课件23张PPT。?第一节 光电效应目标导航预习导引目标导航预习导引二三一四一、光电效应与光电流
在光(包括不可见光)的照射下物体发射出电子(光电子)的现象叫光电效应.利用光电效应可制成光电管.
阴极发出的光电子被阳极收集,在回路中会形成电流,称为光电流.目标导航二三一四预习导引二、极限频率
1.每种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应.
2.光电子的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.目标导航二三一四预习导引在光电效应实验中如果入射光的频率一定而强度增加,将会产生什么结果?如果入射光的频率增加,又将会产生什么结果?
答案:当入射光频率高于金属的极限频率时,光强增加,发射的光电子数增多;当入射光频率低于金属的极限频率时,无论光强怎么增加,都不会有光电子发射出来.入射光的频率增加,发射的光电子最大初动能增大.目标导航二三一四预习导引三、遏止电压
在强度和频率一定的光的照射下,回路中的光电流会随着反向电压的增大而减小,并且当反向电压达到某一数值时,光电流将会减小到零,我们把这时的电压称为遏止电压.目标导航二一三四预习导引四、电磁理论解释的困难
1.比较容易解释
随着光源强度的增加,光电流增大.
2.无法解释
每种金属都对应有一个不同的极限频率,而且遏止电压与光的频率有关,与光的强度无关.
光电效应现象说明光具有粒子性,根据光的粒子性可以解释光电效应现象.知识精要思考探究迁移应用一二典题例解一、光电效应的实验规律1.实验规律之一——存在饱和电流
在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流存在一个饱和值.也就是在电流较小时随着电压的增大而增大,当电流增大到一定值之后,即使电压再增大,电流也不会增大了.
实验表明入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多.
2.实验规律之二——存在着遏止电压和截止频率
对光电管加反向电压,光电流可以减小到零,使光电流恰好减小为零的反向电压称为遏止电压.不同频率的光照射金属产生的光电效应,遏止电压是不同的.知识精要思考探究迁移应用一典题例解遏止电压与光电子的初速度的关系:
当入射光的频率减小到某一数值νc时,即使不加反向电压,也没有光电流产生,表明没有光电子了,νc称为截止频率.
实验表明:光电子的能量与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关,当入射光的频率低于截止频率时,不能发生光电效应.
3.实验规律之三——光电效应具有瞬时性
当入射光的频率超过截止频率时,无论入射光强度怎么样,立刻就能产生光电效应.精确测量表明,产生光电流的时间不超过10-9 s.二一知识精要思考探究迁移应用典题例解入射光的频率和光强对光电效应实验有哪些影响?
答案:每种金属都有一定的极限频率,当入射光的频率低于极限频率时不管入射光的强度多大、照射时间多长都不会产生光电子,一旦入射光的频率超过极限频率,则不管光有多么弱都会产生光电效应,发出光电子.
在发生光电效应的条件下,光电流的大小或单位时间内逸出的光电子数目由光的强度决定.
光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只与入射光的频率有关.遏止电压随光的频率的增大而增大,与光的强度无关.二一知识精要思考探究迁移应用典题例解【例1】 (多选)如图为光电管的工作原理图.当用绿光照射光
电管阴极K时,可以发生光电效应,电路中有光电流.则以下说
法中正确的是( )
A.增大绿光照射强度,光电子最大初动能增大
B.增大绿光照射强度,电路中的光电流可能会增大
C.改用比绿光波长大的光照射光电管阴极K时,电路中一定有光电流
D.改用比绿光频率大的光照射光电管阴极K时,电路中一定有光电流二一知识精要思考探究迁移应用典题例解思路分析:本题考查光电效应中光的频率及光强对实验现象的影响,解答本题必须掌握光电效应的实验规律.光强的定义为垂直于光的传播方向上单位面积上单位时间内通过的光的能量,其单位是J/(m2·s),光强的大小只有在发生了光电效应时才对光电流起作用.光的频率决定光子能量的大小,当光子的频率达到一定数值时,光子的能量被电子吸收,使电子足以克服金属原子的束缚而成为光电子并被发射出去,由此可以看出,光的频率决定了是否能够发生光电效应.
二一知识精要思考探究迁移应用典题例解解析:光电管的阴极K涂有金属材料,与阴极相对应的是阳极A,当光照射到阴极K时,如果入射光的频率大于阴极材料的极限频率,就会发生光电效应现象.有光电子从阴极K发出,由于A、K之间存在加速电场,光电子在电场的作用下由K运动到A,于是在回路中形成电流(光电流).本题在绿光照射下已经产生了光电流,增大光照的强度,有可能影响光电流的大小,不能改变光电子出射时的最大初动能,所以A错误,B正确.换用其他频率或波长的光照射时,若其他光的频率比绿光的大,则肯定可以产生光电流,若用比绿光波长大的光照射,则可能出现两种情况,若此光的频率仍然大于这种阴极材料的极限频率,是可以产生光电流的,反之则无光电流产生,所以C错误,D正确.
答案:BD二一知识精要思考探究迁移应用典题例解二一知识精要思考探究迁移应用典题例解 (多选)如图所示,电路中所有元件完好,但光照射到光电管上,灵敏电流计中没有电流通过,其原因可能是( )
A.入射光太弱
B.入射光波长太长
C.光照时间短
D.电源正负极接反
答案:BD
解析:入射光的波长太长,频率低于截止频率,不能产生光电效应,选项B正确;电路中电源接反,对光电管加了反向电压,若该电压超过了遏止电压,也没有光电流产生,选项D正确.二一二知识精要典题例解迁移应用思考探究二、经典电磁理论与光电效应的矛盾实验结果表明,每种金属都对应有一个不同的极限频率,而且遏止电压与光的频率有关,却与光的强度无关.由此可见,经典物理学里光的电磁理论在解释光电效应实验时遇到了根本性的困难.一二知识精要典题例解迁移应用思考探究光的波动理论能否解释光电效应现象?对照光电效应的实验规律,指出电磁理论解释的局限性表现在哪些方面.
答案:不能.电磁理论解释的局限性表现如下:一二知识精要典题例解迁移应用思考探究一二知识精要典题例解迁移应用思考探究一二知识精要典题例解迁移应用思考探究【例2】 下列光电效应的规律中,用波动说能解释的是( )
A.入射光的频率必须大于被照金属的极限频率才能产生光电效应
B.发生光电效应时,光电流的强度随入射光强度的增大而增大
C.光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大
D.光电效应发生的时间极短,一般不超过10-9 s
解析:按照波动说,入射光只要足够强就能发生光电效应,A、C
错误;入射光越强,光电流越强,B正确;按照波动说,入射光较弱
时,只要照射足够长时间,就能发生光电效应,D错误.
答案:B一二知识精要典题例解迁移应用思考探究一二知识精要典题例解迁移应用思考探究光电效应中,从同一金属逸出的电子的动能的最大值( )
A.只跟入射光的频率有关
B.只跟入射光的强度有关
C.跟入射光的频率和强度都有关
D.除跟入射光的频率和强度有关外,还和光照时间有关
答案:A
解析:根据光电效应的规律知,光电子的最大初动能只取决于入射光的频率,故A选项正确.课件30张PPT。?第二节 光子目标导航预习导引目标导航预习导引二一答案: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.四三目标导航二一预习导引 二、光子假说
1.内容:光的能量是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,一个光子的能量ε=hν,式中h是普朗克常量,ν是光的频率.
