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物理 课件 高三


? 第二讲 波粒二象性

? 一、光电效应 光电子 ? 1.光电效应现象 ? 光电效应:在光的照射下金属中的电子从 表面逸出的现象,叫做光电效应,发射出 ? (1) 光 电效 应 的实 质 是光 现 象转 化 为电 现 来的电子叫做 . 象. ? (2)定义中的光包括可见光和不可见光.

? 2.光电效应规律 ? (1)遏止电压:使光电流减小到零时的反向 电压UC. 最小 ? (2)截止频率:能使某种金属发生光电效应 的 频率叫做该种金属的截止频率(又 最小值 叫极限频率).不同的金属对应着不同的极 限频率. ? (3) 逸 出 功 : 电 子 从 金 属 中 逸 出 所 需做 功 的 ,叫做该金属的逸出功.

? 3.爱因斯坦光电效应方程 ? (1)光子说:在空间传播的光不是连续的, 而是一份一份的,每一份叫做一个光的能 量子,简称 ,光子的能量 .

光子



? 二、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. 粒子 ? 2.光电效应说明光具有 性. 波粒二象 ? 3.光既具有波动性,又具有粒子性,称为 光的 性.

? 三、物质波 ? 1.概率波 ? 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动 规 律 的 表 现 , 亮 条 纹 是 光 子小 达 概 率 到 大 的地方,暗条纹是光子到达概率 的地 方,因此光波又叫概率波. ? 2.物质波 ? 任何一个运动着的物体,小到微观粒子大 h p 到宏观物体都有一种波与它对应,其波长λ = ,p为运动物体的动量,h为普 朗克常量.

电子从金属表面逸出,首先须克服 金属原子核的引力做功W0,要使入 存在极限频率 ? 一、光电效应规律的解释 射光子能量不小于W0,对应的频率 W0 ν= ,即极限频率 h

光电子的 最大初 动能随

电子吸收光子能量后,一部分克 服阻碍作用做功,剩余部分转 化为光电子的初动能,只有直

着入射
光频率

接从金属表面飞出的光电子才
具有最大初动能,对于确定的

的增大
而增大,

金属,W0是一定的,故光电子
的最大初动能只随入射光的频

? 二、光电效应中入射光强度、频率的影响 情况 ? 1.入射光频率→决定光子能量→决定光电 子最大初动能. ? 2.入射光强度→决定单位时间内接收的光 子数→决定单位时间内发射的光电子数.

? (1)光电效应中的光包括不可见光.如:紫 外线等. ? (2)光电效应的实质:光现象→电现象. ? Ekm-ν曲线 ? (3)直线(如下图)

? (4)由图象可以得到的物理量 ? ①极限频率:图线与ν轴交点的横坐标ν0. ? ②逸出功:图线与Ekm轴交点的纵坐标的值 W0=E. ? ③普朗克常量:图线的斜率k=h.

? 1.物理学家做了一个有趣的实验:在光屏处 放上照相用的底片.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,如果爆光时间不太长,底片只能出 现一些不规则的点子;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,其中正确的是

? 解析: 每个光子的运动规律是不确定的, 底片上出现的一些不规则的点子,表明了 光的粒子性.只有大量光子的行为才能表 现出光的波动性.干涉条纹中明亮的部分 是光子到达机会较多的地方,暗条纹处是 光子到达机会较少的地方. ? 答案: D

? 2.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

? 解析: 由光电效应方程hν=hν0 +Ekm 知, 当入射光频率为2ν0时,一定能产生光电子, 其最大初动能Ekm=hν-hν0=2hν0-hν0= hν0,故A、B正确,D错误;逸出功与金属 材料有关,与入射光频率无关,故C错. ? 答案: AB

? 3.如图所示是光电效应中光电子的最大初动 能Ekm与入射光频率ν的关系图线.从图可 知( ) ? A.Ekm与ν成正比 ? B.入射光频率必须大于或等于极限频率 ν0时,才能产生光电效应 ? C.对同一种金属而言,Ekm仅与ν有关 ? D.Ekm与入射光强度成正比 ? 答案: BC

? 4.(2010·四川理综)用波长为2.0×10 -7m 的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电 子中最大的动能是4.7×10-19J.由此可知, 钨的极限频率是(普朗克常量h=6.63×10- 34J·s,光速c=3.0×108m/s,结果取两位 有效数字)( ) ? A.5.5×1014Hz B.7.9×1014Hz ? C.9.8×1014Hz D.1.2×1015Hz

解析: 由爱因斯坦的光电方程h

c =Ekm+W,而金属的逸出功W λ

c Ekm =hν0,由以上两式得,钨的极限频率为:ν0= - =7.9×1014 Hz, λ h B项正确.
答案: B

? 5.(2010·江苏单科)研究光 电效应的电路如图所示.用 频率相同、强度不同的光分 别照射密封真空管的钠极板 (阴极K),钠极板发射出的光 电子被阳极A吸收,在电路 中形成光电流.下列光电流I 与A、K之间的电压UAK的关 系图象中,正确的是 ____________.

