高二物理光的本性（续）北师大版知识精讲

高二物理光的本性（续）北师大版知识精讲

高二物理光的本性（续）北师大版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 光的本性（续）‎ ‎1. 光电效应：‎ 在光（包括不可见光）的照射下从物体发射出电子的现象叫光电效应，发射出来的电子叫光电子。‎ ‎2. 光电效应的规律：‎ 生光电效应；低于这个极限频率的光，无论强度如何，照射时间多久，都不能产生光电效应；‎ ‎（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大；‎ ‎（3）当入射光的频率大于极限频率时，在单位时间内从极板发出的光电子数跟入射光的强度成正比；‎ 理论解释。‎ ‎3. 爱因斯坦在普朗克能量量子化观点的启发下提出了光子说：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份称为光子，光子的能量跟它的频率ν成正比，E＝hν，其 效应。‎ ‎4. 光既具有波动性，又具有粒子性，对光的行为，不能单独用波动性去说明，也不能单独用粒子性去说明，即光具有波粒二象性。‎ ‎5. （1）光在传播过程中显示波动性；光在与物质发生作用时显示粒子性。‎ ‎（2）光波长越长，波动性越显著；波长越短，粒子性越显著。‎ ‎（3）大量光子表现为波动性；少量光子表现为粒子性。‎ 二. 重点、难点：‎ 光子说对光电效应的理解 光子照射到金属上时，某个电子吸收光子的能量后动能变大，若电子的动能增大到足以克服原子核的引力时，便飞出金属表面，成为光电子。‎ ‎（1）光子的能量和频率有关，金属的逸出功是一定的，光子的能量必须大于逸出功才能发生光电效应，这就是每一种金属都存在一个极限频率的原因。‎ ‎（2）光照射到金属上时，电子吸收光子能量不需积累，吸收能量立刻增大动能，并逸出金属表面成为光电子。‎ ‎（3）电子吸收光子能量后，从金属表面逸出，其中金属表面电子在克服逸出功飞出金属表面具有最大初动能，根据能量守恒，应是：‎ 该方程称为爱因斯坦光电方程，显然最大初动能和入射光子的频率有关。‎ ‎（4）光电效应规律“饱和光电流强度与入射光的强度成正比”中“饱和光电流强度”指的是光电流的最大值（亦称饱和值）。因为光电流未达到最大值之前，其值大小，不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有在光电流达到最大以后才和入射光的强度成正比。‎ ‎（5）“入射光的强度”，指的是单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的能量。在入射光频率不变的情况下，光强正比于单位时间内照射到金属表面上单位面积的光子数，但若换用不同频率的光照射，即使光强相同，单位时间内照射到金属表面单位面积的光子数也不相同，因而从金属表面逸出的光电子数也不相同，形成的光电流也不同。‎ ‎【典型例题】‎ 例1. 用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应，现将该单色光的光强减弱，则（ ）‎ A. 光电子的最大初动能不变 B. 光电子的最大初动能减小 C. 单位时间内产生的光电子数减少 D. 可能不发生光电效应 解析：由于光电子的最大初动能只与光的频率有关，可知A是正确的。选项B错误，光的强弱包含两方面的内容：光子的能量大小和光子的数目，减小光强并没有改变光的频率，故光子的能量不变而光子数目减少，所以光电子的数目也随之减小，选项C正确。‎ 解：A、C正确 例2. 已知一束可见光a是由m、n、p三种单色光组成的。检测发现三种单色光中，n、p两种色光的频率都大于m色光；n色光能使其金属发生光电效应，而p色光不能使其金属发生光电效应。那么，光束a通过三棱镜的情况是（ ）‎ 解析：由n能够使某种金属发生光电效应而p不能知，n的频率大于p的频率，在同一种介质中折射率的关系为n的最大，m的最小，故选项A是正确的。‎ 解：A正确 例3. ‎ 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（ ）‎ 解析：‎ 由爱因斯坦的光电效应方程得：‎ 故选项B是正确的。‎ 例4. ‎ ‎（1）每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阳极时的最大初动能。‎ ‎（2）如果把照射阴极绿光的光强增大为原来的2倍，每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阳极的最大初动能。‎ 解析：（1）当阴极发射的光电子全部达到阳极A时，光电流达到饱和，由电流可知每秒到达阴极的电子数，即每秒发射的电子数，由爱因斯坦光电效应方程可计算最大的初动能。‎ ‎（2）光强加倍，每秒钟发射的光电子数加倍，但入射光频率不变，发射的光电子的最大初动能不变。