2018-2019版物理新导学笔记人教通用版选修3-5讲义：第十七章 波粒二象性 章末总结

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精章末总结一、量子论、光子说、光子能量的计算1．量子论德国物理学家普朗克提出：电磁波的发射和吸收是不连续的，是一份一份的，每一份电磁波的能量ε＝hν。2．光子说爱因斯坦提出：空间传播的光也是不连续的，也是一份一份的,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ε＝hν，其中h为普朗克常量,h＝6。63×10－34J·s.3．光的频率与波长的关系：ν＝eq\f（c，λ）.例1激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光，红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲,现有一红宝石激光器，发射功率为1.0×1010W，所发射的每个光脉冲持续的时间Δt为1.0×10－11s，波长为793。4nm。问每个光脉冲的长度l是多少？其中含有的光子数n是多少?（普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3×108m/s)答案3×10－3m4×1017个解析光脉冲的长度是光在一个脉冲时间内传播的距离，设为l。则l＝cΔt＝3×108×1。0×10－11m＝3×10－3m。根据W＝PΔt可知每列光脉冲能量W＝PΔt＝1。0×1010×1.0×10－11J＝0.1J。而每个光子能量ε＝heq\f(c，λ）＝6.63×10－34×eq\f(3×108，793。4×10－9）J≈2.507×10－19J。故每个光脉冲含有光子数n＝eq\f(W,ε)＝eq\f（0。1，2.507×10－19）个≈4×1017个．二、光电效应的规律和光电效应方程1．理解光电效应的规律的四个角度（1）任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于等于这个截止频率才能发生光电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应．（2）发生光电效应时,光电子的最大初动能与入射光的强度无关，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，产生电流的时间不超过10－9s。（4）大于截止频率的光照射金属时，光电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少）与入射光强度成正比．2．爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0W0表示金属的逸出功，νc表示金属的截止频率，则W0＝hνc。例2如图1甲所示为研究光电效应的电路图．图1(1)对于某金属用紫外线照射时，电流表指针发生偏转．将滑动变阻器滑片向右移动的过程中，电流表的示数不可能________(选填“减小"或“增大”)．如果改用频率略低的紫光照射，电流表______（选填“一定”“可能”或“一定没”)有示数．(2）当用光子能量为5eV的光照射到光电管上时，测得电流表上的示数随电压变化的图象如图乙所示．则光电子的最大初动能为________J，金属的逸出功为______J.答案（1)减小可能(2）3。2×10－194。8×10－19解析（1)AK间所加的电压为正向电压，光电子在光电管中加速，滑动变阻器滑片向右移动的过程中，若光电流达到饱和，则电流表示数不变，若光电流没达到饱和电流，则电流表示数增大，所以滑动变阻器滑片向右移动的过程中，电流表的示数不可能减小,紫光照射不一定能发生光电效应，所以电流表可能有示数．（2）由题图乙可知,当该装置所加的电压为反向电压,当电压为－2V时，电流表示数为0,得光电子的最大初动能为2eV即3。2×10－19J，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0得W0＝3eV＝4.8×10－19J。爱因斯坦光电效应方程的应用技巧爱因斯坦光电效应方程表达式为Ek＝hν－W0,其中Ek＝eq\f（1，2)mvm2是最大初动能，W0为金属的逸出功．根据公式得到常见物理量的求解：（1)最大初动能：eq\f(1，2)mvm2＝hν－W0（2)遏止电压：eUc＝Ek⇒Uc＝eq\f(Ek，e)（3）截止频率:νc＝eq\f(W0,h）针对训练关于光电效应，下列说法正确的是()A．从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功越小B．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C．极限频率越大的金属材料逸出功越大D．只要光照射的时间足够长，任何金属都能发生光电效应答案C解析金属的逸出功只与金属的材料有关，与从金属表面逸出的光电子的最大初动能无关，故A错误．入射光的光强一定时，入射光频率越高，光子的能量越大,则单位时间内射到金属表面的光子数越少，发生光电效应从金属表面逸出的光电子数越少，故B错误．根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，hνc＝W0，金属的极限频率越大，金属材料的逸出功越大，故C正确．只要入射光的频率低于金属的极限频率，无论时间多长,无论光的强度多大，都不能发生光电效应，故D错误．三、用图象表示光电效应的规律1．Ek－ν图象根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，光电子的最大初动能Ek是入射光频率ν的一次函数,图象如图2所示．其横轴截距为金属的极限频率νc，纵轴截距是金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量h。图22．I－U图象光电流I随光电管两极间电压U的变化图象如图3所示，图中Im为饱和光电流，Uc为遏止电压．利用eq\f（1,2)mvm2＝eUc可得光电子的最大初动能．图33．Uc－ν图象遏止电压与入射光频率ν的关系图象如图4所示:图中的横轴截距νc为截止频率．当入射光频率大于截止频率时，遏止电压Uc随入射光频率的增大而增大．图4例3(多选）在如图5所示的光电管的实验中(电源正、负极可以对调),用同一光电管得到了三条可见光的光电流与电压之间的关系曲线（图中的甲光、乙光、丙光）．下列说法中正确的有（）图5A．只要电流表中有电流通过,光电管中就发生了光电效应B．同一光电管对不同颜色的单色光有各自不同的截止频率C．电流表G的电流方向可以是a流向b、也可以是b流向aD．由于甲光和乙光有共同的Uc2，可以确定甲光和乙光是同一种色光答案AD解析由题图可知,只要电流表中有电流,则有光电子通过电流表,因此一定会发生光电效应，故A正确；同一金属，截止频率是相同的，故B错误；由光电管结构可知，光电子由右向左运动，则电流方向是从左向右，即a流向b，故C错误；根据eUc＝Ek＝hν－W0，入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大，甲光、乙光的遏止电压相等,所以甲光、乙光的频率相等,即为同种光，故D正确．故选A、D.四、波粒二象性的理解1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性，光电效应现象、康普顿效应则证明光具有粒子性，因此,光具有波粒二象性，对于光子这样的微观粒子只有从波粒二象性出发，才能统一说明光的各种行为．（2)大量光子产生的效果显示出光的波动性，少数光子产生的效果显示出粒子性，且随着光的频率的增大，波动性越来越不显著，而粒子性却越来越显著．2．运动着的实物粒子（如：电子、质子等）都有一种波与之对应(物质波的波长λ＝eq\f（h,p），频率ν＝eq\f(ε，h))．3．物质波与光波一样都属于概率波．概率波的实质：粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的．例4(多选)关于光的波粒二象性，正确的说法是（）A．光的频率越高，光子的能量越大，粒子性越显著B．光的波长越长，光子的能量越小，波动性越显著C．频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性D．个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性答案ABD解析光具有