第6章 波粒二象性
第1节 光电效应及其解释
第1课时 光电效应的理解
[教材链接] 1.电子 电子
2.(1)①光电效应 有关 ②大于或等于 不能 (2)很短
(3)①增大 不再增加 饱和值 ②越多 越大 (4)①遏止电压 ②eUc=m ③频率 强度
[科学探究] (1)频率 强度 (2)光的强度 (3)入射光频率 光的强度
例1 C [解析] 入射光频率低于极限频率时无法产生光电效应,增大b光的照射强度,仍不会发生光电效应,增大a光的照射强度,光电子的最大初动能保持不变,故A、B错误;根据a光照射锌板能够发生光电效应可知,a光的频率大于锌板的极限频率,根据b光照射锌板不能发生光电效应可知,b光的频率不大于锌板的极限频率,则a光的频率大于b光的频率,故C正确;根据光电效应实验规律可知,若用b光照射另一种金属能发生光电效应,则用a光照射该金属时一定也能发生光电效应,故D错误.
例2 C [解析] 遏止电压不会随光强而变化,光强会影响饱和电流的大小,光强越大,饱和电流越大,故C正确,A、B、D错误.
[教材链接] (1)光子 hν (2)①W+mv2 ②能量 逸出功 最大初动能 ③确定
[物理观念] 1.(1)频率ν 无关 (3)较多 较多 较大
2.由爱因斯坦光电效应方程有mv2=hν-W,而遏止电压Uc与最大初动能的关系为eUc=mv2,所以可得Uc与入射光频率ν的关系式是eUc=hν-W,即Uc=ν-.
[科学推理] (1)极限频率 (2)入射光频率 入射光频率 (3)越多 光电子
例3 C [解析] 根据题意有遏止电压Uc=1.5 V,则光电子的最大初动能Ek=1.5 eV,根据爱因斯坦光电效应方程得W0=hν-Ek=(4.2-1.5) eV=2.7 eV,故A、B错误;当电流表示数为零时,断开开关,这时没有反向电压,电流表示数不为零,故C正确;将电源的正负极调换,滑块变阻器滑片从b移到a,当光电流达到饱和电流后,电流表的示数就不再变化,故D错误.
例4 C [解析] 根据c=λν可得红外线的频率为ν== Hz=3×1013 Hz,故A错误;根据eUc=hν-W0,由图丙可知金属铷的极限频率为5.1×1014 Hz,发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率,而红外线的频率小于金属铷的极限频率,故不会发生光电效应,体温枪不能正常使用,故B错误;当I=0时的电压为遏止电压,由图乙可知,该光电管的遏止电压为2×10-2 V,故C正确;若人体温度升高,辐射红外线的强度增大,饱和电流将增大,故 D错误.
[教材链接] 1.较长 2.弹性 守恒 部分 减少 长 3.粒子性
例5 BD [解析] 康普顿在研究射线散射时,发现散射光波长发生了变化,这种现象用波动说无法解释,用光子说却可以解释,故A错误,D正确;康普顿效应无法用经典物理学解释,故B正确;发生散射时,入射的光子把一部分能量转移给电子,产生康普顿效应,使光子的能量减少,频率变小,波长变大,故C错误.
随堂巩固
1.C [解析] 锌的极限频率对应的光波波长为λ=≈0.372×10-6 m=372 nm,用高频短波紫外线灯(波长范围为100~280 nm)持续照射锌板,锌板会发生光电效应,逸出光电子,由于锌板原来带负电,可知验电器指针张开的角度θ逐渐变小,足够长时间后,锌板开始带正电且电荷量持续增加,故验电器指针张开的角度θ逐渐变大,即整个过程中验电器指针张开的角度θ先变小后变大,故选C.
2.AC [解析] 在康普顿效应中,当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,则动量减小,根据λ=,知波长增大,根据E=可知,能量变小,碰撞过程系统不受外力,故动量守恒,能量守恒,故A、C正确,B、D错误.
3.C [解析] 根据c=λν可知,a光和b光的波长之比等于频率的反比,即为5∶2,故A错误;根据Ek=hν-W0,逸出光电子的最大初动能之比==1∶4,故B错误;根据eUc=Ek,加反向电压时,对应的遏止电压之比==1∶4,故C正确;由于不知道a、b光照强度的关系,无法判断饱和电流的关系,故D错误.第6章 波粒二象性
第1节 光电效应及其解释
第1课时 光电效应的理解
1.D [解析] 用紫外线照射锌板,锌板失去电子带正电,验电器与锌板连接,则验电器带正电,A、B错误;根据产生光电效应的条件可知,若改用红光照射锌板,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,C错误;根据产生光电效应的条件可知,能否发生光电效应与光的频率有关,若改用同等强度、频率更高的紫外线照射锌板,验电器的指针也会偏转,D正确.