2.意义:利用光子假说,可以完美地解释光电效应的各种特征.四三目标导航三一预习导引?答案:不同.四二目标导航四一预习导引?三二目标导航预习导引答案: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.四一三二一一、普朗克能量量子化假设1.能量子:超越牛顿的发现
(1)普朗克的量子化假设:
①能量子:振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍.例如,可能是ε或2ε、3ε、…,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的.这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子;②能量子公式:ε=hν,ν是电磁波的频率,h是一个常量,称为普朗克常量,其值h=6.63×10-34 J·s;③能量的量子化:在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫做能量的量子化.迁移应用典题例解知识精要思考探究二一(3)普朗克的能量子假说的意义:普朗克的能量子假说,使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发现产生了革命性的影响.迁移应用典题例解知识精要思考探究二一2.能量的量子化
微观粒子的能量与宏观世界的能量的认识不同.例如,一个宏观的弹簧振子,把小球推离平衡位置后开始振动,能量为E.第二次我们可以把它推得稍远一些,使它振动的能量稍多一些,例如1.2E或1.3E.推得更远,能量更大.弹簧振子的能量不是某一个最小值的整数倍.只要在弹性限度内,我们可以把小球推到任何位置,其能量可以是任何值.即对弹簧振子的能量,我们说能量值是连续的;而普朗克的假说则认为,微观粒子的能量是量子化的,或说微观粒子的能量是分立的迁移应用典题例解知识精要思考探究二知识精要迁移应用一思考探究在一杯开水中放入一支温度计,开水静置室内,可以看到开水的温度是逐渐降低的,既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的,为什么它的温度不是一段一段地降低?答案:温度是一个宏观物理量,宏观物理量基本是以人的感官来定义的,受限制于人的观察精度,我们说各种物理量是连续的.基本上讲,宏观的物理学是一种近似的科学,是微观物理量变化的统计学结果.另外时间、空间也并非是连续的,也有最小的不可分割的量,所以基本物理量都是非连续的.从这个角度说,温度的测量实际上也是不连续的.典题例解二知识精要典题例解思考探究一【例1】 氦氖激光器发射波长为632.8 nm的单色光,试计算这种光的一个光子的能量是多少.若该激光器的发光功率为18 mW,则每秒发射多少个光子??答案:3.14×10-19 J 5.73×1016个迁移应用二一知识精要典题例解思考探究迁移应用二知识精要迁移应用思考探究一二?答案:A?典题例解迁移应用思考探究知识精要一二二、光电效应现象的解释1.逸出功和截止频率均由金属本身决定,与其他因素无关,两者的关系是W0=hν0;
2.光的强度决定了单位时间内逸出的光电子数目;
3.逸出的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.典题例解知识精要迁移应用思考探究一典题例解二一知识精要迁移应用思考探究典题例解二思考探究典题例解迁移应用 现用波长为400 nm的单色光照射上述材料,能产生光电效应的材料最多有(普朗克常量 h=6.63×10-34 J·s,光速c=3.0×108 m/s)( )A.2种 B.3种 C.4种 D.5种知识精要一二解析:本题考查发生光电效应的条件,光子的能量及光的波长、波速与频率的关系.
照射光光子的能量大于铯、钙的逸出功,能产生光电效应的材料有2种,故A正确.答案:A 思考探究典题例解迁移应用知识精要一二思考探究典题例解迁移应用知识精要一二思考探究迁移应用典题例解(多选)下列对光电效应的理解正确的是( )
A.金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子,当它积累的能量足够大时,就能逸出金属
B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功,便不能发生光电效应
C.发生光电效应时,入射光强度越大,光子的能量就越大,电子的最大初动能就越大
D.由于不同金属的逸出功是不相同的,因此使不同金属产生光电效应的入射光的最小频率也不同答案:BD 知识精要一二解析:按照爱因斯坦的光子说,光子的能量是由光的频率决定的,与光的强度无关.入射光的频率越大,发生光电效应时逸出的光电子的最大初动能越大.但要使电子离开金属,应使电子具有足够的动能,而电子增加的动能只来源于照射光的光子能量,但电子只能吸收一个光子,不能吸收多个光子,因此如果光的频率低,即使照射时间足够长,也不会发生光电效应.电子从金属中逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小,这个功称为逸出功,不同金属的逸出功不同.故B、D正确.思考探究迁移应用典题例解知识精要一二知识链接类题试解光电效应实验与电路知识结合,发生光电效应时,产生的光电子与电学、磁学知识有机结合,构成综合性问题.案例探究案例探究知识链接类题试解如图所示,一光电管的阴极用截止波长λ0=5 000 ?的钠制成.用波长λ=3 000 ?的紫外线照射阴极,光电管阳极A和阴极K之间的电势差U=2.1 V,饱和光电流的值(当阴极K发射的电子全部到达阳极A时,电路中的电流达到最大值,称为饱和光电流)I=0.56 μA.(1)求每秒内由K极发射的光电子数目;
(2)求电子到达A极时的最大动能;(3)如果电势差U不变,而照射光的强度增到原值的3倍,此时电子到达A极时最大动能是多大?(普朗克常量 h=6.626×10-34 J·s)?案例探究知识链接类题试解?答案:(1)3.5×1012个 (2)6.01×10-19 J (3)6.01×10-19 J案例探究知识链接类题试解案例探究知识链接类题试解知识链接案例探究类题试解在旧式彩色电视机的显像管中,从电子枪射出的电子在2万伏的高压下被加速,并且形成1 mA的平均电流.电子束的强弱受图像信号控制,并按一定的规律在荧光屏上扫描,形成电视画面.电视机以每秒显现25张画面的速率进行扫描,由于画面更换迅速和视觉暂留,我们便看到了活动的景象.(1)电子以多大的动能轰击荧光屏?
(2)平均每幅画面有多少个电子打在屏上?
(3)如果轰击屏的能量全部被屏吸收并转化为光能,平均每幅画面射出多少个光子?(以绿光ν=5.5×1014 Hz为平均频率进行计算.普朗克常量h=6.626×10-34 J·s)答案:(1)3.2×10-15 J (2)2.5×1014 个 (3)2.2×1018个
(4)见解析?知识链接案例探究类题试解课件26张PPT。?第三节 康普顿效应及其解释
第四节 光的波粒二象性目标导航预习导引目标导航预习导引二一?目标导航预习导引二一4.康普顿效应的意义
再次证明了爱因斯坦光子假说的正确性.不仅证明了光子具有能量,同时证明了光子具有动量.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耀眼刺目,其他方向的天空却是黑的.为什么?
答案: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;而在太空中的真空环境下,光不再散射,只向前传播.目标导航二一预习导引二、光的波粒二象性
1.光的波粒二象性的本质
(1)双缝干涉实验装置如图 (2)条件控制
降低光源S的强度,直到入射光减弱到没有两个光子同时存在的程度.
