2017_2018学年高中物理第二章波粒二象性章末总结同步备课教学案粤教版选修3

这是一份2017_2018学年高中物理第二章波粒二象性章末总结同步备课教学案粤教版选修3，共6页。学案主要包含了量子论，光电效应的规律和光电效应方程，用图象表示光电效应的规律，波粒二象性的理解等内容，欢迎下载使用。


一、量子论、光子说、光子能量的计算
1．量子论
德国物理学家普朗克提出：电磁波的发射和吸收是不连续的，是一份一份的，每一份电磁波的能量ε＝hν.
2．光子说
爱因斯坦提出：空间传播的光也是不连续的，也是一份一份的，每一份称为一个光子，光子具有的能量与光的频率成正比，即ε＝hν，其中h为普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s.
3．光的频率与波长的关系：ν＝eq \f(c,λ).
例1 激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光，红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲，现有一红宝石激光器，发射功率为1.0×1010 W，所发射的每个光脉冲持续的时间Δt为1.0×10－11 s，波长为 793.4 nm.问每列光脉冲的长度l是多少？其中含有的光子数n是多少？(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s)
答案 3×10－3 m 4×1017个
解析 光脉冲的长度是光在一个脉冲时间内传播的距离，设为l.
则l＝cΔt＝3×108×1.0×10－11 m＝3×10－3 m.
根据W＝PΔt可知每列光脉冲能量
W＝PΔt＝1.0×1010×1.0×10－11 J＝0.1 J.
而每个光子能量
E＝heq \f(c,λ)＝6.63×10－34×eq \f(3×108,793.4×10－9) J
≈2.507×10－19 J.
故每个光脉冲含有光子数
n＝eq \f(W,E)＝eq \f(0.1,2.507×10－19)个≈4×1017个．
二、光电效应的规律和光电效应方程
1．光电效应的实验规律
(1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于等于这个极限频率，才能发生光电效应．低于极限频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应．
(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)入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.
(4)当入射光的频率高于极限频率时，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强度成正比．
2．爱因斯坦光电效应方程eq \f(1,2)mvmax2＝hν－W0
W0表示金属的逸出功，ν0表示金属的极限频率，则W0＝hν0.
例2 如图1甲所示为研究光电效应的电路图．
图1
(1)对于某金属用紫外线照射时，电流表指针发生偏转．将滑动变阻器滑片向右移动的过程中，电流表的示数不可能________(选填“减小”、“增大”)．如果改用频率略低的紫光照射，电流表______(选填“一定”“可能”或“一定没”)有示数．
(2)当用光子能量为5 eV的光照射到光电管上时，测得电流表上的示数随电压变化的图象如图乙所示．则光电子的最大初动能为________ J，金属的逸出功为______ J.
答案 (1)减小 可能 (2)3.2×10－19 4.8×10－19
解析 (1)AK间所加的电压为正向电压，光电子在光电管中加速，滑动变阻器滑片向右移动的过程中，若光电流达到饱和，则电流表示数不变，若光电流没达到饱和电流，则电流表示数增大，所以滑动变阻器滑片向右移动的过程中，电流表的示数不可能减小，紫光照射不一定能发生光电效应，所以电流表可能有示数．
(2)由题图乙可知，当该装置所加的电压为－2 V的反向电压时，电流表示数为0，得光电子的最大初动能为2 eV，根据光电效应方程eq \f(1,2)mvmax2＝hν－W0得W0＝3 eV＝4.8×10－19 J.
针对训练 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成正比
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，取决于入射光光子的能量是否大于金属的逸出功
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的黄光照射该金属一定不发生光电效应
答案 C
解析 由光电效应方程知，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是成正比关系，A错．光电流的强度与入射光的强度成正比，与光电子的最大初动能无关，B错．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的黄光照射该金属也可能发生光电效应，能发生光电效应的条件是入射光光子的能量要大于金属的逸出功，D错，C对．
三、用图象表示光电效应的规律
1．Ek－ν图象
根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，光电子的最大初动能Ek是入射光频率ν的一次函数，图象如图2所示．其横轴截距为金属的极限频率ν0，纵轴截距是金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量h.
图2
2．I－U图象
光电流强度I随光电管两极间电压U的变化图象如图3所示，图中Im为饱和光电流，U0为遏止电压．利用eq \f(1,2)mevm2＝eU0可得光电子的最大初动能．
图3
3．U0－ν图象
遏止电压与入射光频率ν的关系图象如图4所示：
图中的横轴截距ν0为截止频率．而遏止电压U0随入射光频率的增大而增大．
图4
例3 用不同频率的光分别照射钨和锌，产生光电效应，根据实验可画出光电子的最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek－ν图线．已知钨的逸出功是2.84 eV，锌的逸出功为3.34 eV，若将二者的图线画在同一个Ek－ν坐标系中，则正确的图是( )
答案 A
解析 根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，Ek－ν图象的斜率为普朗克常量h，因此图中两线应平行，故C、D错误；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子动能为零)时的入射光频率即极限频率，由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的入射光的极限频率越高，所以能使金属锌发生光电效应的极限频率较高，所以A正确，B错误．
四、波粒二象性的理解
1．光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射、偏振说明光具有波动性，光电效应现象、康普顿效应则证明光具有粒子性，因此，光具有波粒二象性，对于光子这样的微观粒子只有从波粒二象性出发，才能统一说明光的各种行为．
(2)大量光子产生的效果显示出光的波动性，少数光子产生的效果显示出粒子性，且随着光的频率的增大，波动性越来越不显著，而粒子性却越来越显著．
2．实物粒子(如：电子、质子等)都有一种波与之对应(物质波的波长λ＝eq \f(h,p)，频率ν＝eq \f(ε,h))．
3．物质波与光波一样都属于概率波．概率波的实质：是指粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的．
例4 (多选)关于光的波粒二象性，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 ABD
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，粒子性越明显，反之波动性越明显，个别光子易显示粒子性，大量光子易显示波动性，故选项A、B、D正确.