2.D [解析] 只要入射光的频率大于金属的极限频率,无论是可见光还是不可见光都有可能产生光电效应,A错误;根据光电效应方程Ek=hν-W可知光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大,但不成正比,B错误;如果入射光频率较低,小于金属的极限频率,无论照射时间多长都不会有光电子产生,C错误.若光的频率小于金属的极限频率,无论入射光多强,都不能产生光电效应,D正确.
3.C [解析] 光电管加的是正向电压,电流表示数为零,说明没有发生光电效应,将照射光改为红光,则照射光频率减小,仍不会发生光电效应,故A不符合题意;将电源正负极调换或将滑动变阻器滑片向左移动,仍不会发生光电效应,故B、D不符合题意;改变阴极K的材料,当入射光能量大于阴极材料的逸出功时即可发生光电效应,故C符合题意.
4.D [解析] 红光的能量低于黄光的能量,可能导致不能发生光电效应或者减小最大初动能,A错误;单纯增加黄光强度,会增加逸出光电子数目,但不会改变光电子的最大初动能,B错误;光电管的加速电压与光电子逸出时的最大初动能无关,C错误;紫光的能量高于黄光的能量,改用紫光可以增大光电子逸出时的最大初动能,D正确.
5.D [解析] 根据爱因斯坦的光电效应方程可知hν=W0+Ek,解得该单色光的频率为ν=,故选D.
6.D [解析] 由题图可知,该光源发出的光的频率大约在6×1014 Hz到14×1014 Hz之间,而三种材料中,钨的极限频率最大,是10.95×1014 Hz,小于14×1014 Hz,所以该光源能使三种材料都产生光电效应,故选D.
7.AB [解析] 由光电效应规律可知,当入射光的频率大于极限频率时能发生光电效应,故A正确;由爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν-W=h·2νc-hνc=hνc,故B正确;逸出功只取决于金属材料,与照射光的频率无关,故C错误;由Ek=hν-W知,Ek与ν不成正比,故D错误.
8.AC [解析] 光子的能量E=hν,入射光子的能量不同,故入射光子的频率不同,A正确;由爱因斯坦光电效应方程hν=W+mv2,可求出两组实验所用的金属板的逸出功W均为3.1 eV,故两组实验所用的金属板材质相同,B错误;由上述可知W=3.1 eV,当hν=5.0 eV时,Ek=1.9 eV,C正确;光照强度越强,单位时间内射出的光子数越多,单位时间内逸出的光电子数越多,形成的光电流越大,D错误.
9.BC [解析] 根据爱因斯坦光电效应方程可知m=-W,m=-W,其中vm1∶vm2=3∶1 ,解得W=,选项A错误,B正确;因为波长为4λ的光恰能使该金属发生光电效应,则波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应,选项C正确,D错误.
10.C [解析] 设发生光电效应时一个电子能吸收的光子个数为n,根据光电效应方程可得Ekm=nhν-W,根据动能定理可得-eU=0-Ekm,联立解得n=,C正确,A、B、D错误.
11.AC [解析] 由题图可知,光电管两端所加的电压为反向电压,由电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,可知光电子的最大初动能为0.7 eV,根据光电效应方程Ek=hν-W,可得W=1.8 eV,故A、C正确;开关S断开后,用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,有光电子逸出,则有电流流过电流表,故B错误;改用能量为1.5 eV的光子照射,由于光子的能量小于逸出功,不能发生光电效应,无光电流,故D错误.
12.BD [解析] 若锌板发生光电效应,则有电子从表面逸出,锌板带正电,验电器与锌板连接,因此也带正电,A错误;光电效应现象表明光具有粒子性,B正确;大量处于n=4能级的氢原子跃迁时发出6种不同频率的光,其中n=4、n=3、n=2能级向n=1能级跃迁时发出的3种光能使锌板发生光电效应,C错误;跃迁过程发出的光子能量最大值为13.6 eV-0.85 eV=12.75 eV,所以光电子获得最大初动能为12.75 eV-3.4 eV=9.35 eV,D正确.
13.(1)3.50×1012个 (2)6.01×10-19 J(或3.76 eV)
(3)1.66 V
[解析] (1)Im=,q=ne,其中t=1 s
解得n=3.50×1012(个)
(2)设光电子从阴极K逸出时的最大初动能为Ek0
由光电效应方程有Ek0=h-h
由动能定理得Ek=Ek0+eU
解得Ek=6.01×10-19 J(或3.76 eV)
(3)由eUc=Ek0
解得Uc=1.66 V第6章 波粒二象性
第1节 光电效应及其解释
第1课时 光电效应的理解
学习任务一 光电效应
[教材链接] 阅读教材“光电效应”相关内容,完成下列填空:
1.光电效应
在光的照射下 从物体表面逸出的现象称为光电效应,这种逸出的 称为光电子.
2.光电效应实验规律
(1)存在极限频率
①当入射光的频率低于某一频率时,光电流消失,不会产生 ,这一频率称为极限频率.极限频率与金属的种类 .
②只有当入射光的频率 极限频率,才会产生光电效应;若入射光的频率小于极限频率,即使增加光的强度或照射时间,也 产生光电效应.
