(共19张PPT)
章末总结
光电效应和光子说
2．光电效应方程
光电效应方程的实质是能量的转化和守恒定律在光电效应现象中的反映，根据能量守恒定律，光电子的最大初动能与入射光子的能量和逸出功的关系为Ek＝hν－W0.这个方程叫爱因斯坦光电效应方程．
3．光子被吸收的情况
光电效应中，光子与金属中的电子作用，光子整个被吸收，且电子一般一次只能吸收一个光子；康普顿效应中，光子与晶体中的自由电子发生碰撞，电子只能吸收光子的部分能量．
例1 研究光电效应规律的实验装置如图所示，光电管的阴极材料为金属钾，其逸出功为W0＝2.25
eV，现用光子能量为10.75
eV的紫外线照射光电管，调节变阻器滑片位置，使光电流刚好为零．求：
(1)电压表的示数是多少？
(2)若照射光的强度不变，紫外线的频率增大一倍，阴极K每秒内逸出的光电子数如何变化？到达阳极的光电子动能为多大？
(3)若将电源的正负极对调，到达阳极的光电子动能为多大？
(3)若将电源的正负极对调，光电管上加有正向电压，光电子从阴极向阳极做加速运动，由动能定理eU＝EkA″－Ek，得EkA″＝17.00
eV.
答案：(1)8.50
V (2)减半 10.75
eV (3)17.00
eV
反思领悟：在研究光电效应电路图中，能否发生光电效应要看阴极K的极限频率与入射光频率的相对大小；AK之间的电场一定要看清是正向还是反向电场，即电场是让电子加速还是减速的．
光的波粒二象性
例2 下列关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．由光电效应现象可知光子与电子是同样一种粒子；从双缝干涉实验结果看出，光波与机械波是同样一种波
C．在一束光中，光子间的相互作用使光表现出波的性质
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．
解析：光有时表现波动性，有时表现为粒子性，A错；光与物质微粒作用时表现出粒子性，光传播时表现波动性，B错；光波是概率波，与宏观的机械波不同，波动性是光子固有性质，不是光子间相互作用的结果，C错；光具有波粒二象性，光子说在承认光是波的同时，认为光还具有粒子性，D对．
答案：D
反思领悟：不能将微观粒子的波动性和粒子性看成两个相互排斥的性质，也不能将它们等同于宏观概念中的波和粒子，波粒二象性是微观粒子的固有性质，不是粒子间相互作用的结果．
例1 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．一定频率的光照到锌板上，光的强度越大，单位时间内锌板上发射的光电子就越多
B．肥皂液是无色的，吹出的肥皂泡却是彩色的
C．质量为10－3kg、速度为10－2m/s的小球，其德布罗意波长约为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
对波粒二象性认识不到位
错因分析：(1)光电流(饱和值)正比于入射光的强度只是在发生光电效应的前提下成立！意识不到本结论成立的条件必定犯错误．
(2)对干涉和衍射现象成因不理解，是导致错误判断的直接原因，如，人们利用热中子通过晶体时发生衍射来研究晶体结构，是利用了热中子的波动性，容易漏选．
正确解答：只有当光的频率高于极限频率，能够发生光电效应时，光强越大，单位时间内锌板上发射的光电子才越多，A错；肥皂泡的彩色是光的干涉造成的，B正确；由物质波知识可得，C错D对．
答案：BD
纠错心得：对于物理公式或物理规律一定要形成这样的习惯：先看公式或结论成立的条件是否满足，只有满足了成立条件才能用公式规律去解决问题．
缺乏动态分析，对光电效应现象理解不到位
错因分析：缺乏对光电效应现象发生过程的精细分析，不理解“最终带电荷量”的意义，而导致无从下手．事实上，钾极板发射光电子到达铂极板，使两极板之间建立起由钾极板指向铂极板的电场，随着极板电量增加，场强增大，光电子被减速，当电荷积累到一定程度，钾极板发出光电子恰不能到达铂极板，电容器带电量Q不再变化．
答案：D
纠错心得：解决物理问题，一定要分析清楚物理过程，对于动态物理过程只要分析清楚物理过程也就不难解决．阶段测试3 粒子与波动
(时间：50分钟 满分：100分)
一、选择题(本题共6小题，每小题9分，共54分．在每小题给出的四个选项中，第1～3题只有一项符合题目要求，第4～6题有多项符合题目要求，全部选对的得9分，选对但不全的得5分，有选错的得0分．)
1．关于对微观粒子的认识，下列说法中正确的是( )
A．粒子的位置和动量可以同时确定
B．粒子的运动没有确定轨道
C．单个粒子运动没有规律
D．粒子在某一时刻的加速度由该时刻粒子受到的合力决定
【答案】B
【解析】微观粒子具有波粒二象性，运动没有确定的轨迹，B对；虽不能确定粒子出现在哪一位置，但可确定粒子在该点附近出现的概率，C错；由不确定性关系知，粒子的位置和动量不能同时确定，A错；粒子运动不遵循牛顿运动定律，D错．
2．下列哪组现象能说明光具有波粒二象性( )
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
3．下列关于光的波粒二象性的说法中正确的是( )
