第四章波粒二象性第一節光電效應第二節光電效應方程及其意義①物理觀念：通過對光電效應、波粒二象性、不確定性關系等內容的教學，完善學生對物質的認識，幫助學生形成相對完整、科學的物理觀念、運動與相互作用觀念．②科學思維：對微觀世界的研究，提出了各種模型如粒子性模型，粒子的波動性模型、粒子的波粒二象性模型，使我們知道物理學的研究需要建構模型；能對常見的物理現象進行簡單分析；知道表達觀點需要證據；知道質疑和創新的重要性．③科學探究：通過讓學生了解光電效應實驗的探究，引導學生認識光及實物粒子的波粒二象性，進一步認識光的本性．④科學態度與責任：通過關于光電效應以及波粒二象性等相關內容的學習，知道所有物理結論都必須接受實踐的檢驗，在學習與研究中做到實事求是，不迷信權威，能與他人合作．本章重點①光電效應規律概念、德布羅意波；②光電效應規律、不確定性關系；③愛因斯坦光電效應方程．本章難點①理解能量量子化，愛因斯坦光電效應方程解釋光電效應實驗現象；②理解光的波粒二象性及其對立統一的關系；③理解德布羅意波；④理解不確定性關系的具體含義．學習目標1．知道什么是光電效應及其實驗現象(重點)2．知道光子假說和愛因斯坦光電效應方程，能夠利用它解釋光電效應實驗現象(重難點)3．理解能量子的概念，理解能量量子化(難點)學法與考法學法：①通過實驗，了解光電效應現象和光電效應的實驗規律，知道愛因斯坦光電效應方程及其意義，能根據實驗結論說明光的波粒二象性．②通過了解微觀世界中的量子化現象，比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點．③通過光電效應的學習，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規律考法：①考查對光電效應現象和光電效應的實驗規律的理解．②考查愛因斯坦光電效應方程的應用．③考查能量子的觀點在實際中的應用知識導圖課前·

自主預習1．光電效應現象在物理學中，在光的照射下________從物體表面逸出的現象．2．光電效應的實驗規律(1)發生的條件：每一種金屬對應一種光的___________，又稱截止頻率．只有當光的頻率________________________時，才會產生__________．當光的頻率小于這個最小頻率時，即使增加_______________或__________，也不能產生光電效應．光電效應電子最小頻率大于或等于這個最小頻率光電光的強度照射時間效應(2)與光的強度的關系：產生光電效應時，光的強度______，單位時間內逸出的電子數________.(3)發生光電效應所需的時間：從光照射到金屬表面至產生光電效應的時間間隔很短，通常可在________內發生光電效應．(4)遏止電壓：使發生光電效應的回路中的光電流減小為零時的反向電壓．符號為Uc.表達式為________________，式中vmax為光電子的最大速率．越大越多10-9s光電效應現象與光照時間和光的強度有關嗎？【答案】無關．微思考入射光照射到某金屬表面上發生光電效應，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，那么 (

)A．從光照射到金屬表面上到發射出光電子之間的時間間隔將明顯增大B．逸出的光電子的最大初動能將減小C．單位時間內從金屬表面逸出的光電子數目將減少D．有可能不發生光電效應【答案】C【解析】光電效應幾乎是瞬時發生的，與入射光的強度無關，A錯誤．由于已經發生光電效應，說明入射光的頻率大于該金屬的截止頻率，當頻率保持不變時，一定能發生光電效應，D錯誤．入射光的強度減弱，說明單位時間內入射到金屬表面的光子數減少，所以單位時間內從金屬表面逸出的光電子數目也將減少，C正確．逸出的光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，與入射光的強度無關，B錯誤．1．普朗克公式德國物理學家普朗克對黑體輻射問題進行了系統的理論研究，推導出了普朗克公式ε＝hν，把它與實驗數據進行比較，發現與實驗結果“令人滿意地相符”．2．普朗克設想(1)黑體的空腔壁是由大量振子組成的，其能量E只能是某一______________hν的整數倍，即E＝nhν(n＝1，2，3，…)，式中ν為振子的頻率，h是一個常量，h＝________________．能量子最小能量值6.63×10-34

J·s(2)最小能量hν叫作________．(3)在微觀世界中能量是________變化的，只能取____________，這種現象叫作能量的________．3．意義普朗克能量子假設，使人類對__________的本質有了全新的認識，對現代物理學的發展產生了________的影響．能量子不連續分立值量子化微觀世界革命性為了得出與實驗相符的黑體輻射公式，普朗克提出了什么樣的觀點？【答案】普朗克認為，帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍，當帶電微粒輻射或吸收能量時，也只能是輻射或吸收某個最小能量值的整數倍．微思考(多選)對于帶電微粒輻射和吸收能量時的特點，以下說法正確的是 (