(2)具有瞬时性
从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间 ,通常在10-9 s内.
(3)存在饱和电流
①产生光电效应时,在光照强度不变的情况下,光电流随电压的增大而 ,当电流增大到一定值后,即使电压再增大,电流也 (填“还会增加”或“不再增加”),达到一个 ,即为饱和电流.
②在光频率不变的情况下,入射光越强,单位时间内逸出的电子数也 ,饱和电流 .
(4)光电子的最大初动能只与光的频率有关
①如果施加反向电压,当反向电压大于某一值时,光电流为零,这一电压值称为 .
②遏止电压Uc与光电子最大初动能满足的关系为: .
③光电子最大初动能与入射光的 有关,与入射光的 无关.入射光的频率越高,光电子的最大初动能越大.
[科学探究] 如图甲是研究光电效应现象的装置图,图乙是研究光电效应的电路图.请结合装置图和电路图及产生的现象回答下列问题:
(1)在甲图中发现,利用紫外线照射锌板时,无论光的强度如何变化,验电器指针都有张角,而用红光照射锌板时,无论光的强度如何变化,验电器指针总无张角,这说明了金属能否发生光电效应,取决于入射光的 ,与入射光的 无关.
(2)在乙图中光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增大电压,电流表示数不变,而光强增大时,电压不变,电流表示数会增大,这说明了保持入射光频率不变,发生光电效应时飞出的光电子个数只与 有关.
(3)若在乙图中加反向电压,当光强增大时,遏止电压不变,而入射光的频率增大时,遏止电压却增大,这一现象说明了光电子的能量与 有关,与 无关.
例1 [2024·厦门一中月考] 如图所示,在演示光电效应现象的实验中,某同学分别用a、b两种单色光照射锌板.发现用a光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度;用b光照射时与锌板连接的验电器的指针不动.下列说法正确的是 ( )
A.增大b光的照射强度,验电器的指针有可能张开一定角度
B.增大a光的照射强度,光电子的最大初动能增加
C.a光的频率大于b光的频率
D.若用b光照射另一种金属能发生光电效应,则用a光照射该金属时可能不会发生光电效应
[反思感悟]
例2 [2024·泉州一中月考] 研究光电效应的电路图如图甲所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(K极),钠极板发射出的光电子被A极吸收,在电路中形成光电流.在乙图中,光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像正确的是 ( )
A B
C D
乙
[反思感悟]
【要点总结】
饱和电流与遏止电压规律图像
图像名称 图线形状 由图线直接(间接) 得到的物理量
入射光颜色相同、强度不同时,光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc:图线与U轴的交点的横坐标 ②饱和电流Im1、Im2:电流的最大值 ③最大初动能:Ek=eUc
入射光颜色不同时,光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和电流 ③最大初动能 Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
学习任务二 光电效应的解释
[教材链接] 阅读教材“光电效应的解释”相关内容,完成下列填空:
用经典电磁理论无法解释光电效应.为解释光电效应,爱因斯坦发展了普朗克的能量不连续思想,提出光量子的概念.
(1)光是由数量有限的、分立的 组成的,每一个光子的能量E= .
(2)爱因斯坦光电效应方程
①表达式:hν= .
②各量的意义:hν为一个光子的 ;W为金属的 ;mv2为电子离开金属表面的 .
③同一种金属的逸出功是 的,不因光照频率的改变而改变.
[物理观念] 1.爱因斯坦光电效应方程对光电效应实验现象的解释:
(1)爱因斯坦光电效应方程表明,光电子的最大初动能mv2与入射光的 有关,而与光的强弱 .只有当hν>W时,才有光电子逸出,νc=就是光电效应的极限频率.
(2)电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流几乎是瞬时产生的.
(3)对于同种颜色(频率ν相同)的光,光较强时,包含的光子数 ,照射金属时产生的光电子 ,因而饱和电流 .
2.爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能mv2与入射光的频率ν的关系.但是,很难直接测量光电子的动能,容易测量的是遏止电压Uc,怎样得到Uc与ν、W的关系(写出Uc、ν、W的关系式)
[科学推理] 光子说对光电效应的解释
(1)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,hν>W0,ν>=νc,而νc=恰好是光电效应的 .
(2)由爱因斯坦光电效应方程知光电子的最大初动能与 有关,与光强无关.遏止电压Uc与ν、W0的关系为Uc=ν-,所以遏止电压由 决定,与光强无关.
(3)饱和电流与光照强度的关系:同种频率的光,光照强度越大,包含的光子数 ,照射金属时产生的 越多,因而饱和电流越大.
