流。已知普朗克常量为h，电子电荷量为e，真空中的光速为c。求：图3(1)金属铯的逸出功W；(2)光电子到达阳极的最大动能Ek。解析(1)W＝hν(2)根据光电效应的方程得Ek0＝hcλ－W由动能定理得eU＝Ek－Ek0解得Ek＝eU＋hcλ－hν。答案(1)hν(2)eU＋hcλ－hν光电效应的四类图象分析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ν的关系图线①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系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颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：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)【例3】(多选)图4甲是光电效应的实验装置图，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图象，下列说法正确的是()图4A.由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大B.由图线①、②、③可知对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定C.只要增大电压，光电流就会一直增大D.不论哪种颜色的入射光，只要光足够强，就能发生光电效应解析由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，故选项A正确；根据光电效应方程知，Ekm＝hν－W0＝eUc，可知入射光频率越大，最大初动能越大，遏止电压越大，可知对于确定的金属，遏止电压只与入射光的频率有关，故选项B正确；增大电压，当电压增大到一定值，光电流达到饱和电流，不再增大，故选项C错误；发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，与入射光的强度无关，故选项D错误。答案AB【例4】(2019·南通期末)(多选)某金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图象如图5所示。则由图象可知()图5A.该金属的逸出功等于hν0B.遏止电压是确定的，与入射光的频率无关C.入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为hν0D.入射光的频率为3ν0时，产生的光电子的最大初动能为hν0解析当遏止电压为零时，最大初动能为零，则入射光的能量等于逸出功，所以W0＝hν0，故选项A正确；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0和－eUc＝0－Ekm得，Uc＝heν－W0e，可知当入射光的频率大于极限频率时，遏止电压与入射光的频率成线性关系，故选项B错误；从图象上可知，逸出功W0＝hν0。根据光电效应方程Ekm＝h·2ν0－W0＝hν0，故选项C正确；Ekm＝h·3ν0－W0＝2hν0，故选项D错误。答案AC对光的波粒二象性、物质波的理解光既具有粒子性，又具有波动性，对波粒二象性的理解项目内容说明光的粒子性(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子性(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性粒子的含义是“不连续的”、“一份一份的”，光的粒子即光子光的波动性(1)大量光子在传播时，表现出波动的性质(2)光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的，光的波动性不同于宏观概念的波波和粒子的对立与统一宏观世界：波和粒子是相互对立的概念微观世界：波和粒子是统一的。光子说并未否定波动性，光子能量E＝hν＝hcλ，其中，ν和λ就是描述波的两个物理量【例5】[2017·江苏单科，12C(2)]质子(11H)和α粒子(42He)被加速到相同动能时，质子的动量________(选填“大于”、“小于”或“等于”)α粒子的动量，质子和α粒子的德布罗意波波长之比为________。解析由动量与动能的关系p＝2mEk。知pH＜pα。且pα＝2pH。由λ＝hp知，λH∶λα＝pα∶pH＝2∶1。答案小于2∶1【例6】[2018·苏锡常镇四市高三教学情况调研(二)]我国自行研制的一种大型激光器，能发出频率为ν、功率为P的高纯度和高亮