(3)实验过程
经过短时间、较长时间和长时间让感光片曝光.目标导航二一预习导引 (4)实验结果
①短时间,感光片上呈现杂乱分布的光点.
②较长时间,感光片上呈现模糊的亮纹.
③长时间,感光片上形成清晰的明暗相间的干涉图样.
④实验结论
光既有粒子性,又有波动性,光具有波粒二象性.
2.概率波
(1)对干涉实验中明暗条纹的解释
每个光子按照一定的概率落在感光片上的某一点,概率大的地方落下的光子多,形成亮纹,概率小的地方落下的光子少,形成暗纹.
(2)光波是一种概率波,干涉条纹是光子在感光片上各点概率分布的反映.
在宏观世界波和粒子是相互对立的,在微观世界波和粒子是统一的.单个光子运动具有偶然性,大量光子运动符合统计规律,概率波体现了波粒二象性的和谐统一.
?知识精要思考探究迁移应用一二典题例解?三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解光子说是如何对康普顿效应进行解释的?答案:假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞,这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似.按照爱因斯坦的光子说,一个X射线光子不仅具有能量 ε=hν,而且还有动量,如图所示.这个光子与静止的电子发生弹性斜碰,光子把部分能量转移给了电子,能量由hν减小为hν',因此频率减小,波长增大.同时,光子还使电子获得一定的动量.三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解【例1】 (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,以下说法中正确的是( )
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
思路分析:(1)对康普顿现象的理解,可以类比实物粒子的弹性
碰撞,在散射过程中要遵循动量守恒和能量守恒定律.(2)是否发
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,产生康普顿效应;当波长较长的可见光
或紫外光入射时,主要产生光电效应.三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解?三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解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.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.频率不变
C.光子能量变大 D.波长变长
答案:D
解析;运动的光子和一个静止的自由电子碰撞时,既遵守能量守恒,又遵守动量守恒.碰撞中光子将能量为hν的一部分传递给了电子,光子的能量减少,波长变长,频率减小,D选项正确.三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究二、光的波粒二象性?三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究有一位记者曾向英国物理学家、诺贝尔奖获得者布拉格请教:光是波还是粒子?布拉格幽默地答道:“星期一、三、五它是一个波,星期二、四、六它是一个粒子,星期天物理学家休息.”你是如何理解布拉格的回答的?
答案:光既不同于宏观观念的粒子,又不同于宏观观念的波,但光既具有粒子性,又具有波动性.粒子性、波动性都是光本身的属性.三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究【例2】 (多选)对光的认识,以下说法正确的是( )
个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动
性
B.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就
不具有波动性了
光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明
显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
解析;个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波
动性,A正确;当光和物质作用时,是“一份一份”的,表现出粒子
性,并不是光子间的相互作用,B错误;光的传播表现为波动性,
光的波动性与粒子性都是光的本质属性,只是表现明显与否,不
容易观察并不说明不具有,C错误,D正确.
答案:AD三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究(多选)在验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是( )
使光子一个一个地通过单缝,如果时间足够长,底片上会出现
衍射图样
B.单个光子通过单缝后,底片上会出现完整的衍射图样
C.光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏
D.单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现出随机性,大量光
子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性
答案:AD
解析;个别光子的行为表现出粒子性.单个光子的运动是随机
的、无规律的.大量光子的行为表现出波动性,大量光子运动符
合统计规律,通过单缝产生衍射图样,故A、D正确,B错误;光
子通过单缝的运动路线是有规律的,故C错误.三一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二三、概率波1.单个光子运动的偶然性
用弱光照射双缝,当照射时间很短时,胶片上出现的是散乱的感光点,这一个个感光点表明光在与胶片作用(使其感光)时,是一份一份进行的;同时,感光点的散乱还表明单个光子通过双缝后到达胶片的什么位置是随机的,是预先不能确定的.
2.大量光子运动的必然性
当弱光照射双缝较长一段时间后,有大量光子先后通过双缝落在胶片上,出现大量的感光点,这些感光点形成分隔的一条条感光带,这正是光的双缝干涉条纹.在明条纹(感光强)处光子到达的多,单个光子到达明条纹处的概率大,而在暗条纹(感光弱)处,光子到达的概率小,因此,尽管单个光子通过双缝后落在胶片上何处是随机的,但它到达胶片上某位置处的概率大小却符合波动规律.从这个意义上讲,光是一种概率波.一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二3.和谐的统一
概率是一种统计概念,少量光子的行为显示不出概率统计规律,大量光子才显示出这种规律.“概率波”实际上是将光的波动性和粒子性统一起来的一种说法.
4.波动性是光子的属性
从经典物理学的角度上讲,波动应该是质点间相互作用的结果.在这里,光子具有波动性,就应该是光子与光子作用的结果.但人们发现在双缝干涉实验中,即使光很弱,弱到光子一个一个地射向胶片(这时排除了光子间有相互作用),在照射时间足够长时,底片上最终还是形成了干涉图样,这正说明波动性不是由光子间相互作用而引起的,而是光子的固有属性.一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二1927年,两位美国物理学家用电子束照射到铝箔的金属晶体上得到了电子束的衍射图案(如图),从而证实了德布罗意的假设.在电子衍射图样中,出现明暗相间的圆环,说明什么?
答案:在电子衍射图样中,出现明暗相间的圆环,说明电子落在“亮圆”上的概率大,落在“暗圆”上的概率小.一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二【例3】 (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子;如果曝光时间足够长,底片上就出现了
规则的干涉条纹.对这个实验结果,下列认识正确的是( )
A.曝光时间不长时,光子的能量太小,底片上的条纹看不清楚,故出现
不规则的点子
B.单个光子的运动没有确定的轨道
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波动性一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二解析:光是一种概率波,对于一个光子通过单缝落在何处,是不
确定的,但概率最大的是中央亮纹处,可达95%以上,还可能落
到暗纹处,不过落在暗纹处的概率最小(注意暗纹处并非无光子
到达).故C、D选项正确.
答案:CD一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二(多选)电子的运动受波动性的支配,对于氢原子的核外电子,下列说法正确的是( )
A.氢原子的核外电子可以用确定的坐标描述它们在原子中的位置
B.电子绕核运动时,可以运用牛顿运动定律确定它的轨道
C.电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的
D.电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置
答案:CD
解析:微观粒子的波动性是一种概率波,对应微观粒子的运动,牛顿运动定律已经不适用了,所以氢原子的核外电子不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置,电子的“轨道”其实是没有意义的,电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置,综上所述C、D正确.课件30张PPT。第五节 德布罗意波 目标导航预习导引目标导航预习导引一、德布罗意波假说
任何一个实物粒子都和一种波相对应,这种波被称为德布罗意波,也称物质波.
预习交流1
射击运动员射击时会因为子弹的波动性而“失准”吗?为什么?根据现实情况下子弹质量、速度大小所对应的德布罗意波波长来做定性说明.
答案:不会.因为宏观的子弹质量和速度较大,动量较大,德布罗意波波长非常小.目标导航预习导引二、电子衍射
电子衍射的发现证明了德布罗意波假说,实验表明,其他一切微观粒子也都具有波动性.