例3 [2024·厦门五中月考] 某同学用如图所示的装置研究光电效应现象,开始时,滑动变阻器滑片c在最右端b点.用光子能量为4.2 eV的光照射到光电管上,此时电流表G有示数.向左移动变阻器的滑片c,当电压表的示数大于或等于1.5 V时,电流表示数为0,则以下说法正确的是 ( )
A.光电子最大初动能为2.7 eV
B.光电管阴极的逸出功为1.5 eV
C.当电流表示数为零时,断开开关,电流表示数不再为零
D.将电源的正负极调换,滑动变阻器滑片从b移到a,电流表的示数一直增大
例4 [2024·吉林长春一中月考] 体温枪的工作原理是:利用光电效应,将光信号转化为电信号,从而显示出物体的温度.已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线,如图甲所示,用该红外光线照射光电管的阴极K时,电路中有光电流产生,光电流随电压变化的图像如图乙所示,另一种金属铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图
丙所示,已知光在真空中传播的速度为3×108 m/s.则 ( )
A.波长为10 μm的红外线在真空中的频率为5×1013 Hz
B.将阴极K换成金属铷,体温枪仍然能正常使用
C.由图乙可知,该光电管的遏止电压为2×10-2 V
D.当人体温度升高,辐射红外线的强度将增大,饱和电流将减小
学习任务三 康普顿效应(拓展阅读)
[教材链接] 阅读教材“康普顿效应(拓展阅读)”相关内容,完成下列填空:
1.康普顿效应:物理学家康普顿研究了X射线通过石墨等较轻物质产生的散射现象,发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外,还有波长 的成分,这种现象称为康普顿效应.
2.康普顿效应的解释:把光的散射看成是单个光子与单个电子发生的 碰撞,在碰撞过程中能量和动量都是 的.在碰撞中光子将能量hν的一 传递给了电子,光子的能量 ,波长变 .
3.康普顿效应的意义:证实了爱因斯坦的光量子理论,进一步说明了光具有 .
例5 (多选)关于康普顿效应,下列说法正确的是 ( )
A.康普顿在研究X射线散射时,发现散射光的波长发生了变化,为波动说提供了依据
B.康普顿效应无法用经典物理学解释
C.X射线被石墨散射后频率变大了
D.爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应,所以康普顿效应说明光具有粒子性
1.(光电效应现象)如图所示,把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带上负电,验电器指针会张开角度θ.接着,用高频短波紫外线灯(波长范围为100~280 nm)持续照射锌板,已知锌的极限频率为8.06×1014 Hz、真空中光速为3.0×108 m/s,观察验电器指针的变化,则 ( )
A.验电器指针张开的角度θ会一直变大
B.验电器指针张开的角度θ先变大后变小
C.验电器指针张开的角度θ先变小后变大
D.验电器指针张开的角度θ不会发生变化
2.(康普顿效应)(多选)1918~1922年,美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现,有些散射波的波长比入射波的波长略大.下列说法中正确的是 ( )
A.有些X射线的能量传给了电子,因此X射线的能量减小了
B.有些X射线吸收了电子的能量,因此X射线的能量增大了
C.X射线的光子与电子碰撞时,动量守恒,能量也守恒
D.X射线的光子与电子碰撞时,动量不守恒,能量守恒
3.(光电效应方程的应用)[2024·福州一中期末] 光电传感器是智能技术领域不可或缺的关键器件,而光电管又是光电传感器的重要元件.如图所示,某光电管K极的逸出功W0=hν,若分别用频率为2ν的a光和频率为5ν的b光照射该光电管,则下列说法正确的是 ( )
A.a光和b光的波长之比为2∶5
B.用a光和b光分别照射该光电管,逸出光电子的最大初动能之比为2∶5
C.加反向电压时,对应的遏止电压之比为1∶4
D.加正向电压时,对应形成的饱和电流之比为1∶4(共43张PPT)
第1节 光电效应及其解释
第1课时 光电效应的理解
学习任务一 光电效应
学习任务二 光电效应的解释
学习任务三 康普顿效应（拓展阅读）
备用习题
随堂巩固
学习任务一 光电效应
［教材链接］ 阅读教材“光电效应”相关内容，完成下列填空：
1.光电效应
在光的照射下______从物体表面逸出的现象称为光电效应，这种逸出的______称为光电子.
电子
电子
2.光电效应实验规律
(1) 存在极限频率
①当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生___________，这一频率称为极限频率.极限频率与金属的种类______.
②只有当入射光的频率____________极限频率，才会产生光电效应；若入射光的频率小于极限频率，即使增加光的强度或照射时间，也______产生光电效应.
光电效应
有关
大于或等于
不能
(2) 具有瞬时性
从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间______，通常在内.
很短
(3) 存在饱和电流
①产生光电效应时，在光照强度不变的情况下，光电流随电压的增大而______，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也___________(填“还会增加”或“不再增加”)，达到一个________，即为饱和电流.
②在光频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内逸出的电子数也______，饱和电流______.
增大
不再增加
饱和值
越多
越大
(4) 光电子的最大初动能只与光的频率有关
①如果施加反向电压，当反向电压大于某一值时，光电流为零，这一电压值称为__________.
②遏止电压与光电子最大初动能满足的关系为：_____________.
③光电子最大初动能与入射光的______有关，与入射光的______无关.入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大.