1．能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18 J，已知可见光的平均波长约为0.6 μm，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，则进入人眼的能量子数至少为( )
A．1个 B．3个 C．30个 D．300个
答案 B
解析 可见光的平均频率ν＝eq \f(c,λ)，能量子的平均能量为ε＝hν，引起视觉效应时E＝nε，联立可得n≈3，B正确．
2．(多选)光电效应的实验结论是：对于某种金属( )
A．无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应
B．无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应
C．频率超过极限频率的入射光，光照强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小
D．频率超过极限频率的入射光，频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大
答案 AD
解析 根据光电效应规律可知A正确，B错误．根据光电效应方程知，频率ν越高，光电子的最大初动能就越大，C错误，D正确．
3．(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10－3 kg、速度为10－2 m/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
答案 BD
解析 光子照到锌板上，发生光电效应，说明光有粒子性，A不正确；白光在肥皂泡上发生薄膜干涉时，会出现彩色条纹，光的干涉现象说明了光有波动性，B正确；由于小球的波长很小，波动性不明显，表现为粒子性，C不正确；用热中子研究晶体结构，其实是通过中子的衍射来“观察”晶体的，是利用中子的波动性，D正确．
4．已知金属铯的极限波长为0.66 μm，用0.50 μm的光照射铯金属表面发射光电子的最大初动能为多少焦耳？铯金属的逸出功为多少焦耳？(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)
答案 9.6×10－20 J 3×10－19 J
解析 金属铯发生光电效应的极限频率
ν0＝eq \f(c,λ0).
金属铯的逸出功
W＝hν0＝heq \f(c,λ0)＝6.63×10－34×eq \f(3×108,0.66×10－6) J
≈3×10－19 J.
由光电效应方程
eq \f(1,2)mveq \\al(2,max)＝hν－W0＝heq \f(c,λ)－heq \f(c,λ0)＝hc(eq \f(1,λ)－eq \f(1,λ0))
＝6.63×10－34×3×108×(eq \f(1,0.50×10－6)－eq \f(1,0.66×10－6))J
≈9.6×10－20 J.