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．大量光子产生的效果往往显示粒子性
【答案】C
4．下列关于光子的说法，正确的是( )
A．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子
B．光子能量由光强决定，光强大，每份光子的能量一定大
C．光子的能量由光频率决定，其能量与频率成正比
D．光子可以被电场加速
【答案】AC
5．关于光的波动性与粒子性，以下说法正确的是( )
A．爱因斯坦的光子说否定了光的电磁说
B．光电效应现象说明了光的粒子性
C．光波不同于机械波，它是一种概率波
D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的，无法统一
【答案】BC
【解析】爱因斯坦的光子说和光的电磁说在微观世界中是统一的．
6．关于光的波粒二象性，以下说法正确的是( )
A．光有时是波，有时是一种粒子
B．光子和质子、电子等是一样的粒子
C．大量光子易显出波动性，少量光子易显出粒子性
D．紫外线、X射线和γ射线中，γ射线的粒子性最强，紫外线的波动性最显著
【答案】CD
【解析】光具有波粒二象性，大量光子表现出波动性，少量光子表现出粒子性，波长越长，波动性越明显，C、D对．
二、非选择题(本题共4小题，共46分，计算题要有必要的文字说明和解题步骤)
7．(9分)下列说法正确的是________．
A．在电磁波中红外线比紫外线的波动性更显著
B．光的波动性不是由于光子之间的相互作用引起的
C．光的波长越小，光子的能量越小
D．德布罗意的“物质波”假设否定了光具有波动性
E．光电效应实验中，遏止电压与入射光的频率有关
【答案】ABE
【解析】红外线的波长大于紫外线的波长，故红外线波动性更显著，故A正确；光的波动性不是由于光子之间的相互作用引起的，是由于无数光子的无规则运动形成的，B正确；光的波长越小，频率越大，则光子的能量越大，故C错误；德布罗意的“物质波”假设证实了光具有波动性，故D错误；光电效应实验中，根据eU0＝hν0，可知，遏止电压与入射光的频率成正比，故E正确．
8．(9分)下列说法正确的是________．
A．光是一种电磁波
B．光是一种概率波
C．光子相当于高速运动的质点
D．光的直线传播只是宏观近似规律
E．频率越大的光其波动性越显著
【答案】ABD
【解析】光子既有波动性又有粒子性，波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义．波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量．个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性．频率越大的光，光子的能量越大，粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著．
9．(9分)用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子，比较不同曝光时间摄得的照片，发现：曝光时间不长的情况下，照片上是一些散乱的无规则分布的亮点；若曝光时间较长，照片上亮点分布区域呈现出不均匀迹象；若曝光时间足够长，照片上获得清晰的双缝干涉条纹．这个实验说明了________．
A．光只具有粒子性
B．光只具有波动性
C．光既具有粒子性，又具有波动性
D．光的波动性不是光子之间的相互作用引起的
E．少量的光子往往表现为粒子性，大量的光子往往表现为波动性
【答案】CDE
【解析】此实验说明了光既具有粒子性，又具有波动性，少量的光子往往表现为粒子性，大量的光子往往表现为波动性．由于只有一个光子，所以说明光的波动性不是光子之间的相互作用引起的．
10．(19分)质量为m＝6.64×10－27
kg的α粒子通过宽度为a＝0.1
mm
的狭缝后，其速度的不确定量约为多少？若其速度v＝3×107
m/s，它能否看成经典粒子？
【答案】Δv
≥ 能
【解析】α粒子位置不确定量Δx＝a，由不确定性关系Δx·Δp≥及Δp＝mΔv，得Δv≥，
Δv≥
m/s≈8×10－5
m/s，因＝2.67×10－12 1，故能当作经典粒子处理．阶段测试4 波粒二象性
(时间：50分钟 满分：100分)
一、选择题(本题共9小题，每小题6分，共54分．在每小题给出的四个选项中，第1～6题只有一项符合题目要求，第7～9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．)
1．2002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放射源．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E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，则( )
A．E＝，p＝0
B．E＝，p＝
C．E＝，p＝0
D．E＝，p＝
【答案】D
【解析】根据E＝hν，且λ＝，c＝λν可得X射线每个光子的能量为E＝，每个光子的动量为p＝.