)A．以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸收B．輻射或吸收的能量是某一最小值的整數倍C．輻射和吸收的能量是量子化的D．輻射的能量是量子化的，吸收的能量是連續的【答案】ABC【解析】帶電微粒的輻射和吸收能量時是以最小能量值——能量子ε的整數倍，一份一份地輻射或吸收的，是不連續的．故A、B、C正確，D錯誤．1．光子說：看似連續的光實際上是由個數有限、分立于空間各點的________組成的，每一個________的能量為________．光在發射和吸收能量時是一份一份的．2．光電效應方程(1)表達式：hν＝W0＋Ek.(2)物理意義：金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量一部分用于從金屬表面逸出時做功，剩下的表現為電子逸出后具有的______________．光電效應方程光子光子hν最大初動能3．光電效應的應用(1)________________．(2)微光夜視儀．(3)________________．光電開關太陽能電池你對光電效應中的“光”是怎樣認識的？在光電效應實驗中光照時間越長，光電流越大嗎？【答案】當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，稱為光電效應，而逸出的電子稱為光電子.光電流取決于照射光的強度，與光照時間長短無關．微思考頻率為ν的光照到某金屬材料時，產生光電子的最大初動能為Ekm，若改用頻率為2ν的光照射同一金屬材料，則所產生光電子的最大初動能為(h為普朗克常量) (

)A．Ekm＋hν B．2EkmC．Ekm－hν D．Ekm＋2hν【答案】A【解析】由光電效應方程得頻率為ν的光照射金屬材料時Ekm＝hν－W0，改用頻率為2ν的光照射同一金屬材料時Ekm′＝h·2ν－W0，解得Ekm′＝Ekm＋hν，故A正確．課堂·

重難探究1．實驗裝置及電路對光電效應的理解2．概念辨析(1)飽和光電流：在光照條件不變時，電流隨電壓升高而增大到的最大值(Im).(2)遏止電壓：使光電流減小到0時的反向電壓(Uc).(3)截止頻率：使某種金屬發生光電效應的最小頻率．又叫極限頻率(νc).不同金屬截止頻率不同．3．光電效應的實驗規律(1)任何一種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于或等于這個截止頻率才能產生光電效應．低于截止頻率時，無論光照強度多強，都不會發生光電效應現象．(2)光電子最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大．(3)入射光照射到金屬上時，光電效應的發生幾乎是瞬時的，一般不超過10-9s.(4)當入射光的頻率高于截止頻率時，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比．4．電磁理論解釋光電效應的三個難點電磁理論認為：光的能量是由光的強度決定，而光的強度又是由光波的振幅所決定的，跟頻率無關．難點電磁理論光電效應實驗結果難點1按照光的波動理論，不論入射光的頻率是多少，只要光強足夠大，總可以使電子獲得足夠的能量從而發生光電效應如果光的頻率小于金屬的截止頻率，無論光強多大，都不能發生光電效應難點電磁理論光電效應實驗結果難點2光強越大，電子可獲得更多的能量，光電子的最大初動能也應該越大，遏止電壓也越大．即出射電子的動能應該由入射光的能量即光強來決定遏止電壓與光強無關，與頻率有關難點3光強大時，電子能量積累的時間就短，光強小時，能量積累的時間就長當入射光照射到光電管的陰極時，無論光強怎樣微弱，幾乎瞬時就產生了光電子對光電效應的實驗規律的理解例1利用光電管研究光電效應實驗，如圖所示，用頻率為ν1的可見光照射陰極K，電流表中有電流通過，則 (

)A．用紫外線照射，電流表中不一定有電流通過B．用紅外線照射，電流表中一定無電流通過C．用頻率為ν1的可見光照射陰極K，當滑動變阻器的滑片移到a端，電流表中一定無電流通過D．用頻率為ν1的可見光照射陰極K，當滑動變阻器的滑片向b端滑動時，電流表示數可能不變【答案】D【解析】因為紫外線的頻率比可見光的頻率高，所以用紫外線照射時，電流表中一定有電流通過，A錯誤．因為不知道陰極K的截止頻率，所以用紅外線照射時，不一定發生光電效應，B錯誤．即使UAK＝0，電流表中也有電流，C錯誤．當滑片向b端滑動時UAK增大，陽極A吸收光電子的能力增強，光電流會增大，當射出的所有光電子都能達到陽極A時，光電流達到最大，即飽和電流，若在滑動前，光電流已經達到飽和電流，那么再增大UAK，光電流也不會增大，D正確．變式1光電效應是物理學中一個重要而神奇的現象．在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些金屬內部的電子會被光子激發出來而形成光電子．下列關于光電效應的說法正確的是 (