三、电子云
当原子处于稳定状态时,电子会形成一个稳定的概率分布,这种概率分布称为电子云.
四、不确定关系的表达式
实验发现,对光子位置的测量越精确,其动量的不确定性就越大,反之亦然.微观粒子的不确定性关系的表达式为____________.目标导航预习导引预习交流2
“在微观物理学中,由于我们不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量,粒子出现的位置是无规律可循的.”你是如何理解的?
答案:虽然我们不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量,但粒子的运动却有规律可循,那就是统计规律,比如,衍射的亮斑位置就是粒子出现概率大的位置.一迁移应用典题例解知识精要思考探究二一、物质波
1.德布罗意假说的内容
(1)实物粒子也具有波动性,即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种波叫做德布罗意波,也称为物质波.
(2)粒子有能量和动量与对应波的频率和波长的关系为一迁移应用典题例解知识精要思考探究二2.物质波的实验验证
(1)证明思路:观察实物粒子的衍射图样.
由 知,要使λ大,应使m尽可能小,晶体中离子间距为10-10 m,因此可利用晶体作衍射光栅,检验电子的波动性.?
(2)物质波的实验验证
戴维孙和G.P.汤姆生分别利用晶体做了电子束衍射的实验,得到了类似如图所示的衍射图样,从而证实了电子的波动性.一迁移应用典题例解知识精要思考探究二3.对物质波的理解
(1)任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小.
(2)德布罗意波是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率受波动规律的支配,不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波.
(3)德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波.一迁移应用典题例解知识精要思考探究二(4)对于光,先有波动性(即ν和λ),再在量子理论中引入光子的能量ε和动量p来补充它的粒子性.反之,对于实物粒子,则先有粒子概念(即ε和p),再引入德布罗意波(即ν和λ)的概念来补充它的波动性.不过要注意这里所谓的波动和粒子,仍然都是经典物理学的概念,所谓补充仅是形式上的.综上所述,德布罗意的推想基本上是爱因斯坦1905年关于光子的波粒二象性理论(光粒子由波伴随着)的一种推广,使之包括了所有的物质微观粒子.一迁移应用典题例解知识精要思考探究二4.物质波也是概率波
对于电子、实物粒子等其他微观粒子,同样具有波粒二象性,所以与它们相联系的物质波也是概率波.也就是说,单个粒子位置是不确定的,具有偶然性;大量粒子运动具有必然性,遵循统计规律.概率波将波动性与粒子性统一起来.知识精要迁移应用一思考探究典题例解二宏观物体也具有波粒二象性吗?
答案:宏观物体由于运动动量较大,根据德布罗意波波长与动量的关系 ,波长非常非常小,尽管不容易观察到它们的干涉、衍射等波的现象,但它们仍然具有波动性,因此宏观物体也具有波粒二象性.知识精要典题例解思考探究一迁移应用二【例1】 照相底片上的感光物质中的AgBr分子在光照射下能分解,经冲洗后就被记录下来(这种现象称为“光化效应”,与光电效应类似,只有入射光光子的能量大于某一数值,才能发生).已知分解一个AgBr分子所需的最小能量约为1.0×10-19 J,h=6.63×10-34 J·s,试探究分析这种照相底片感光的截止波长(即它能记录的光的最大波长值).
解析:ε=hν,而c=λν,答案:2.0×10-6 m 一知识精要典题例解思考探究迁移应用二知识精要迁移应用思考探究一二典题例解一质量为450 g的足球以10 m/s的速度在空中飞行;一个初速度为零的电子,通过电压为100 V的加速电场.试分别计算它们的德布罗意波波长.(已知me=9.1×10-31 kg,e=1.6×10-19 C,h=6.63×10-34 J·s)
答案:1.47×10-34 m 1.23×10-10 m
解析:物体的动量p=mv,迁移应用思考探究知识精要一二典题例解迁移应用思考探究知识精要一二典题例解迁移应用思考探究知识精要一二典题例解迁移应用思考探究知识精要一二典题例解知识精要迁移应用思考探究一典题例解二思考探究典题例解迁移应用知识精要一二思考探究典题例解迁移应用知识精要一二思考探究典题例解迁移应用知识精要一二思考探究迁移应用典题例解知识精要一二思考探究迁移应用典题例解知识精要一二知识链接类题试解案例探究物质波与显微镜
当被观察物太小时,衍射现象不能忽略,这样物体的像就模糊了,影响了显微镜的分辨本领.
电子显微镜是使用电子束工作的.电子束也是一种波,如果把它加速,电子动量很大,它的德布罗意波长就很短,衍射现象的影响就很小.案例探究知识链接类题试解影响显微镜分辨率本领的一个因素是衍射,衍射现象越明显,分辨本领越低.使用电子束工作的电子显微镜有较高的分辨本领,它利用高压对电子束加速,最后打在感光胶片上来观察显微图像.以下说法正确的是( )
A.加速电压越高,电子的波长越长,分辨本领越强
B.加速电压越高,电子的波长越短,衍射现象越明显
C.如果加速电压相同,则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领强
D.如果加速电压相同,则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领弱案例探究知识链接类题试解解析:设加速电压为U,电子电荷量为e,质量为m,对电子来说,加速电压越高,λ越小,衍射现象越不明显,故选项A、B错误;电子与质子比较,因质子质量比电子质量大得多,可知质子加速后的波长要小得多,衍射现象不明显,分辨本领强,故选项C正确,选项D错误.
答案:C案例探究知识链接类题试解知识链接案例探究类题试解电子和光一样具有波粒二象性,它表现出波动性,就像X射线穿过晶体时会产生衍射一样,这一类实物粒子的波动叫德布罗意波.质量为m的电子以速度v运动时,这种德布罗意波的波长可表示为 .已知电子质量m=9.1×10-31 kg,电子电荷量e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.
(1)计算具有100 eV动能的电子的动量p和波长λ;
(2)若一个静止的电子经2 500 V电压加速,求能量和这个电子动能相同的光子的波长及该光子的波长和这个电子的波长之比.
答案:(1)5.4×10-24 kg·m/s 1.2×10-10 m
(2)5.0×10-10 m 20知识链接案例探究类题试解解析:(1)电子的动量 第二章过关检测
(时间:45分钟 满分:100分)
一、选择题(本题共8小题,每小题6分,共48分.在每小题给出的四个选项中,第1~4题只有一项符合题目要求,第5~8题有多项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分)
1.红光和紫光相比,下列说法正确的是( )
A.红光光子的能量较大;在同一种介质中传播时红光的速度较大
B.红光光子的能量较小;在同一种介质中传播时红光的速度较大
C.红光光子的能量较大;在同一种介质中传播时红光的速度较小
D.红光光子的能量较小;在同一种介质中传播时红光的速度较小
答案B
解析红光的频率较紫光小,能量小,在同一介质中的折射率较紫光小,传播速度较紫光大.
2.分别用波长为λ和λ的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为1∶2,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为( )(导学号51160151)
A. B. C. D.
答案B
解析根据光电效应方程hν=Ek+W0和c=λ0ν0(c为光速),列方程组求解.