遏止电压
频率
强度
［科学探究］ 如图甲是研究光电效应现象的装置图,图乙是研究光电效应的电路图.请结合装置图和电路图及产生的现象回答下列问题:
(1) 在甲图中发现,利用紫外线照射锌板时,无论光的强度如何变化,验电器指针都有张角,而用红光照射锌板时,无论光的强度如何变化,验电器指针总无张角,这说明了金属能否发生光电效应,取决于入射光的______,与入射光的______无关.
频率
强度
(2) 在乙图中光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增大电压,电流表示数不变,而光强增大时,电压不变,电流表示数会增大,这说明了保持入射光频率不变,发生光电效应时飞出的光电子个数只与__________有关.
光的强度
(3) 若在乙图中加反向电压,当光强增大时,遏止电压不变,而入射光的频率增大时,遏止电压却增大,这一现象说明了光电子的能量与____________有关,与__________无关.
入射光频率
光的强度
例1 [2024·厦门一中月考] 如图所示,在演示光电效应现象的实验中,某同学分别用、两种单色光照射锌板.发现用光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度;用光照射时与锌板连接的验电器的指针不动.下列说法正确的是( )
A.增大光的照射强度,验电器的指针有可能张开一定角度
B.增大光的照射强度,光电子的最大初动能增加
C.光的频率大于光的频率
D.若用光照射另一种金属能发生光电效应,则用光照射该金属时可能不会发生光电效应
√
[解析] 入射光频率低于极限频率时无法产生光电效应,增大光的照射强度,仍不会发生光电效应,增大光的照射强度,光电子的最大初动能保
持不变,故A、B错误;根据光照射锌板能够发生光电效应可知,光的频率大于锌板的极限频率,根据光照射锌板不能发生光电效应可知,光的频率不大于锌板的极限频率,则光的频率大于光的频率,故C正确;根据光电效应实验规律可知,若用光照射另一种金属能发生光电效应,则用光照射该金属时一定也能发生光电效应,故D错误.
例2 [2024·泉州一中月考] 研究光电效应的电路图如图甲所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板极),钠极板发射出的光电子被A极吸收,在电路中形成光电流.在乙图中,光电流与A、之间的电压的关系图像正确的是( )
A.&1& B.&2& C.&3& D.&4&
[解析] 遏止电压不会随光强而变化,光强会影响饱和电流的大小,光强越大,饱和电流越大,故C正确,A、B、D错误.
√
【要点总结】
饱和电流与遏止电压规律图像
图像名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量
入射光颜色相同、强度不同时,光电流与电压的关系图线 _______________________________________________________________ ①遏止电压图线与轴的交点的横坐标
②饱和电流、电流的最大值
③最大初动能:
图像名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量
入射光颜色不同时,光电流与电压的关系图线 ____________________________________________________________________ ①遏止电压、
②饱和电流
③最大初动能
,
续表
学习任务二 光电效应的解释
［教材链接］ 阅读教材“光电效应的解释”相关内容，完成下列填空：
用经典电磁理论无法解释光电效应.为解释光电效应，爱因斯坦发展了普朗克的能量不连续思想，提出光量子的概念.
(1) 光是由数量有限的、分立的______组成的，每一个光子的能量____.
光子
(2) 爱因斯坦光电效应方程
① 表达式：___________.
② 各量的意义：为一个光子的______；为金属的________；为电子离开金属表面的____________.
③ 同一种金属的逸出功是______的，不因光照频率的改变而改变.
能量
逸出功
最大初动能
确定
［物理观念］ 1.爱因斯坦光电效应方程对光电效应实验现象的解释：
(1) 爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的_______有关，而与光的强弱______.只有当时，才有光电子逸出，就是光电效应的极限频率.
频率
无关
(2)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流几乎是瞬时产生的.
(3) 对于同种颜色(频率相同)的光，光较强时，包含的光子数______，照射金属时产生的光电子______，因而饱和电流______.
较多
较多
较大
2.爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能与入射光的频率的关系.但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压，怎样得到与、的关系(写出、、的关系式)
[答案] 由爱因斯坦光电效应方程有，而遏止电压与最大初动能的关系为，所以可得与入射光频率的关系式是，即.
［科学推理］ 光子说对光电效应的解释
(1) 若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即,,,而恰好是光电效应的__________.
极限频率
(2) 由爱因斯坦光电效应方程知光电子的最大初动能与____________有关,与光强无关.遏止电压与、的关系为,所以遏止电压由____________决定,与光强无关.
入射光频率
入射光频率
(3) 饱和电流与光照强度的关系:同种频率的光,光照强度越大,包含的光子数______,照射金属时产生的________越多,因而饱和电流越大.