? 解析: 虽然入射光强度不同,但光的频 率相同,所以截止电压相同;又因当入射 光强时,单位时间逸出的光电子多,饱和 光电流大,所以选C. ? 答案: C

?

如右图所示,当电键S断开时,用光子 能量为2.5 eV的一束光照射阴极P,发现电 流表读数不为零.合上电键,调节滑动变 阻器,发现当电压表读数小于0.60 V时,电 流表读数仍不为零;当电压表读数大于或 等于0.60 V时,电流表读数为零. ? (1)求此时光电子的最大初动能的大小. ? (2)求该阴极材料的逸出功.

? 解析: 设用光子能量为2.5 eV的光照射时, 光电子的最大初动能为Ek ,阴极材料逸出 功W0 ? 当反向电压达到U=0.60 V以后,具有最大 初动能的光电子也达不到阳极,因为eU= Ek ? 由光电效应方程:Ek=hν-W0 ? 由以上二式:Ek=0.6 eV,W0=1.9 eV ? 答案: (1)0.6 eV (2)1.9 eV

? 1-1:下表给出了一些金属材料的逸出功. 材 料 铯 钙 镁 铍 钛 逸出功(10-19 3.0 4.3 5.9 6.2 6.6 J) ? 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几种(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

解析:

要发生光电效应,则入射光的能量大于金属的逸出功, c nm的光的能量为E=hν0=h λ0 =6.63×10


由题可算出波长为400

3.0×108 - 19 34 × J,大于铯和钙的逸出功.所以A选项正 - 9 J=4.97×10 400×10 确.
答案: A

?
? ? ?

?

关于物质的波粒二象性,下列说法中不 正确的是( ) 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

? 解析: 光具有波粒二象性是微观世界具 有的特殊规律,大量光子运动的规律表现 出光的波动性,而单个光子的运动表现出 光的粒子性.光的波长越长,波动性越明 显,光的频率越高,粒子性越明显.而宏 观物体的德布罗意波的波长太小,实际很 难观察到波动性,不是不具有波粒二象 性.D项合题意. ? 答案: D

? 2-1:有关光的本性的说法正确的是( ) ? A.关于光的本性,牛顿提出了“微粒说”, 惠更斯提出了“波动说”,爱因斯坦提出 了“光子说”,它们都圆满地说明了光的 本性 ? B.光具有波粒二象性是指:既可以把光看 成宏观概念上的波,也可以看成宏观概念 上的粒子 ? C.光的干涉、衍射现象说明光具有波动性, 光电效应说明光具有粒子性 ? D.在光的双缝干涉实验中,如果光通过双

? 解析: 牛顿主张的微粒说中的微粒与实 物粒子一样,惠更斯主张的波动说中的波 动与宏观机械波等同,这两种观点是相互 对立的,都不能说明光的本性,所以A、B 错,C正确.在双缝干涉实验中,双缝干涉 出现明暗均匀的条纹,单缝出现中央亮而 宽,周围暗而窄的条纹,都说明光的波动 性.当让光子一个一个地通过单缝时,曝 光时间短时表现出粒子性,曝光时间长时 显出波动性,因此D错误. ? 答案: C

? 1.在演示光电效应的实验中,原来不带电 的一块锌板与灵敏验电器相连,用弧光灯 照射锌板时,验电器的指针张开了一个角 度,如下图所示,这时锌板带________电, 指针带________电.

? 解析: 光电效应实验中,锌板因逸出电 子带正电,验电器由于与锌板接触也带正 电,其指针也带正电.