‎ 解：（1）光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阴极A，阴极每秒钟发射的光电子的个数 根据爱因斯坦光电方程，光电子的最大初动能：‎ ‎（2）如果照射光的频率不变，光强加倍，根据光电效应实验规律，阴极每秒发射的光电子数 光电子的最大初动能仍然是 例5. 关于波粒二象性理论，下列说法正确的是（ ）‎ A. 光的波粒二象性学说是由牛顿的微粒说与惠更斯的波动说组成的 B. 光的波粒二象性学说彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说 C. 光子说并没有否定光的电磁说，在光子能量上E＝hν中，频率ν表示波的特征，E表示粒子的特征 D. 光波不同于宏观观念中那种连续的波，它是表明大量光子运动规律的一种几率波 解析：现在提出的光的波粒二象性学说与17世纪牛顿的微粒说和惠更斯的波动说不同，当时他们均把光当作宏观世界中的粒子或波，且这两种观点相互对立，而现在的光的波粒二象性学说是建立麦克斯韦的光的电磁说和爱因斯坦的光子说的基础上，由光子说中提出的光子能量的计算公式E＝hν可知，反映粒子的特征的E与反映波动特征的ν相联系，故上述选项中正确的是C、D。‎ 说明：牛顿的微粒说中，其微粒是有确定的运动轨迹的。惠更斯的波动说中，其波是连续的。光的波粒二象性并没否认光是一种电磁波这一物质属性，这里的波是一种概率波。‎ 例6. 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 解析：每个光脉冲的长度等于光在持续时间内传播的距离，由光速和持续时间的乘积算出，每个光脉冲中所含的光子数，等于在持续时间内所发出的光的能量与每个光子的能量的比值，由功率和持续时间可以求出所发出的光的能量，由波长、光速结合光子能量公式可以求出每个光子的能量。‎ 设光在真空中的传播速度为C，则每列脉冲的长度为：‎ 所以每列光脉冲中含有的光子数为：‎ 说明：‎ 脉冲的长度等于光在脉冲持续时间内传播的距离；脉冲中含有的各光子的能量之和等于激光器在该脉冲持续时间内发射的总能量。‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 某金属在一束黄光照射下产生光电效应，若要使单位时间内逸出的光电子数目和光电子的初动能都增加，其方法是（ ）‎ A. 仍用黄光照射，但增加光束的强度 B. 改用红光照射，且增加光束的强度 C. 改用绿光照射，且增加光束的强度 D. 改用绿光照射，但不改变光束的强度 ‎2. 当某种单色光照射到金属表面时，金属表面有光电子逸出，如果光的强度减弱，频率不变，则（ ）‎ A. 光的强度减弱到某一最低数值时，就没有光电子逸出 B. 单位时间内逸出的光电子数减少 C. 逸出的光电子的最大动能减小 D. 单位时间内逸出的光电子数和光电子的最大初动能都要减少 ‎3. 如图所示，当用一束单色光照射光电管时，灵敏电流计G中无电流，这可能是（ ）‎ A. 电源电压太高 B. 入射光照射时间太短 C. 入射光的强度太小 D. 入射光的频率太低 ‎4. 某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述中可能使该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 ‎5. 一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分离为三束光，分别照到相同的金属板a、b、c上，如图所示，已知金属板b有光电子放出，则可知（ ）‎ A. 板a一定不放出光电子 B. 板a一定放出光电子 C. 板c一定不放出光电子 D. 板c一定放出光电子 ‎6. 在演示光电效应的实验中，把某种金属板连在验电器上：第一次，用弧光灯直接照射金属板，验电器的指针就张开一个角度；第二次，在弧光灯和金属板之间，插入一块普通的玻璃砖，再用弧光灯照射，验电器的指针不张开，由此可以判定，金属板产生光电效应的是弧光灯中的（ ）‎ A. 可见光成分 B. 紫外线成分 C. 红外线成分 D. 无线电波成分 ‎7. 关于光的性质，下列叙述中正确的是（ ）‎ A. 在其他条件相同的情况下，光的频率越高，衍射现象越容易看到 B. 频率越高光的粒子性越显著，频率越低光的波动性越显著 C. 大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性 D. 如果让光子一个一个地通过狭缝时，它们将严格按照相同的轨道和方向做极有规则的匀速直线运动 ‎8. 方向性很好的某一单色激光源，发射功率为P，发出的激光波长为，当激光束射到折射率为n的介质中时，由于反射其能量减少了10%，激光束的直径为d，那么在介质中与激光束垂直的截面上单位时间内通过单位面积上的光子数为（ ）‎ A. B. ‎ C. D. ‎ ‎9. 为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并没减弱光的强度，下列说法正确的是（ ）‎ A. 