越多
光电子
例3 [2024·厦门五中月考] 某同学用如图所示的装置研究光电效应现象,开始时,滑动变阻器滑片在最右端点.用光子能量为的光照射到光电管上,此时电流表有示数.向左移动变阻器的滑片,当电压表的示数大于或等于时,电流表示数为0,则以下说法正确的是( )
A.光电子最大初动能为
B.光电管阴极的逸出功为
C.当电流表示数为零时,断开开关,电流表示数不再为零
D.将电源的正负极调换,滑动变阻器滑片从移到,电流表的示数一直增大
√
[解析] 根据题意有遏止电压,则光电子的最大初动能,根据爱因斯坦光电效应方程得,故A、B错误;当电流表示数为零时,断开开关,这时没有反向电压,电流表示数不为零,故C正确;将电源的正负极调换,滑块变
阻器滑片从移到,当光电流达到饱和电流后,电流表的示数就不再变化,故D错误.
例4 [2024·吉林长春一中月考] 体温枪的工作原理是:利用光电效应,将光信号转化为电信号,从而显示出物体的温度.已知人的体温正常时能辐射波长为的红外线,如图甲所示,用该红外光线照射光电管的阴极时,电路中有光电流产生,光电流随电压变化的图像如图乙所示,另一种金属铷的遏止电压与入射光频率之间的关系如图
丙所示,已知光在真空中传播的速度为.则 ( )
A.波长为的红外线在真空中的频率为
B.将阴极换成金属铷,体温枪仍然能正常使用
C.由图乙可知,该光电管的遏止电压为
D.当人体温度升高,辐射红外线的强度将增大,饱和电流将减小
√
[解析] 根据可得红外线的频率为,故A错误;根据,由图丙可知金属铷的极限频率为,发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率,而红外线的频率小于金属铷的极限频率,故不会发生光电效应,体温枪不能正常使用,故B错误;当时的电压为遏止电压,由图乙可知,该光电管的遏止电压为,故C正确;若人体温度升高,辐射红外线的强度增大,饱和电流将
增大,故 D错误.
学习任务三 康普顿效应(拓展阅读)
［教材链接］ 阅读教材“康普顿效应(拓展阅读)”相关内容，完成下列填空：
1.康普顿效应：物理学家康普顿研究了射线通过石墨等较轻物质产生的散射现象，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长______的成分，这种现象称为康普顿效应.
较长
2.康普顿效应的解释：把光的散射看成是单个光子与单个电子发生的______碰撞，在碰撞过程中能量和动量都是______的.在碰撞中光子将能量的一______传递给了电子，光子的能量______，波长变____.
弹性
守恒
部分
减少
长
3.康普顿效应的意义：证实了爱因斯坦的光量子理论，进一步说明了光具有________.
粒子性
例5 (多选)关于康普顿效应，下列说法正确的是 ( )
A.康普顿在研究射线散射时，发现散射光的波长发生了变化，为波动说提供了依据
B.康普顿效应无法用经典物理学解释
C.射线被石墨散射后频率变大了
D.爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应，所以康普顿效应说明光具有粒子性
√
√
[解析] 康普顿在研究射线散射时，发现散射光波长发生了变化，这种现象用波动说无法解释，用光子说却可以解释，故A错误，D正确；康普顿效应无法用经典物理学解释，故B正确；发生散射时，入射的光子把一部分能量转移给电子，产生康普顿效应，使光子的能量减少，频率变小，波长变大，故C错误.
1.(多选)频率为ν的光子具有的能量为hν,动量为,将这个光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射.下列关于光子散射的说法正确的是( )
A.光子改变原来的运动方向,且传播速度变小
B.光子在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大
C.由于受到电子碰撞,散射后的光子波长大于入射光子的波长
D.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率
√
√
[解析] 碰撞后光子改变原来的运动方向,但传播速度不变,选项A错误;光子在与电子碰撞中损失能量,因而频率减小,即ν1>ν2,再由c=λ1ν1=λ2ν2,得到λ1<λ2,选项B错误,C、D正确.
2.如图所示,用波长为λ0的单色光照射某金属,调节滑动变阻器,当电压表的示数为某值时,电流表的示数恰好减小为零;再用波长为的单色光重复上述实验,当电压表的示数增加到原来的3倍时,电流表的示数又恰好减小为零.已知普朗克常量为h,真空中光速为c.该金属的逸出功为( )
A. B.
C. D.
√
[解析] 根据光电效应方程有Ekm=h-W,及Ekm=eU,当用波长为λ0的单色光照射时,则有h-W=eU,当用波长为的单色光照射时,则有-W=3eU,联立解得W=,故A、B、D错误,C正确.
3. (多选)在A、K之间的电压为U.现用发光功率为P的激光器发出频率为ν的光全部照射在K上,回路中形成电流.已知阴极K材料的逸出功为W0,普朗克常量为h,电子电荷量为e.以下说法正确的是( )
A.光电子到达A时的最大动能为hν-W0+Ue
B.光电子到达A时的最大动能为hν-W0-Ue
C.若每入射N个光子会产生1个光电子且所有的光电子都能到达A,则回路的电流为
D.若每入射N个光子会产生1个光电子且所有的光电子都能到达A,则回路的电流为
√
√
[解析] 根据光电效应方程Ek=hν-W0可得最大初动能,从K到A电场力做正功,可得最大动能为Ekm=Ek+eU=hν-W0+eU,故A正确,B错误;已知激光发射器发射激光的功率为P,光子能量为hν,则单位时间内通过的光子数量为n=,单位时间内产生的光电子数目为n1==,由电流的定义得I==n1e=,故C正确,D错误.
