物理选择性必修第三册(配人教版)第4章-2光电效应

第四章原子结构和波粒二象性2光电效应学习目标1．知道光电效应及其实验现象(重点)2．知道光子说和爱因斯坦光电效应方程，能够利用它解释光电效应实验的现象(重难点)3．知道什么是康普顿效应及X射线实验原理(重点)4．了解光的波粒二象性，了解光是一种概率波(难点)学法与考法学法：①通过实验，了解光电效应现象和光电效应的实验规律，知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，能根据实验结论说明光的波粒二象性；②通过波粒二象性学习，知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征，体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响；③通过光电效应的学习，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律考法：①考查对光电效应现象和光电效应的实验规律的理解；②考查爱因斯坦光电效应方程的应用；③考查对康普顿效应及光的波粒二象性的理解知识导图预习导学|新知领悟1．光电效应现象：在物理学中，在光的照射下________从物体表面逸出的现象．2．光电效应的实验规律(1)发生的条件：每一种金属对应一种光的___________，又称极限频率．只有当光的频率_________________________________时，才会产生_____________．当光的频率小于这个最小频率时，即使增加____________或____________，也不能产生光电效应．光电效应电子最小频率大于或等于这个最小频率光电效应光的强度照射时间(2)与光的强度的关系：产生光电效应时，光的强度______，单位时间内逸出的光电子数________．(3)发生光电效应所需的时间：从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在________内发生光电效应．越大越多10－9s3．光子说：看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的________组成的，每一个________的能量为________．光在发射和吸收时能量是一份一份的．4．光电效应方程(1)表达式：Ek＝hν－W0.(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于从金属表面逸出时做功，剩下的表现为电子逸出后具有______________．光子光子hν最大初动能5．光电效应的应用(1)________________．(2)微光夜视仪．(3)________________．光电开关光电池你对光电效应中的“光”是怎样认识的？在光电效应实验中，光照时间越长光电流越大吗？微思考【答案】当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应，而逸出的电子称为光电子．光电流的大小取决于照射光的强度，与光照时间长短无关．

入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么 (

)A．从光照射到金属表面上到发射出光电子的时间间隔将明显增大B．逸出的光电子的最大初动能将减小C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D．有可能不发生光电效应【答案】C【解析】光电效应几乎是瞬时发生的，与入射光的强度无关，A错误．由于已经发生光电效应，说明入射光的频率大于该金属的极限频率，当频率保持不变时，一定能发生光电效应，D错误．入射光的强度减弱，说明单位时间内入射到金属表面的光子数减少，所以单位时间内从金属表面逸出的光电子数目也将减少，C正确．逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，B错误．1．光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向___________的现象．2．康普顿效应在光的散射现象中，部分散射光的波长__________，波长改变的多少与________有关．这种现象称为______________．康普顿效应及光的波粒二象性发生改变变长散射角康普顿效应3．康普顿的理论当光子与电子相互作用时，既遵守________守恒定律，又遵守________守恒定律．在碰撞中光子将能量hν的一部分传递给了________，光子能量减少，波长________．4．康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的___________的一面，为光子说提供了又一例证．能量动量电子变长粒子性5．光电效应与康普顿效应发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长．当波长较短的X射线或γ射线入射时，产生______________；当波长较长的可见光或紫外光入射时，主要产生___________．康普顿效应光电效应6．光的波粒二象性(1)光的本性：光子既有________的特征，又有______的特征，即光具有______________．(2)光是一种__________．(3)当光的波长较长时，光在传播过程中波动性明显；当光的波长较短时，光子与粒子相互作用时，__________明显．粒子波波粒二象性电磁波粒子性康普顿效应证实了光子具有什么？又应进一步说明光具什么性？微思考【答案】康普顿效应证实了光子具有粒子性，又应进一步说明光具有波动性．

康普顿散射的主要特征是 (

)A．散射光的波长与入射光的波长全然不同B．散射光的波长有些与入射光的相同，但有些变短了，散射角的大小与散射波长无关C．散射光的波长有些与入射光的相同，但也有变长的，也有变短的D．散射光的波长有些与入射光的相同，有些散射光的波长比入射光的波长长些，且散射光波长的改变量与散射角的大小有关【答案】D【解析】光子和电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．散射角不同，能量减少情况不同，散射光的波长也有所不同，也有一部分光子与原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变，故D正确.多维课堂|