2．硅光电池是利用光电效应原理制成的器件，下列表述正确的是( )
A．硅光电池是把光能转变为电能的一种装置
B．硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出
C．逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关
D．任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应
【答案】A
【解析】硅光电池是把光能转变为电能的一种装置，是利用光电效应原理制成的器件，A对；依据光电效应方程Ek＝hν－W＝hν－hν0，可见只有当入射光子的频率大于极限频率时才可能发生光电效应，B、C、D错．
3．下列关于光的波粒二象性的说法中正确的是( )
A．光的波动性和粒子性是相互矛盾的，不能统一
B．在衍射现象中，暗条纹的地方是光子永远不能到达的地方
C．大量光子表现出的波动性强，少量光子表现出的粒子性强
D．频率低的光子表现出的粒子性强，频率高的光子表现出的波动性强
【答案】C
【解析】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，故A错误；在衍射现象中，暗条纹是指振动减弱的地方，并非光子不能到达的地方，故B错误；光既具有粒子性，又具有波动性，大量的光子波动性比较明显，个别光子粒子性比较明显，故C正确；光的粒子性和波动性与光子频率高低无关，故D错误．故选C.
4．若某个质子的动能与某个氦核的动能相等，则这两个粒子的德布罗意波长之比为( )
A．1∶2
B．2∶1
C．1∶4
D．4∶1
【答案】B
【解析】由p＝及λ＝，得λ＝，因质子与氦核的动能相同，所以＝＝＝，选B.
5．(2016天津卷)右图是a、b两光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形成的干涉图样，则( )
A．在同种均匀介质中，a光的传播速度比b光的大
B．从同种介质射入真空发生全反射时，a光临界角大
C．照射在同一金属板上发生光电效应时，a光的饱和电流大
D．若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差大
【答案】D
【解析】a光的干涉条纹间距小于b的，依据Δx＝λ可知，a的波长小于b的，a的频率大于b的，a的折射率大于b的，则根据n＝可知，在同种介质中a的速度小，A错；sin
C＝，从同种介质中射入真空发生全反射a的临界角小，B错误；发生光电效应时饱和光电流与入射光的强度有关，故无法比较饱和光电流的大小，选项C错；a光的频率大，若两光均由氢原子能级跃迁产生，则产生a光的能级差大，D对．
6．现有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，则可以判定( )
A．a光束照射时，不能发生光电效应
B．c光束照射时，不能发生光电效应
C．a光束照射时，释放出的光电子数目最多
D．c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小
【答案】A
【解析】发生光电效应的条件是ν>ν0，即λ<λ0，故a光不能使金属发生光电效应，c光能使其发生光电效应，且释放光子的初动能最大．
7．两种单色光a和b，a光照射某金属时有光电子逸出，b光照射该金属时没有光电子逸出，则( )
A．在真空中，a光的传播速度较大
B．在水中，a光的波长较小
C．在真空中，b光的能量较大
D．在水中，b光的折射率较小
【答案】BD
【解析】从题中条件不难得出a光频率高，在真空中，两者的传播速度相同，A错；由v＝hν可知频率高的光子无论在什么介质中能量都大，C错；由v＝λν可知在水中a光的波长较小，B对；在同一介质中频率较大的光传播速度较小，由n＝可知在水中b光的折射率小，D对．
8.如图所示，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象，该图象是研究金属而得到的，那么( )
A．该金属的逸出功为E
B．该金属的逸出功为2hν0
C．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为E