4.如图所示是研究光电效应的实验装置,其中阴极K接到ab的正中间固定不动:①用频率为ν1的光照射光电管,此时电流表中有电流,调节滑动变阻器使电流表示数恰好为零,此时电压表示数为U1;②用频率为ν2的光照射光电管,此时电流表中有电流,调节滑动变阻器使电流表示数恰好为零,此时电压表示数为U2.则( )
A.对情况①,滑片P向右滑动,电流表示数可减小为零
B.对情况②,滑片P向左滑动,电流表示数增大
C.电压表示数U2D.若已知电子电荷量为e,由①②可求得普朗克常量h=
√
[解析] 对情况①,滑片P向右滑动,根据电路图可知极板间所加电压从遏止电压先减小为0,再变为正向电压逐渐增大,故电流表示数增大,A错误;对情况②,滑片P向左滑动,根据电路图可知极板间所加电压从遏止电压继续增大,电流表示数一直为零,不会增大,B错误;由题意可知电压表示数U1、U2分别对应频率为ν1、ν2的光照射光电管时的遏止电压,根据动能定理和光电效应方程有eUc=Ekm、Ekm=hν-W0,可得eUc=hν-W0,由于不知道频率ν1、ν2的大小关系,所以无法比较U1与U2的大小,C错误;若已知电子电荷量为e,对频率为ν1的光,有eU1=hν1-W0,对频率为ν2的光,有eU2=hν2-W0,联立解得h=,D正确.
1.(光电效应现象)如图所示,把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带上负电,验电器指针会张开角度 .接着,用高频短波紫外线灯(波长范围为持续照射锌板,已知锌的极限频率为、真空中光速为,观察验电器指针的变化,则( )
A.验电器指针张开的角度 会一直变大
B.验电器指针张开的角度 先变大后变小
C.验电器指针张开的角度 先变小后变大
D.验电器指针张开的角度 不会发生变化
√
[解析] 锌的极限频率对应的光波波长为,用高频短波紫外线灯(波长范围为持续照射锌板,锌板会发生光电效应,逸出光电子,由于
锌板原来带负电,可知验电器指针张开的角度 逐渐变小,足够长时间后,锌板开始带正电且电荷量持续增加,故验电器指针张开的角度 逐渐变大,即整个过程中验电器指针张开的角度 先变小后变大,故选C.
2.(康普顿效应)(多选)年,美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对射线的散射时发现,有些散射波的波长比入射波的波长略大.下列说法中正确的是( )
A.有些射线的能量传给了电子,因此射线的能量减小了
B.有些射线吸收了电子的能量,因此射线的能量增大了
C.射线的光子与电子碰撞时,动量守恒,能量也守恒
D.射线的光子与电子碰撞时,动量不守恒,能量守恒
√
√
[解析] 在康普顿效应中,当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,则动量减小,根据,知波长增大,根据可知,能量变小,碰撞过程系统不受外力,故动量守恒,能量守恒,故A、C正确,B、D错误.
3.(光电效应方程的应用)[2024·福州一中期末] 光电传感器是智能技术领域不可或缺的关键器件,而光电管又是光电传感器的重要元件.如图所示,某光电管极的逸出功,若分别用频率为的光和频率为的光照射该光电管,则下列说法正确的是( )
A.光和光的波长之比为
B.用光和光分别照射该光电管&5& ,逸出光电子的最大初动能之比为
C.加反向电压时,对应的遏止电压之比为
D.加正向电压时,对应形成的饱和电流之比为
√
[解析] 根据可知,光和光的波长之比等于频率的反比,即为,故A错误;根据,逸出光电子的最大初动能之比,故B错误;根据,加反向电压时,对应的遏止电压之比,故C正确;由于不知道、光照强度的关系,无法判断饱和电流的关系,故D错误.第6章 波粒二象性
第1节 光电效应及其解释
第1课时 光电效应的理解
建议用时:40分钟
◆ 知识点一 光电效应现象及实验规律
1.如图所示,把一块不带电的锌板用导线连接在验电器上,当用某频率的紫外线照射锌板时,发现验电器指针偏转一定角度,下列说法正确的是 ( )
A.验电器带正电,锌板带负电
B.验电器带负电,锌板也带负电
C.若改用红光照射锌板,验电器的指针一定也会偏转
D.若改用同等强度、频率更高的紫外线照射锌板,验电器的指针也会偏转
2.[2024·厦门期末] 光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象,下列说法正确的是 ( )
A.只有可见光照射到金属表面才有可能产生光电效应
B.用光照射金属时产生的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
C.如果入射光频率较低,可以适当增加照射时间以使有光电子产生
D.对于某种金属,无论入射光多强,只要光的频率小于金属的极限频率,就一定不能产生光电子
3.[2024·广西桂林期末] 研究光电效应的实验电路图如图所示,滑动变阻器滑片处于图示位置.用绿光照射阴极K时,电流表示数为零,要使得电流表有示数( )
A.可将照射光改为红光
B.可将电源正负极调换
C.可改变阴极K的材料
D.可将滑动变阻器滑片向左移动
4.做光电效应实验时,用黄光照射一光电管,能产生光电效应,欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大,应 ( )
A.改用红光照射
B.增大黄光的强度
C.增大光电管上的加速电压
D.改用紫光照射
◆ 知识点二 爱因斯坦的光电效应理论对光电效应
的解释
5.某金属在一束单色光的照射下发生光电效应,光电子的最大初动能为Ek,已知该金属的逸出功为W0,普朗克常量为h.根据爱因斯坦的光电效应理论,该单色光的频率ν为 ( )