3.在下列各组的两个现象中都表现出光具有粒子性的是( )(导学号51160152)
A.光的折射现象、偏振现象
B.光的反射现象、干涉现象
C.光的衍射现象、偏振现象
D.光的康普顿效应、光电效应现象
答案D
解析干涉、衍射和偏振是波的特性,而光电效应、康普顿效应证明光具有粒子性.
4.某激光器能发射波长为λ的激光,发射功率为P,c表示光速,h为普朗克常量.则激光器每秒发射的光子数为( )(导学号51160153)
A. B. C. D.λPhc
答案A
解析由P·1 s=nh得n=,故正确选项为A.
5.下列说法正确的是( )
A.光的粒子性说明每个光子就像极小的小球体一样
B.光是波,而且是横波,与橡皮绳上传播的波类似
C.光和物质相作用时是“一份一份”进行的,从这个意义上说光是一种粒子
D.光子在空间各点出现的可能性的大小(概率),可以用波动的规律来描述,从这个意义上说光是一种波
答案CD
解析光具有波动性,但不是经典理论中的波,光具有粒子性,也不是传统概念中的粒子.光与物质作用时,即发生能量交换时,不是连续进行的,而是“一份一份”进行的,表现出粒子性,光在空间的分布规律符合波动规律,表现出波动性,因此,A、B不正确,C、D正确.
6.某种金属在一束蓝光照射下恰有光电子逸出,要使逸出光电子的最大初动能增大,不可采用的方法是( )
A.增大蓝光的照射强度 B.延长蓝光照射的时间
C.改用紫光照射 D.改用紫外线照射
答案CD
解析根据光电效应规律,只有增大入射光频率才能增大光电子最大初动能,紫光和紫外线频率均大于蓝光频率,能增大光电子最大初动能.
7.某单色光照射某金属时不能发生光电效应,则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是( )
A.延长光照时间
B.换用频率较高的光照射
C.换用波长较短的光照射
D.增大光的强度
答案BC
解析根据光电效应规律,每种金属都有一个极限频率,只有入射光频率大于该金属的极限频率才能发生光电效应,只能增大入射光频率或减小入射光波长才能使该金属发生光电效应.
8.如图,一光电管的工作原理图,当用波长为λ的光照射阴极K时,电路中有光电流,则( )(导学号51160154)
A.换用波长为λ1(λ1>λ)的光照射阴极K时,电路中一定没有光电流
B.换用波长为λ2(λ2<λ)的光照射阴极K时,电路中一定有光电流
C.增加电路中电源的路端电压,电路中的光电流一定增大
D.将电路中电源的极性反接,电路中可能还有光电流
答案BD
解析用波长为λ的光照射阴极K,电路中有光电流,表明λ小于该金属的极限波长λ0,换用波长为λ1的光照射,虽然λ1>λ,但是λ1不一定大于λ0,所以用波长为λ1的光照射时,可能仍有光电流,故A错误.用波长为λ2(λ2<λ)的光照射阴极K时,因λ2<λ<λ0,故电路中一定有光电流,B对.如果电源的端电压已经足够大,阴极K逸出的光电子都能全部被吸引到阳极形成光电流,此时再增大路端电压,电路中的光电流也不再增大,C错.将电路中电源的极性反接,具有最大初动能的光电子有可能能够克服电场阻力到达阳极A,从而形成光电流,所以D对.
二、非选择题(共4个小题,共52分)
9.(10分)第一个在理论上预言电磁波存在并指出光是一种电磁波的物理学家是 ;第一个在实验上证实电磁波存在的物理学家是 ;提出物质波假说的物理学家是 ;第一个提出量子概念的物理学家是 ; 提出了 解释了光电效应现象.?
答案麦克斯韦 赫兹 德布罗意 普朗克 爱因斯坦 光子说
10.(10分)某金属在一束绿光照射下,刚好能产生光电效应,如增大绿光入射强度,则逸出的光电子数将 ,逸出电子的最大初动能将 ;如改用一束强度相同的紫光照射,逸出的电子的最大初动能将 .?
答案增多 不变 增多
解析光强取决于入射光的频率和光子个数,增大绿光入射强度,增加了入射绿光的光子个数,逸出的光电子数增多.由光电效应方程知只有增加入射光频率才能增大光电子的最大初动能.
11.(16分)用频率为ν1=6.00×1014 Hz的光照射钠片,恰可使钠发生光电效应,现改用频率为ν2=8.00×1014 Hz的紫外线照射,飞出的光电子的最大初动能应该为多少?(导学号51160155)
答案1.33×10-19 J
解析设钠的逸出功为W0,根据爱因斯坦光电效应方程得W0=hν1
设光电子的最大初动能为Ek,根据爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν2-W0,所以Ek=1.33×10-19 J.
12.(16分)德布罗意认为,任何一个运动着的物体,都有一种波与它对应,波长是λ=,式中p是运动物体的动量,h是普朗克常量.已知某种紫光的波长是440 nm,若将电子加速,使它的德布罗意波波长是这种紫光波长的10-4倍.(导学号51160156)
(1)求电子的动量大小.
(2)试推导加速电压跟德布罗意波波长的关系.
答案(1)1.5×10-23 kg·m/s (2)U=
解析(1)根据公式λ=得
p= 代入数据得p电=1.5×10-23 kg·m/s.
(2)根据动能定理有eU=mv2=,而电子动量满足p=,所以U=.
课时训练5 光电效应
基础夯实
1.某种单色光照射某金属时不能产生光电效应,则下述措施中可能使金属产生光电效应的是( )
A.延长光照时间
B.增大光的强度
C.换用波长较短的光照射
D.换用频率较低的光照射
答案C
解析由发生光电效应的条件可知能不能产生光电效应与入射光的频率和金属板的材料有关,当金属一定时,要发生光电效应,就只有增大入射光的频率,也就是入射光的波长变短,所以C选项正确.
2.如图所示,用一束光照射光电管时,电流表A中有一定读数,下面的哪项措施可以保证使A的示数增加(设光电流为饱和状态)( )(导学号51160133)
A.增大入射光的频率 B.增大入射光的强度
C.滑片P向右移动 D.滑片P向左移动
答案B
解析光电流为饱和状态时,其大小随入射光强增大而增大.
3.用绿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加,应( )
A.改用红光照射
B.改用紫光照射
C.增大绿光强度
D.增大光电管上的加速电压
答案B
解析光电子的最大初动能只与入射光的频率有关,入射光的频率越大,逸出的光电子的最大初动能越大,所以应该增加入射光的频率,只有B正确.
4.如图所示的光电效应实验图,已知当有波长为λ0的光照射阴极K上时,电路中有光电流,则( )
A.若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射,G表有电流通过
B.若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射,不一定有电流通过
C.关上开关S调节P使得G表电流为零,改用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射,G表可能有电流通过
D.关上开关S调节P使得G表电流为零,改用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射,G表一定有电流通过
答案D
解析虽然波长为λ0的光照射光电管时有光电流产生,但光电管的极限频率不一定是,用λ1的光照射可能有光电流产生,也可能没有,A错;由于λ2的光的频率大于λ0的光的频率,光电管一定有电流产生,B错;关上电键调节滑片P,这时的V表读数为波长为λ0的光照射光电管时的遏止电压,以λ1照射时G表必无电流,C错;而用波长更短的λ2照射时则必有电流通过G表,D对.