D．入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为E/2
【答案】AC
【解析】由图象可知逸出功为E，或者W＝hν0.当入射光频率为ν0时，产生光电效应；当入射光频率为2ν0时，根据图象斜率不变可知，产生光电子的最大初动能为E，入射光频率为时，不能产生光电效应，A、C选项正确．
9.在如图所示的光电管的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应，那么( )
A．A光的频率大于B光的频率
B．B光的频率大于A光的频率
C．用A光照射光电管时流过电流表○G的电流方向是a流向b
D．用A光照射光电管时流过电流表○G
的电流方向是b流向a
【答案】AC
【解析】光电效应中当入射光频率大于极限频率时才能产生光电子，因此νa>νb，A项正确，B项错误．光电管中电子向左流，因此回路电流顺时针，即电流表中电流从a流向b，故C项正确，D项错误．
二、非选择题(本题共5小题，共46分，计算题要有必要的文字说明和解题步骤)
10．(5分)关于光电效应，有如下几种陈述，其中错误的是________．
A．金属电子的逸出功与入射光的频率成正比
B．光电流的强度与入射光的强度无关
C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大
D．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这个波长，才能产生光电效应
E．若某材料的逸出功是W，则它的极限频率ν0＝
【答案】ABC
【解析】金属的逸出功由该金属决定，与入射光源频率无关，光电流的强度与入射光强度成正比，选项A、B错误．不可见光包括能量大的紫外线、X射线、γ射线，也包括能量比可见光小的红外线、无线电波，选项C错误．
11．(5分)在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是________．
A．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
E．大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性
【答案】ADE
12．(5分)关于光的本性，下列说法中正确的是________．
A．光电效应反映了光的粒子性
B．光子的能量由光的强度所决定
C．光子的能量与光的频率成正比
D．光在空间传播时，是不连续的，是一份一份的，每一份光叫做一个光子
E．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子
【答案】ACD
13．(13分)如图所示表示黑体辐射强度随波长的变化图线．根据热辐射理论，辐射强度的极大值所对应的波长λm与热力学温度之间存在如下关系：
λmT＝2.90×10－3
m·K.求：
(1)T＝15
000
K所对应的波长；
(2)用T＝15
000
K所对应波长的光照射逸出功为W0＝4.45
eV的金属钨，能否发生光电效应？若能，逸出光电子的最大初动能是多少？
【答案】(1)1.93×10－7
m (2)能 1.90
eV
【解析】(1)由公式λmT＝2.90×10－3
m·K，
得λm＝＝m≈1.93×10－7
m.
(2)波长λm＝1.93×10－7
m的光子能量
E＝hν＝＝
eV＝6.44
eV.
因?>W0，故能发生光电效应．由光电效应方程Ek＝hν－W0，得Ek＝(6.44－4.54)
eV＝1.90
eV.
14．(18分)利用光电管通过实验可测出普朗克常量．现在用已知频率为ν1和ν2的两种光分别照射到同一金属表面上，都能产生光电流．用频率为ν1的光照射时，测得遏止电压为U1，用频率为ν2的光照射时，遏止电压为U2.电子的带电量为e.根据所给条件，求：
(1)普朗克常量；
(2)金属的遏止频率．
【答案】(1)h＝ (2)ν0＝
【解析】(1)用频率ν1光照射时可列方程：
mv＝hν1－W，①
mv＝eU1，②
由①②两式得：eU1＝hν1－W，③
同理可得eU2＝hν2－W，④
解③④方程可得h＝，W＝.
(2)由W＝hν0，有ν0＝＝.