A. B.
C. D.
6.[2024·山东济南期末] 某光源发出的光由不同频率的光组成,不同频率的光的强度如图所示,表中给出了某些材料的极限频率,用该光源发出的光照射表中材料,下列说法正确的是 ( )
材料 钾 钙 钨
极限频率 (1014 Hz) 5. 44 7. 73 10. 95
A.仅钾能产生光电子
B.仅钨、钙能产生光电子
C.仅钙、钾能产生光电子
D.钨、钙、钾都能产生光电子
7.(多选)[2024·陕西西安期中] 已知使某种金属发生光电效应的极限频率为νc,普朗克常量为h,则( )
A.当用频率为2νc的单色光照射该金属时,一定能产生光电子
B.当用频率为2νc的单色光照射该金属时,所产生的光电子的最大初动能为hνc
C.当照射光的频率ν大于νc时,若ν增大,则逸出功增大
D.当照射光的频率ν大于νc时,若ν增大一倍,则光电子的最大初动能也增加一倍
8.(多选)[2024·山东济南期中] 光电管是一种利用光照射产生电流的装置,当入射光照在管中金属板上时,可能形成光电流.表中给出了6次实验的结果.由表中数据得出的论断中正确的是 ( )
组 次 入射光子 的能量/eV 相对 光强 光电流 /mA 逸出光电子的 最大初动能/eV
第一组 1 2 3 4.0 4.0 4.0 弱 中 强 29 43 60 0.9 0.9 0.9
第二组 4 5 6 6.0 6.0 6.0 弱 中 强 27 40 55 2.9 2.9 2.9
A.两组实验采用了不同频率的入射光
B.两组实验所用的金属板材质不同
C.若入射光子的能量为5.0 eV,逸出光电子的最大初动能为1.9 eV
D.若入射光子的能量为5.0 eV,相对光强越强,光电流越小
9.(多选)[2024·河北石家庄期中] 用波长为λ和3λ的光照射同一种金属,分别产生的速度最快的光电子速度之比为3∶1,普朗克常量和真空中光速分别用h和c表示,那么下列说法正确的有 ( )
A.该种金属的逸出功为
B.该种金属的逸出功为
C.波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应
D.波长超过3λ的光都不能使该金属发生光电效应
10.[2024·江苏苏州期末] 单光子光电效应,即一个电子在极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出.强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,一个电子在短时间内能吸收多个光子形成多光子光电效应.用频率为ν的普通光源照射金属,没有发生光电效应,换同样频率为ν的强激光照射,则可以发生光电效应,测得其遏止电压为U,该金属的逸出功为W,已知普朗克常量为h,电子电荷量为e,则发生光电效应时一个电子能吸收的光子个数为 ( )
A. B.
C. D.
11.(多选)[2024·厦门期末] 用如图的装置研究光电效应现象,当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA,移动滑动变阻器的滑片C,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表读数为0.则 ( )
A.光电管阴极的逸出功为1.8 eV
B.开关S断开后,没有电流流过电流表G
C.光电子的最大初动能为0.7 eV
D.改用能量为1.5 eV的光子照射,电流表G也有电流,但电流较小
12.(多选)[2024·福州期末] 图甲是氢原子的能级图,图乙是光电效应演示装置,装置中金属锌的逸出功为3.4 eV.用大量处于n=4能级的氢原子跃迁时发出的光去照射锌板,下列说法正确的是 ( )
A.若发生光电效应,则验电器内的金属片带负电
B.此光电效应现象表明光具有粒子性
C.有6种不同频率的光可使锌板发生光电效应
D.从锌板逸出来的光电子获得的最大初动能为9.35 eV
13.如图所示,光电管的阴极K是用钠制成的,钠的极限波长为5.0×10-7 m.现用波长为λ=3.0×10-7 m的紫外线照射阴极K,当光电管阳极A和阴极K之间的电压U=2.1 V时,光电流达到最大值Im=0.56 μA.已知元电荷e=1.60×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速c=3×108 m/s.求:(结果保留2位小数)
(1)每秒内由阴极K发射的光电子数目n;
(2)光电子到达阳极A时的最大动能Ek;
(3)该紫外线照射下阴极的遏止电压Uc.