使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样 B. 使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够短，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样 C. 大量光子的运动规律显示出光的粒子性 D. 个别光子的运动显示光的粒子性 ‎10. 用频率相同，但强度不同的两束紫外线分别去照射两种不同的金属，结果都发生了光电效应，则（ ）‎ A. 用强度大的紫外线照射的那种金属，逸出的光电子的最大初动能一定大 B. 由于两束紫外线的频率相同，照射两种金属时，逸出的光电子的最大初动能一定相同 C. 从逸出功大的那种金属中逸出的具有最大初动能的光电子的速度小 D. 用强度大的紫外线照射的那种金属在相同的时间内逸出的光电子数多 ‎11. 当某种单色光照射到金属表面时，金属表面有光电子逸出，如果光的强度减弱，频率不变，则（ ）‎ A. 光的强度减弱到某一最低数值时，就没有光电子逸出 B. 单位时间内逸出的光电子数减少 C. 逸出光电子的最大初动能减少 D. 单位时间内逸出的光电子数和光电子的最大初动能都要减少 ‎12. 用4.5eV的光子照射到某种金属上，逸出光子的最大初动能为2.0 eV，若改用5.6eV的光子照射该金属，逸出电子的最大初动能为__________________eV，该金属的逸出功为____________________，极限波长为____________________。‎ ‎13. 在X射线管中，由阴极发射的电子被加速后打到阳极，会产生包括X射线在内的各种能量的光子，其中光子能量的最大值等于电子的动能，已知阳极与阴极之间的电势差U、普朗克常量h、电子电量e和光速c，则可知该X射线管发出的X光的（ ）‎ A. 最短波长为 B. 最长波长为 C. 最小频率为 D. 最大频率为 ‎14. 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，暗条纹的地方是没有光子到达的地方 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波动性强 ‎15. 光的干涉条纹中，光波强度大的地方，也就是光子到达______________的地方，光波强度小的地方，是光子到达______________的地方，所以光是一种概率波。‎ ‎16. 已知每秒钟从太阳射到地球的垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为，其中可见光部分约占45%，假设认为可见光的波长均为，太阳向各个方向的辐射是均匀的，日地间距离，普朗克常数。由此可估算出太阳每秒钟辐射出的可见光的光子数约为_____________。（只要求二位有效数字）‎ ‎17. 如图所示，一静电计与锌板相连，在A处用紫外灯照射锌板，关灯后，指针都与紫外线保持一定偏角。‎ ‎（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_____________（填“减小”“增大”或“不变”）‎ ‎（2）使静电计指针回到零，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照射锌板，可观察到静电计指针_____________（填“有”或“无”）偏转。‎ ‎18. 现有两束光，第一束：频率，强度；第二束：频率，强度。问：哪一束光的强度大？2s内垂直射到面积上的光子数之比为多少？‎ 试题答案 ‎1. C 2. B ‎3. AD 提示：图中所加电压为反向电压。‎ ‎4. C 5. D 6. B 7. BC ‎8. A 提示：进入介质中，光的频率不变。‎ ‎9. AD 10. CD 11. B ‎12. ‎ ‎13. AD 提示：X光子的最大能量为，则最大频率为，对应的最短波长为。‎ ‎14. C ‎15. 概率大；概率小 ‎16. 太阳每秒钟辐射出来的能量 根据题意有：‎ 故 ‎17. （1）减小；（2）无 提示：用紫外线照射时静电计指针发生偏转，说明发生了光电效应，有光电子从锌板逸出，锌板和静电计均带正电。‎ ‎（1）用带负电的小球与锌板接触，则小球上的负电荷要与静电计和锌板上的正电荷中和，所以静电计的指针偏角减小。‎ ‎（2）光电效应的发生取决于照射光的频率，因为红外线的频率低于钠黄光的频率，所以钠黄光不能发生光电效应时，红外线强度再大也不能发生光电效应。‎ ‎18. （1）光的强度相同；（2）1.4：1‎ 提示：光强度取决于单位时间内到达单位面积上的能量，由 可以知道光强度的关系，光子数等于光的能量与光子能量的比值，由光强、面积、时间可以求出2s内接收到的光的能量，由光的频率可以求出光子的能量，进而求出光子数和光子数之比。‎ ‎（1）光的强度取决于单位时间内到达单位面积的光的能量，由可知，这两束光的强度相同。‎ ‎（2）‎