5.A、B两束不同频率的光均能使某金属发生光电效应,如果产生光电流的最大值分别是IA和IB,且IAA.照射光的波长λA<λB
B.照射光的波长λA>λB
C.单位时间里照射到金属板的光子数NAD.照射光的频率νA<νB
答案C
解析光电流大小与光的强度成正比,与入射光的频率无关,IA6.(多选)关于光电效应,以下说法正确的是( )
A.光电子的最大初动能与入射光的频率无关
B.光电子的最大初动能越大,形成的光电流越强
C.能否产生光电效应现象,决定于入射光的频率是否大于极限频率
D.用频率是ν1的绿光照射某金属发生了光电效应,改用频率是ν2的紫光照射该金属一定能发生光电效应
答案CD
解析入射光的频率越大,产生的光电子的最大初动能越大,A错;光电流的强度与单位时间内逸出的光电子数目有关,与光电子最大初动能无关,B错;只要入射光子的频率大于极限频率,就能产生光电效应,C正确;紫光的频率大于绿光的频率,绿光能产生光电子,则紫光一定能产生光电子,D正确.
能力提升
7.(多选)如图所示,N为铂板,M为金属网,它们分别和电池两极相连,各电池的电动势E和极性已在图中标出,铂的极限频率为1.529×1015 Hz.现分别用频率不同的光子照射铂板(各光子的频率也已在图上标出).那么下列图中能有电子到达金属网的是( )(导学号51160135)
答案CD
解析铂的极限频率为1.529×1015 Hz,只有大于这个极限频率才能产生光电子,所以只有C和D两图中的铂板才能产生光电子;欲使光电子到达金属网,两极间必须加正向电压,而题中的四个图所加的电压均为正向电压,所以能产生光电子且能到达金属网的是C和D.
8.(多选)如图,一真空光电管的应用电路,其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014 Hz,则以下判断正确的是( )
A.发生光电效应时,电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率
B.发生光电效应时,电路中的光电流的饱和值取决于入射光强度
C.用λ=0.5 μm的光照射光电管时,电路中有光电流产生
D.光照射时间越长,电路中的光电流越大
答案BC
解析光电流的饱和值取决于入射光强度而与频率无关,A错,B正确;根据ν= Hz=6.0×1014 Hz,大于极限频率,能产生光电效应,C正确;光电效应现象与光照时间长短无关,D错.
9.(多选)下列关于光电效应的说法正确的是( )
A.若光电子恰好到达阳极时克服电场力所做的功为W,则光电子的最大初动能也为W
B.光电子的初速度和照射光的频率无关
C.光电子的最大初动能和照射光的频率无关
D.若光电子恰好到达阳极时克服电场力所做的功为W,则遏止电压U=
答案AD
解析在光电管电路中加上反向电压,使光电子恰好能到达阳极,则光电子的最大初动能完全用来克服反向电压而做功,亦即W=eU=,A、D正确;光电子的最大初速度和最大初动能都与照射光的频率有关,B、C错误.
10.(多选)如图,研究光电效应的电路,利用能够产生光电效应的两种(或多种)已知频率的光进行实验,则下列说法正确的是( )
A.当入射光的频率大于K极的极限频率时,把滑动电阻器的滑片移到最左端,电流表读数不为零
B.当入射光的频率大于K极的极限频率时,把滑动电阻器的滑片移到最左端,电流表读数为零
C.当入射光的频率大于K极的极限频率时,把滑动电阻器的滑片向右端移动,电流表读数增加
D.当入射光的频率大于K极的极限频率时,把滑动电阻器的滑片向右端移动,电流表读数减小
答案AC
解析只要入射光的频率大于K极的极限频率,就有光电子产生,图示电路中两极间加的是正向电压,即使电压为零,也会有一部分电子的最大初动能大于零从而到达阳极,形成电流,A正确,B错;由于两极间加的是正向电压,当滑动触头向右端移动时,正向电压增大,将会有更多的电子被加速从而到达阳极,使电流增大,C正确,D错.
11.如图所示,一静电计与锌板相连,在A处用一弧光灯照射锌板,关灯后,指针保持一定偏角.(导学号51160136)
(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触,则静电计指针偏角将 (选填“变大”“变小”或“不变”).?
(2)静电计指针回到零,再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板,静电计指针无偏转,那么,若改用强度更大的红外线灯照射锌板,可观察到静电计指针 (选填“有”或“无”)偏转.?
答案(1)减小 (2)无
解析依据光电效应规律和静电知识来判断.
(1)锌板在弧光灯照射下发生光电效应现象,有光电子飞出,锌板带正电.将一带负电的金属小球与锌板接触,将锌板上的正电荷中和一部分,锌板正电荷减少,则静电计指针偏角将变小.
(2)要发生光电效应现象,照射光的频率必须大于这种金属的极限频率,而与照射的强度无关.用黄光照射,静电计指针已经无偏转,即不能发生光电效应现象了,当改用强度更大的红外线照射时,因为红外线的频率比黄光低,所以用红外线照射更不能发生光电效应,静电计指针无偏转.
课时训练6 光子
基础夯实
1.光电效应的四条规律中,经典的电磁理论能解释的有( )
A.入射光的频率必须大于被照射的金属的极限频率才能产生光电效应
B.光电子的最大初动能与入射光强度无关,只随入射光频率的增大而增加
C.入射光照到金属上时,光电子的发出几乎是瞬时的
D.当入射光频率大于金属的极限频率时,光电流强度与入射光强度成正比
答案D
解析光电效应现象与经典的电磁学理论的矛盾是不能解释极限频率的存在,不能解释最大初动能与入射光的频率有关,不能解释光电子的发射几乎不需要时间,显然答案为D.
2.用能量为5.0 eV的光子照射某金属的表面,金属发射光电子的最大初动能为1.5 eV,则该金属的逸出功为( )
A.1.5 eV B.3.5 eV
C.5.0 eV D.6.5 eV
答案B
3.某金属在一束绿光的照射下发生光电效应,则( )
A.若增加绿光的照射强度,则单位时间内逸出的光电子数目不变
B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加
C.若改用紫光照射,则逸出的光电子最大初动能增加
D.若改用紫光照射,则单位时间内逸出的光电子数目增加
答案C
解析光电流和光电子的最大初动能与入射光的强度无关,A、B错;改用紫光照射,入射光频率增大,光电子的最大初动能增加,C对;至于用紫光照射时单位时间内逸出的光电子数目是否变化,要看光的强度怎样改变,D错.
4.如图,光电管的工作电路,要使电路中形成较强的光电流,须在A、K两电极间加一直流电压,则( )
A.电源正极应接在P点,光电子从K极发出
B.电源正极应接在P点,光电子从A极发出
C.电源正极应接在Q点,光电子从K极发出
D.电源正极应接在Q点,光电子从A极发出
答案A
解析首先这个电压应该是加速电压,P应该是电源正极,显然K是金属电极,亦即是阴极,用来产生光电子,在光的照射下,光电子从K极逸出.A正确,B、C、D错误.