素养初培对光电效应的理解问题(1)用弧光灯照射锌板，验电器指针张开，说明什么？(2)用丝绸摩擦过的玻璃棒靠近锌板，指针张角增大，说明什么？(3)用绿色光照射锌板，验电器指针不发生偏转，说明什么？【答案】(1)弧光灯发出的紫外线可使锌板带电，从而验电器的指针发生偏转．(2)因为用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，当靠近锌板，锌板带电增多，所以指针张角增大．(3)用绿色光照射锌板，验电器指针不发生偏转，说明没有使锌板带电，从而验电器的指针不发生偏转．1．实验装置及电路2．几个概念(1)饱和光电流：在光照条件不变时，电流随电压升高而增大到的最大值(Im)．(2)遏止电压：使光电流减小到0时的反向电压(Uc)．(3)截止频率：使某种金属发生光电效应的最小频率．又叫极限频率(νc)．不同金属截止频率不同．3．光电效应的实验规律(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或等于这个截止频率才能产生光电效应．低于截止频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应现象．(2)光电子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)入射光照射到金属上时，光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.(4)当入射光的频率高于截止频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比．4．电磁理论解释光电效应的三个局限电磁理论认为：光的能量是由光的强度决定，而光的强度又是由光波的振幅所决定的，跟频率无关.局限电磁理论光电效应实验结果局限1按照光的波动理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应如果光的频率小于金属的截止频率，无论光强多大，都不能发生光电效应局限电磁理论光电效应实验结果局限2光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也越大．即出射电子的动能应该由入射光的能量即光强来决定遏止电压与光强无关，与频率有关局限3光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎瞬时就产生了光电子(4)光电效应方程实质上是能量守恒方程．(5)逸出功W0：电子从金属中逸出所需要克服原子核的束缚而消耗的能量的最小值，叫作金属的逸出功．光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少．6．光子说对光电效应的解释(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为．如果光的频率低于截止频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应．(3)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应的发生几乎是瞬时的．(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多，光电流也就越大．素养点评：通过对光电效应规律的探究，培养“物理观念”和“科学探究”的核心素养．【答案】D【解析】因为紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，A错误．因为不知道阴极K的截止频率，所以用红外线照射时，不一定发生光电效应，B错误．即使UAK＝0，电流表中也有电流，C错误．当滑片向b端滑动时UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当射出的所有光电子都能达到阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，光电流已经达到饱和电流，那么再增大UAK，光电流也不会增大，D正确．变式1光电效应实验中，下列表述正确的是 (

)A．光照时间越长光电流越大B．入射光足够强就可以有光电流C．遏止电压与入射光的频率无关D．入射光频率大于截止频率才能产生光电子【答案】D【解析】在光电效应中，若照射光的频率小于极限频率，无论光照时间多长，光照强度多大，都无光电流，当照射光的频率大于极限频率时，立刻有光电子产生，时间间隔很小，故A、B错误，D正确．遏止电压与入射光频率ν有关，故C错误．

关于光电效应的三点提醒1．发生光电效应时需满足：照射光的频率大于金属的截止频率，即ν＞ν0.2．光电子的最大初动能与照射光的频率及金属的截止频率有关，而与照射光的强弱无关，照射光的强度大小决定了逸出光电子的数目多少．3．在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．对光电效应方程的理解及应用精练2紫光在真空中的波长为4.5×10－7m，问：(1)紫光光子的能量是多少？(2)用它照射截止频率为ν0＝4.62×1014Hz的金属钾时能否产生光电效应？(3)若能产生，则光电子的最大初动能为多少？(h＝6.63×10－34J·s)变式2

