新课标2020年高考物理一轮总复习第十二章 光电效应波粒二象性教案

1 第一讲 光电效应 波粒二象性

一、光电效应

1．光电效应现象：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

其中A是阳极，K是阴极．

4．光电效应的四个规律

(1)每种金属都有一个截止频率(或极限频率)，入射光的频率必须大于截止频率才能产生光电效应．低于截止频率时不能发生光电效应．

(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．

二、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，每一份叫作一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν.其中h＝6.63×10－34 J·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时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作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. 2 三、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、康普顿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．

[小题快练]

1．判断题

(1)只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应．( × )

(2)光电子就是光子．( × )

(3)极限频率越大的金属材料逸出功越大．( √ )

(4)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．( × )

(5)入射光的频率越大，逸出功越大．( × )

2．关于光电效应的规律，下列说法中正确的是( D )

A．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生

B．光电子的最大初动能跟入射光强度成正比

C．发生光电效应的反应时间一般都大于10－7 s

D．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强度成正比

3．关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是( D )

A．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性

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

4．(多选)物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹．对这个实验结果有下列认识，正确的是( BC )

A．曝光时间不长时，出现不规则的点，表现出光的波动性

B．单个光子通过双缝后的落点无法预测

C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方

D．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性

考点一 光电效应现象和光电效应方程的应用 (自主学习)

1．对光电效应的四点提醒

(1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率． 3 (2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光．

(3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关．

(4)光电子不是光子，而是电子．

2．两条对应关系

(1)光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；

(2)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.

1－1.[光电效应现象的理解] 关于光电效应现象，下列说法中正确的是( )

A．在光电效应现象中，入射光的强度越大，光电子的最大初动能越大

B．在光电效应现象中，光电子的最大初动能与照射光的频率成正比

C．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于此波长，才能产生光电效应

D．对于某种金属，只要入射光的强度足够大，就会发生光电效应

答案：C

1－2.[光电效应方程] (2018·全国卷Ⅱ)用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J．已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s－1，能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为( )

A．1×1014 Hz B．8×1014 Hz

C．2×1015 Hz D．8×1015 Hz

解析：光电效应方程Ek＝hν－W0，逸出功W0＝hν0，联立解得ν0＝hcλ－Ekh＝8×1014 Hz，故B正确．

答案：B

考点二 光电效应的图象问题 (自主学习)

图象名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量 4 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νc.

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

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Ek＝eUc

颜色不同时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2

②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)

2－1.(多选)(2019·河南济源四中考试)一含有光电管的电路如图甲所示，乙图是用a、b、c光照射光电管得到的I－U图线，Uc1、Uc2表示截止电压，下列说法正确的是( )

A．甲图中光电管得到的电压为正向电压

B．a、b光的波长相等

C．a、c光的波长相等

D．a、c光的光强相等

解析：如图可知，从金属逸出来的电子在电场力作用下，加速运动，则对应电压为正向电压，故A正确；光电流恰为零，此时光电管两端加的电压为截止电压，对应的光的频率为截止频率，可知，a光、c光对应的截止频率小于b光的截止频率，根据eU截＝12mv2m＝hν－W0，入5 射光的频率越高，对应的截止电压U截越大．a光、c光的截止电压相等，所以a光、c光的频率相等，则a光、c光的波长相等；因b光的截止电压大于a光的截止电压，所以b光的频率大于a光的频率，则a光的波长大于b光的波长，故B错误，C正确；由图可知，a的饱和电流大于c的饱和电流，而光的频率相等，所以a光的光强大于c光的光强，故D错误．

答案：AC

2－2.[Ek－ν图象] (多选) 如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象．由图象可知( )

A．该金属的逸出功等于E

B．该金属的逸出功等于hνc

C．入射光的频率为2νc时，产生的光电子的最大初动能为E

D．入射光的频率为νc2时，产生的光电子的最大初动能为E2

答案：ABC

2－3.[Uc－ν图象] (2015·全国卷Ⅰ)在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示．若该直线的斜率和截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为 ，所用材料的逸出功可表示为 ．

解析：根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W0，又因为Ek＝eUc，得到Uc＝heν－W0e，所以he＝k，h＝ek；－W0e＝b，W0＝－eb.

答案：ek －eb

考点三 对光的波粒二象性的理解 (自主学习)

1．对光的波动性和粒子性的进一步理解

光的波动性 光的粒子性

实验

基础 干涉和衍射 光电效应、康普顿效应

表现 ①光是一种概率波，即光子在空间各①当光同物质发生作用时，这种作用6 点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述

②大量的光子在传播时，表现出光的波动性 是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质

②少量或个别光子容易显示出光的粒子性

说明 ①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

②光的波动性不同于宏观观念的波 ①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的

②光子不同于宏观观念的粒子

2.波动性和粒子性的对立与统一

(1)大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性．

(2)波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强．

(3)光子说并未否定波动说，E＝hν＝hcλ中，ν和λ就是波的概念．

(4)波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的．

3－1.[光的波粒二象性] 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．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著

D．γ射线具有显著的粒子性，而不具有波动性 解析：从光的波粒二象性可知：光是同时具有波粒二象性的，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，越容易观察到其显示波动特征．光子是一种不带电的微观粒子，而电子是带负电的微观粒子，它们虽然都是微观粒子，但有本质区别，故C正确．

答案：C

3－2.[波动性分析] (多选)(2015·全国卷Ⅱ)实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是( )

A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样

B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹

C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构

D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构

解析：电子束通过双缝产生干涉图样，体现的是波动性，A正确；β射线在云室中留下清晰的径迹说明β射线是一种粒子，不能体现波动性，B错误；衍射体现的是波动性，C正确；电子显微镜观测微观结构利用了电子束的衍射现象，体现波动性，D正确．

答案：ACD