? 2.用同一束单色光,在同一条件下先后照 射锌片和银片,都能产生光电效应,在这 两个过程中,对于下列四个量,一定相同 的是________,可能相同的是________, 一定不同的是________. ? A.光子的能量 B.光电 子的逸出功 ? C.光电子动能 D . 光电 子初 动能

? 解析: 光子的能量由光的频率决定,同 一束单色光频率相同,因而光子能量相 同.逸出功等于电子脱离原子核束缚需要 做的最少的功,因此只由材料决定.锌片 和银片的光电效应中,光电子的逸出功一 定不相同.由Ek=hν-W0 ,照射光子能量 hν相同,逸出功W0不同,则电子最大初动 能也不同.由于光电子吸收光子后到达金 属表面的路径不同,途中损失的能量也不 同,因而脱离金属时的动能可能分布在零 到最大初动能之间.所以,两个不同光电 效应的光电子中,有时初动能是可能相等 的.

? 3.关于光电效应,下列说法正确的是 ________(填入选项前的字母). ? A.极限频率越大的金属材料逸出功越大 ? B.只要光照射的时间足够长,任何金属都 能产生光电效应 ? C.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 ? D.入射光的光强一定时,频率越高,单位 时间内逸出的光电子数就越多 ? 答案: A

? 4.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.从光照至金属表面上到发射出光电子之 间的时间间隔将明显增加 ? 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

? 解析: 光电效应瞬时(10-9 s)发生,与光 强无关,A错;能否发生光电效应,只取决 于入射光的频率是否大于极限频率,与光 强无关,D错;对于某种特定金属,光电子 的最大初动能只与入射光频率有关,入射 光频率越大, 最大初动能越大,B错;光 电子数目多少与入射光强度有关,可理解 为一个光子能打出一个电子,光强减弱, 逸出的电子数目减少,C对.故选C. ? 答案: C

? 5.在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占 整个从单缝射入的光强的95%以上,假设 现在只让一个光子通过单缝,那么该光子 ( ) ? A.一定落在中央亮纹处 ? B.一定落在亮纹处 ? C.可能落在暗纹处 ? D.落在中央亮纹处的可能性最大

? 解析: 大量光子的行为显示出波动性, 当大量光子通过单缝时光子落在亮纹处的 概率较大,尤其是中央亮纹处,依题将有 95%以上的光子落在中央亮纹处,落在其 他亮处相对少一些,落在暗纹处光子最少, 注意的是暗纹处不是没有光子落在上面, 只是很少而已.只让一个光子通过单缝, 这个光子落在哪一位置是不可确定的,可 以落在亮纹处,也可以落在暗纹处,只是 落在中央亮纹的机会更大(有95%以上). ? 答案: CD

? 6.(2010·浙江理综)在光电效应实验中, 飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下 得到了三条光电流与电压之间的关系曲线 (甲光、乙光、丙光),如图所示.则可判断 出( )

? A.甲光的频率大于乙光的频率 ? B.乙光的波长大于丙光的波长 ? C.乙光对应的截止频率大于丙光的截止频 率 ? D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光 的光电子最大初动能 ? 解析: 由于是同一光电管,因而不论对 哪种光,极限频率和金属的逸出功相同, 对于甲、乙两种光,反向截止电压相同, 因而频率相同,A项错误;丙光对应的反向 截止电压较大,因而丙光的频率较高,波 长较短,对应的光电子的最大初动能较大, 故C、D均错,只有B项正确.

? 7.某光电管的阴极是用金属钾制成的,它 的逸出功为2.21 eV,用波长为2.5×10-7 m的紫外线照射阴极,已知真空中光速为 3.0×108 m/s,元电荷为1.6×10-19 C,普 朗克常量为6.63×10-34 J·s,求钾的极限 频率和该光电管发射的光电子的最大初动 能.

W 2.21×1.6×10 解析: W=hν0,ν0≈ = - h 6.63×10 34 由光电效应方程hν=W+Ekm c Ekm=hν-W=h -W λ

- 19

≈5.3×1014 Hz

3.0×108 - 19 =6.63×10-34× =4.4×10-19 J. - 7 -2.21×1.6×10 2.5×10
答案: 5.3×1014 Hz 4.4×10-19 J

? 8.紫光在真空中的波长为4.5×10-7 m, 问: ? (1)紫光光子的能量是多少? ? (2)用它照射极限频率为ν0=4.62×1014 Hz 的金属钾能否产生光电效应? ? (3)若能产生,则光电子的最大初动能为多 少?(h=6.63×10-34 J·s)

解析:

c (1)E=hν=h =4.42×10-19 J λ

c (2)ν= =6.67×1014 Hz λ 因为ν>ν0,所以能产生光电效应. (3)Ekm=hν-W0=h(ν-ν0)=1.36×10-19 J.
答案: (1)4.42×10-19 J (2)能 (3)1.36×10-19


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