(多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出 (

)A．该金属的截止频率和截止波长B．普朗克常量C．该金属的逸出功D．单位时间内逸出的光电子数【答案】ABC1．截止频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W0＝hν0.2．某种金属的逸出功是一定值，随入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比．对康普顿效应及光的波粒二象性的理解问题(1)如图所示，你知道蔚蓝的天空、殷红的晚霞是怎样形成的吗？(2)在光的这种现象中，如果有的光的波长变长，这种现象是什么效应？(3)太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中，尽管太阳光线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？【答案】(1)蔚蓝的天空、殷红的晚霞是大气层对阳光散射形成的，夜晚探照灯或激光的光柱，是空气中微粒对光散射形成的．(2)在光的散射现象中，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．这种现象称为康普顿效应．(3)地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空的真空环境下，光不再散射，只向前传播．1．对康普顿效应的理解(1)实验现象．X射线管发出波长为λ0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上．X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．(2)康普顿效应与经典物理理论的矛盾．按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光．散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)．因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光．另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系．(3)光子说对康普顿效应的解释．假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．①光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．②因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长的改变与散射角有关．2．对光的波粒二象性的理解(1)光的粒子性的含义．①当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．②少量或个别光子易显示出光的粒子性．③频率高、波长短的光，粒子性特征显著．(2)光的波动性的含义．①足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．②频率低、波长长的光，波动性特征显著．(3)光的波粒二象性．①光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．②只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为．素养点评：通过对康普顿效应及光的波粒二象性的探究，培养“物理观念”素养．对康普顿效应的理解精练3

(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了有与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．关于康普顿效应，下列说法正确的是 (

)A．康普顿效应现象说明光具有波动性B．康普顿效应现象说明光具有粒子性C．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少【答案】BD【解析】康普顿用光子的模型成功地解释了康普顿效应，在散射过程中X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵循动量守恒定律和能量守恒定律，故B、D正确，A、C错误．变式3科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子．假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中 (

)A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′C．能量守恒，动量守恒，且λ＜λ′D．能量守恒，动量守恒，且λ＞λ′【答案】C

对康普顿效应的三点认识1．光电效应属于电子吸收光子的问题；而康普顿效应属于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．2．假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．3．康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．对光的波粒二象性的理解精练4

(多选)下面关于光的波粒二象性的说法中，正确的是(

)A．光电效应现象说明光具有波粒二象性B．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性D．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性【答案】BC【解析】光电效应现象说明光具有粒子性，A错误；在光的波粒二象性中，频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著，B正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，C正确；光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，D错误．变式4

(多选)下列说法正确的是 (

)A．有的光是波，有的光是粒子B．光子与电子是同样的一种粒子C．光子和电子是不同的两种粒子，但都具有波粒二象性D．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著【答案】CD【解析】光同时具有波粒二象性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著，光的波长越长，越容易观察到其波动特性．光子不同于一般的实物粒子，它没有静止质量，是一个个的能量团，是光的能量的最小单位．C、D正确．

对光的波粒二象性的两点提醒1．光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证．2．波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低、波长长的光，波动性显著．课堂小练|

素养达成1．入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么 (

)A．从光照射到金属表面上到发射出光电子的时间间隔将明显减小B．逸出的光电子的最大初动能将增大C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D．一定不能发生光电效应【答案】C【解析】光电效应几乎是瞬时发生的，与入射光强度无关，A错误．由于已经发生光电效应，说明入射光的频率大于该金属的极限频率，当频率保持不变时，一定能发生光电效应，D错误．入射光的强度减弱，说明单位时间内入射到金属表面的光子数减少，所以单位时间内从金属表面逸出的光电子数目也将减少，C正确．逸出的光电子的最大初动能与入射光频率有关，与入射光强度无关，B错误．2．白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果．美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比 (

)A．频率变大 B．速度变小C．光子能量变大 D．波长变长【答案】D【答案】ABC【解析】用很弱的光做双缝干涉实验得到的图片上的一个一个无分布规律的光点，体现了光的粒子性，故A正确；经过较长时间曝光的图片丙，出现了明暗相间的条纹，波动性较为明显，本实验表明光是一种概率波，但不能表明光是一种电磁波，故B、C正确，D错误．4．(多选)产生光电效应时，关于逸出光电子的最大初动能Ek，下列说法正确的是 (