2019-2020学年高中物理 第二章 波粒二象性 第二节 光子课件 粤教版选修3-5

第二节光子第二章波粒二象性第二章波粒二象性1.知道普朗克提出的能量量子的假说．2．理解爱因斯坦的光子说及光电效应的解释，了解光电效应方程，并会用来解决简单问题．一、能量量子假说1．能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是________的，只能是hν的整数倍，hν称为一个__________，其中ν是辐射频率，h是一个常量，称为普朗克常量．实验测得h＝______________________________．2．意义：由这个假说出发，可以解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象．3．量子化：微观世界里，物理量的取值很多时候是________的，只能取一些______的值，这种物理量分立取值的现象称为量子化现象．不连续能量量子6.63×10－34J·s不连续分立1．如何解释测量一杯水的温度时温度计的示数连续变化而不是一份一份的？提示：每一份能量量子很小(微观量)，温度计示数变化1℃对应变化的能量很大(宏观量)，由于温度计的精度不够，所以观察到的温度计温度不是一份一份地变化的．二、光子假说光的能量不是连续的，而是__________的，每一份叫做一个______．光子的能量ε与频率ν成正比，即ε＝______，式中h为普朗克常量．一份一份光子hν三、光电效应方程1．逸出功由于离子的束缚，金属内部的电子只有吸收一定的能量，才能从金属内部逸出成为________．也就是说，必须对内部电子做功，电子才能脱离离子的束缚而逸出表面，这个功称为金属的逸出功，用符号W0表示．2．光电效应方程根据能量守恒定律，入射光子的能量等于出射光电子的__________与逸出功之和．其表达式为：hν＝____________．光电子最大初动能12mv2max＋W02．同一频率的光照射不同金属发生光电效应时，光电子的初动能是否相同？提示：由于不同金属的逸出功不同，由光电效应方程知，发生光电效应时，逸出的光电子初动能也就相应的不同了．四、光电效应的解释1．光电效应的条件：________．2．遏止电压与光电子的最大初动能的关系：_______________．ν≥W0heU0＝12mv2max3．金属中的电子怎样才能摆脱原子核的吸引而逃逸出原子？提示：只有电子吸收了足够的能量后才能摆脱原子核的吸引而逃逸出原子．区分光电效应中的五组概念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，光子是光电效应的因，光电子是果．2．光电子的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与入射光子数的乘积．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．(1)光电效应的实质是光现象转化为电现象．(2)发生光电效应时，饱和光电流与入射光的强度有关，要明确不同频率的光、不同金属与光电流的对应关系．用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应．在这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是________，可能相同的是________，一定不相同的是________．A．光子的能量B．金属的逸出功C．光电子初动能D．光电子最大初动能[解析]光子的能量由频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同．逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功，因此只由材料决定，锌片和银片的光电效应中，光电子的逸出功一定不相同．由Ekm＝hν－W，照射光子能量hν相同，逸出功W不同，则电子最大初动能不同．由于光电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的初动能分布在零到最大初动能之间．所以，在两个不同光电效应的光电子中，有时初动能是可能相等的．[答案]ACBD对光电效应方程的理解1．光电效应方程Ek＝hν－W0的理解(1)式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值．(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程．能量为ε＝hν的光子被电子所吸收，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.(3)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，ν＞W0h＝ν0，而ν0＝W0h恰好是光电效应的极限频率．2．光子说对光电效应的解释(1)饱和光电流与光强关系：光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和光电流越大．所以，入射光频率一定时，饱和光电流与光强成正比．(2)存在极限频率和遏止电压：爱因斯坦光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率成线性关系，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关．光电效应方程同时表明，只有hν＞W0时，才有光电子逸出，ν0＝W0h就是光电效应的极限频率．(3)光电效应具有瞬时性：电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应几乎是瞬时发生的．(1)逸出功和极限频率均由金属本身决定，与其他因素无关．(2)光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系．铝的逸出功为4.2eV，现用波长为200nm的光照射铝的表面．已知h＝6.63×10－34J·s，求：(1)光电子的最大初动能；(2)遏止电压；(3)铝的极限频率．[解析](1)根据光电效应方程Ek＝hν－W0有Ek＝hcλ－W0＝6.63×10－34×3.0×108200×10－9J－4.2×1.6×10－19J＝3.225×10－19J.(2)由Ek＝eUc可得Uc＝Eke＝3.225×10－191.6×10－19V≈2.016V.(3)由hνc＝W0知νc＝W0h＝4.2×1.6×10－196.63×10－34Hz≈1.014×1015Hz.[答案](1)3.225×10－19J(2)2.016V(3)1.014×1015Hz已知金属铯的逸出功为1.9eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大初动能为1.0eV，入射光的波长应为多少？解析：由爱因斯坦光电效应方程得hν＝12mv2m＋W0＝1.0eV＋1.9eV＝2.9eV又ε＝hν，c＝λν所以λ＝hcε＝6.63×10－34×3×1082.9×1.6×10－19m≈4.3×10－7m.答案：4.3×10－7m对光电效应曲线的应用在光电效应实验中，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的截止频率D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能[解析]由于是同一光电管，因而不论对哪种光，极限频率和金属的逸出功相同，对于甲、乙两种光，遏止电压相同，因而频率相同，A项错误；丙光对应的遏止电压较大，因而丙光的频率较高，波长较短，对应的光电子的最大初动能较大，故C、D均错误，只有B项正确．[答案]B(1)Ekm－ν图象：方程Ekm＝hν－W0表明，光电子的最大初动能Ekm与入射光的频率ν存在线性关系(如图甲所示)，与光强无关．图中横轴上的截距是截止频率或极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量．解决图象问题，弄清截距及斜率的物理意义是关键．甲乙(2)I－U曲线：如图乙所示的是光电流强度I随光电管两极板间电压U的变化曲线，图中Im为饱和光电流，Uc为遏止电压．用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek－ν图象．已知钨的逸出功是3.28eV，锌的逸出功是3.34eV，若将两者的图象分别用实线与虚线画在同一个Ek－ν图上，则下图中正确的是()解析：选A.根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知Ek－ν图象的斜率为普朗克常量h，因此图中两线应平行，知C、D错误；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子动能为零)时的入射光频率即极限频率．由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的入射光的频率越高，所以能使金属锌发生光电效应的极限频率较高，所以A正确，B错误．