5.利用光电管研究光电效应的实验电路如图所示,用频率为ν0的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( )(导学号51160137)
A.用紫外光照射K,电流表中不一定有电流通过
B.用红外光照射K,电流表中一定无电流通过
C.用频率为ν0的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片移到A端,电流表中一定无电流通过
D.用频率为ν0的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片向B端滑动时,电流表示数可能不变
答案D
解析选项若原来电流已饱和,则滑片向B端移动电流表示数将不变.
6.(多选)铯的极限频率为4.5×1014Hz,下列光中可使其发生光电效应的是( )
A.真空中波长为0.9 μm的红外线
B.真空中波长为0.7 μm的红光
C.真空中波长为0.45 μm的紫光
D.真空中波长为0.3 μm的紫外线
答案CD
解析根据c=λν,可以计算出入射光的波长为0.66 μm,由此可知能发生光电效应现象的是C、D,故C、D正确.
7.用某种频率的光照射锌板,使其发射出光电子.为了增大光电子的最大初动能,下列措施可行的是( )(导学号51160138)
A.增大入射光的强度
B.增加入射光的照射时间
C.换用频率更高的入射光照射锌板
D.换用波长更长的入射光照射锌板
答案C
解析根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W可知,Ek与照射光的频率成线性关系,只有选项C可行.
能力提升
8.以往我们认识的光电效应是单光子光电效应,即一个电子在极短时间内只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,由于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从而形成多光子光电效应,这已被实验证实.光电效应实验装置示意如图所示.用频率为ν的普通光源照射阴极K,没有发生光电效应.换用同样频率ν的强激光照射阴极K,则发生了光电效应;此时,若加上反向电压U,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在KA之间就形成了使光电子减速的电场.逐渐增大U,光电流会逐渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电荷量)( )(导学号51160139)
A.U=- B.U=-
C.U=2hν-W D.U=-
答案B
解析根据题目信息可知,普通光源照射时,电子不能吸收一个光子而成为自由电子,但激光照射时,电子则可以吸收多个光子而成为自由电子,设电子吸收了n个光子,即nhν-W=Ek,当光电子在反向电压的作用下使光电流减小到0时,有Ek=eU,联立可得U=,n只能取整数,n≥2,B项正确.
9.(多选)已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0,则( )
A.当用频率为2ν0的单色光照射该金属时,一定能产生光电子
B.当用频率为2ν0的单色光照射该金属时,所产生的光电子的最大初动能为hν0
C.当照射光的频率ν大于ν0时,若ν增大,则逸出功增大
D.当照射光的频率ν大于ν0时,若ν增大一倍,则光电子的最大初动能也增大一倍
答案AB
解析当入射光的频率大于等于金属的极限频率时,就会发生光电效应,A选项正确;由于金属材料一定,极限频率一定,逸出功W逸=hν0一定,ν0为极限频率,ν增大,逸出功不变,C选项错误.由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W逸,得ν=2ν0时,Ekm=hν-W逸=2hν0-hν0=hν0,当ν增大一倍,ν=4ν0时,Ekm=hν-W逸=4hν0-hν0=3hν0,所以B选项正确,D选项错误.
10.(多选)有a、b、c三束单色光,其波长关系为λa>λb>λc.用b光束照射某种金属时,恰能发生光电效应.若分别用a光束和c光束照射该金属,则可以断定( )(导学号51160140)
A.a光束照射时,不能发生光电效应
B.c光束照射时,一定能发生光电效应
C.a光束照射时,释放光电子最多
D.c光束照射时,释放光电子的最大初动能最小
答案AB
解析c=λν,λa>λb>λc,νa<νb<νc用b光束照射金属,该频率等于极限频率,恰好发生光电效应.因为光束a的频率小于该极限频率,不能发生光电效应,A选项正确;光束c的频率大于该极限频率,能发生光电效应,B选项正确;光电子数目由光强来决定,不知三束光的光强,无法确定释放出的光电子数,C选项错误;由光电效应方程Ekm=hν-W逸,c频率最大,金属的逸出功一定,则c光照射时,释放出的光电子动能最大,D选项错误.
11.用能量为E的光子照射金属表面,产生的光电子垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动,最大半径为R,求金属表面光电子的逸出功.(已知电子质量为m,电荷量为q)(导学号51160141)
答案E-
解析由光电子做匀速圆周运动知R=,则 vmax=,光电子最大动能Ek=m=,由爱因斯坦光电效应方程知,逸出功W0=E-Ek=E-.
课时训练7 康普顿效应及其解释 光的波粒二象性
基础夯实
1.关于光的波粒二象性,下述说法中错误的是( )
A.频率高的光子易显示波动性
B.个别光子产生的效果易显示粒子性
C.光的衍射说明光具有波动性
D.光电效应说明光具有粒子性
答案A
2.有关光的本性,下列说法正确的是( )
A.光既具有波动性,又具有粒子性,这是互相矛盾和对立的
B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
C.光不具有波动性
D.由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性
答案D
解析19世纪初,人们成功地在实验室中观察到了光的干涉、衍射现象,这属于波的特征,微粒说无法解释这些现象;但19世纪末又发现了光电效应,这种现象波动说不能解释,证实光具有粒子性,因此,光既具有波动性,又具有粒子性,但光不同于宏观的机械波和粒子,波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧面,不同属性,我们无法用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性.选项D正确.
3.对于光的波粒二象性的说法中,正确的是( )
A.一束传播的光,有的光是波,有的光是粒子
B.光子与电子是同样一种粒子,光波与机械波是同样一种波
C.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的
D.光是一种波,同时也是一种粒子,光子说并未否定电磁说,在光子能量ε=hν中,频率ν仍表示的是波的特性
答案D
4.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,光子将偏离原来的运动方向,这种现象称为光的散射.散射后的光子( )(导学号51160142)
A.改变原来的运动方向,但频率保持不变
B.光子将从电子处获得能量,因而频率将增大
C.散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条直线上,但方向相反
D.由于电子受到碰撞时会吸收光子的一部分能量,散射后的光子频率低于入射前光子的频率
答案D
解析由于电子的能量增加,光子的能量减少,所以光子的频率降低.
5.关于光的波粒二象性,不正确的说法是( )
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C
解析光具有波粒二象性,但在不同情况下表现不同,频率越高,波长越短,粒子性越强,反之波动性明显,个别光子易显示粒子性,大量光子显示波动性,故选项A、B、D正确,C错误.
6.2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源.X射线是一种高频电磁波,若X射线在真空中的波长为λ,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,以ε和p分别表示X射线每个光子的能量和动量,则( )
A.ε=,p=0 B.ε=,p=
C.ε=,p=0 D.ε=,p=
答案D
解析根据ε=hν,且λ=,c=λν可得X射线每个光子的能量为ε=,每个光子的动量为p=
7.紫外线光子的动量为一个静止的O3吸收了一个紫外线光子后( )
A.仍然静止
B.沿着光子原来运动的方向运动
C.沿与光子运动方向相反的方向运动
D.可能向任何方向运动
答案B
解析由动量守恒定律知,吸收了紫外线光子的O3分子与光子原来运动方向相同.故正确选项为B.
能力提升
8.“神光Ⅱ”装置是国际上为数不多的大功率固体激光系统,利用它可获得能量为2 400 J、波长λ为0.35 μm的一束紫外激光,已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,求该束紫外激光所含的光子个数.(结果保留一位有效数字)(导学号51160143)
答案4.6×1021
解析每个光子的能量ε0=hν=,故所含的光子数为n=个≈4.6×1021个.
课时训练8 德布罗意波
基础夯实
1.关于物质波,下列说法正确的是( )
A.速度相等的电子和质子,电子的波长长
B.动能相等的电子和质子,电子的波长短
C.动量相等的电子和中子,中子的波长短
D.甲电子的速度是乙电子的3倍,甲电子的波长也是乙电子的3倍
答案A
解析由λ=可知,动量大的波长短,电子与质子的速度相等时,电子的动量小,波长长,选项A正确;电子与质子的动能相等时,由动量与动能的关系式p=可知,电子的动量小,波长长,选项B错误;动量相等的电子和中子,其波长应相等,选项C错误;甲的速度是乙的3倍,甲的动量也是乙的3倍,则甲的波长应是乙的,选项D错误.
2.(多选)现代物理学认为,光和实物粒子都具有波粒二象性.下列事实中突出体现波动性的是( )
A.一定频率的光照射到锌板上,光的强度越大,单位时间内锌板上射出的光电子就越多
B.肥皂液是无色的,吹出的肥皂泡却是彩色的
C.质量为10-3 kg、速度为10-2 m/s的小球,其德布罗意波长约10-28 m,不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹
D.人们常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同
答案BD
解析光电效应体现光的粒子性,选项A错误;肥皂泡看起来是彩色的,这是薄膜干涉现象,体现光的波动性,选项B正确;由于小球的德布罗意波长太小,很难观察到其波动性,选项C错误;人们利用热中子的衍射现象研究晶体结构,所以能够体现波动性,选项D正确.
3.经150 V电压加速的电子束,沿同一方向射出,穿过铝箔射到其后的屏上,则( )
A.所有电子的运动轨迹均相同
B.所有电子到达屏上的位置坐标均相同
C.电子到达屏上的位置坐标可用牛顿运动定律确定
D.电子到达屏上的位置受波动规律支配,无法用确定的坐标来描述它的位置
答案D
解析电子在运动中表现出波动性,没有一定的运动轨迹,牛顿运动定律不适用于电子的运动,故选项D正确.
4.在中子衍射技术中,常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相当,已知中子质量m=1.67×10-27 kg,则可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10 m的热中子动能的数量级为( )(导学号51160145)
A.10-17 J B.10-19 J
C.10-21 J D.10-24 J
答案C
解析根据德布罗意波理论,中子动量p=,中子动能Ek=,代入数据可以估算出数量级,选项C正确.
5.下列现象能说明光具有波粒二象性的是( )
A.光的色散和光的干涉
B.光的干涉和光的衍射
C.光的反射和光电效应
D.泊松亮斑和光电效应
答案D
解析光的色散、光的反射可以从波动性和粒子性两方面分别予以理解,故选项A、C错误;光的干涉、衍射现象只说明光的波动性,选项B错误;泊松亮斑能说明光具有波动性,光电效应说明光具有粒子性,故选项D正确.
6.(多选)下列各种波哪些是概率波( )
A.声波 B.无线电波
C.光波 D.物质波
答案CD
解析声音是机械波,A错.电磁波中的无线电波是一种能量波,B错.根据概率波的概念和光波、物质波的特点分析可知光波和物质波均为概率波,故C、D正确.
7.质子甲的速度是质子乙速度的4倍,甲质子的德布罗意波波长是乙质子的 ,同样速度的质子和电子, 的德布罗意波波长长.?
答案 电子
解析据λ=可知
甲质子的德布罗意波波长是乙质子的.
由于质子的质量大于电子的质量,因此同样速度的质子比电子的德布罗意波波长短.
能力提升
8.现用电子显微镜观测线度为d的某生物大分子的结构.为满足测量要求,将显微镜工作时电子的德布罗意波波长设定为,其中n>1.已知普朗克常量h、电子质量m和电子电荷量e,电子的初速度不计,则显微镜工作时电子的加速电压应为( )(导学号51160146)
A. B.(
C. D.
答案D
解析在电子显微镜工作时,电子的加速过程满足 eU=mv2,运动的电子产生的德布罗意波波长为λ=,又λ=,联立可得U=,故选项D正确.
9.在中子衍射技术中,常用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波波长与晶体中原子间距很相近.已知中子质量m=1.67×10-27 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,可以估算德布罗意波波长λ=1.82×10-10 m 的热中子动能的数量级为( )(导学号51160147)
A.10-17 J B.10-19 J
C.10-21 J D.10-24 J
答案C
解析据λ=,Ek=mv2=,即有Ek=·()2,代入数据可得动能数量级为10-21 J,故C正确.
10.(多选)利用金属晶格(大小约10-10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样,方法是让电子通过电场加速后,让电子束照射到金属晶格上,从而得到电子的衍射图样.已知电子的质量为m,电荷量为e,初速度为0,加速电压为U,普朗克常量为h,则下列说法中正确的是( )(导学号51160148)
A.该实验说明了电子具有波动性
B.实验中电子束的德布罗意波波长为λ=
C.加速电压U越大,电子的衍射现象越明显
D.若用相同动能的质子替代电子,衍射现象将更加明显
答案AB
解析得到电子的衍射图样,说明电子具有波动性,A正确;
由德布罗意波波长公式λ=,
而动量p=,
两式联立得λ=,B正确;
从公式λ=可知,加速电压越大,电子的波长越短,衍射现象就越不明显,用相同动能的质子替代电子,质子的波长短,衍射现象相比电子不明显,故C、D错误.
11.试比较电子和质量为10 g的子弹位置的不确定量范围.(设它们的速率都为200 m/s,动量的不确定范围都为0.01%)(导学号51160149)
答案见解析
解析对电子Δpe=0.01%p=0.01%mv=10-4×9.1×10-31×200 kg·m/s=1.82×10-32 kg·m/s,
对子弹Δpz=0.01%pz
=10-4×0.01×200 kg·m/s=2×10-4 kg·m/s,
由不确定关系ΔxΔp≥,对电子:Δxe≥ m=2.9×10-3 m,
对子弹:Δxz≥ m=2.6×10-31 m,这个数据比电子的小得多,因此说,子弹的位置是确定的,或者说不确定关系对宏观没有意义.
12.金属晶体中晶格大小的数量级是10-10 m.电子经加速电场加速,形成一电子束,电子束照射该金属晶体时,获得明显的衍射图样.问这个加速电场的电压约为多少?(已知电子的电荷量e=1.6×10-19 C,质量m=0.90×10-30 kg)(导学号51160150)
答案153 V
解析据波长发生明显衍射的条件可知,当运动电子的德布罗意波波长与晶格大小差不多时,可以得到明显的衍射现象.
设加速电场的电压为U,电子经电场加速后获得的速度为v,对加速过程由动能定理得eU=mv2①
据德布罗意物质波理论知,电子的德布罗意波长
λ=②
其中p=mv③
解①②③方程组可得U==153 V.