)A．光電效應是原子核吸收光子后向外釋放電子的現象B．光電子的最大初動能Ek與入射光的強度無關C．相同強度的黃光和綠光照射同種金屬材料時相同時間內逸出的光電子數相等D．入射光的頻率為原來一半時，逸出的光電子數一定減半【答案】B【解析】光電效應是原子的核外電子吸收光子后從金屬表面逸出的現象，A錯誤；光電子的最大初動能Ek與入射光的強度無關，與入射光的頻率有關，B正確；強度相同的黃光和綠光由于頻率不同，光子數不同，所以照射同種金屬材料時相同時間內逸出的光電子數也不相同，C錯誤；當入射光的頻率為原來一半時，有可能不會發生光電效應，D錯誤．關于光電效應的三點提醒1．發生光電效應時需滿足：照射光的頻率大于金屬的截止頻率，即ν＞ν0.2．光電子的最大初動能與照射光的頻率及金屬的截止頻率有關，而與照射光的強弱無關，照射光強度大小決定了逸出光電子的數目多少．3．在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關．1．概念普朗克認為，帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍，當帶電微粒輻射或吸收能量時，也只能是輻射或吸收某個最小能量值的整數倍，即：ε，2ε，3ε，…，nε(n為正整數，稱為量子數).也就是以這個最小能量值為單位，一份一份地輻射或吸收的，這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子．對能量子的理解能量子大小：對于頻率為ν的諧振子最小能量為ε＝hν，h是普朗克常量(h＝6.626×10-34J·s).一般取h＝6.63×10-34J·s.2．能量的量子化在微觀世界里，能量不能連續變化，只能取分立值，這種現象叫作能量的量子化．意義：可以非常合理地解釋某些電磁波的輻射和吸收的實驗現象．3．理解能量的量子化(1)物體在發射或接收能量的時候，只能從某一狀態“飛躍”地過渡到另一狀態，而不可能停留在不符合這些能量的任何一個中間狀態．(2)在宏觀尺度內研究物體的運動時我們可以認為：物體的運動是連續的，能量變化是連續的，不必考慮量子化；在研究微觀粒子時必須考慮能量量子化．(3)能量子的能量ε＝hν，其中，h是普朗克常量，ν是電磁波的頻率．4．發光功率與單個光子能量的關系發光功率P＝n·ε，其中n為單位時間發出的光子數目，ε為單個光子能量．對能量子的理解例2某激光器能發射波長為λ的激光，發射功率為P，c表示光速，h表示普朗克常量，則激光器每秒發射能量子的數目為 (

)【答案】C變式2

(多選)(2023年廣元期中)光刻機又名“掩模對準曝光機”，是制造芯片的核心裝備，它是利用光源發出的紫外線，將精細圖投影在硅片上，再經技術處理制成芯片．為提高光刻機投影精細圖的能力，在光刻膠和投影物鏡之間填充液體，提高分辨率，如圖所示．則加上液體后，下列說法正確的是 (

)A．紫外線進入液體后光子能量增加B．紫外線在液體中的波長比在真空中短C．傳播相等的距離，紫外線在液體中比在真空中的時間長D．紫外線在液體中比在空氣中更容易發生衍射【答案】BC解有關能量子問題的技巧1．光電效應方程的理解(1)光電效應方程Ek＝hν－W0中，Ek為光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時的動能大小可以是零到最大值范圍內的任何數值．(2)光電效應方程表明，光電子的最大初動能與入射光的頻率ν呈線性關系(注意不是正比關系)，與光強無關．對光電效應方程的理解及應用(4)光電效應方程實質上是能量守恒方程．(5)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需要克服原子核的束縛而消耗的能量的最小值，叫作金屬的逸出功．光電效應中，從金屬表面逸出的電子消耗能量最少．2．光子說對光電效應的解釋(1)由于光的能量是一份一份的，那么金屬中的電子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且這個傳遞能量的過程只能是一個光子對一個電子的行為．如果光的頻率低于截止頻率，則光子提供給電子的能量不足以克服原子的束縛，就不能發生光電效應．(3)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，所以光電效應的發生幾乎是瞬時的．(4)發生光電效應時，單位時間內逸出的光電子數與光強度成正比，光強度越大意味著單位時間內打在金屬上的光子數越多，那么逸出的光電子數目也就越多，光電流也就越大．對光電效應方程的理解及應用例3紫光在真空中的波長為4.5×10-7m，問：(1)紫光光子的能量是多少？(2)用它照射截止頻率為ν0＝4.62×1014Hz的金屬鉀時能否產生光電效應？(3)若能產生，則光電子的最大初動能為多少？(h＝6.63×10-34J·s)變式3

(2023年蘇州檢測)如圖所示用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線，普朗克常量h＝6.63×10-34J·s，電子電荷量e＝1.6×10-19C，由圖可知下列不正確的是 (

)A．該金屬的截止頻率為5.5×1014HzB．該金屬的截止頻率為4.27×1014HzC．該圖線的斜率表示普朗克常量D．該金屬的逸出功約為1.77eV【答案】A變式4

(多選)(2023年廈門檢測)在研究a、b兩種金屬發生光電效應現象的實驗中，得到從金屬表面逸出光電子最大初動能Ek與入射光頻率ν之間的關系如圖中直線①②所示．已知h為普朗克常量，則 (

)A．圖中直線①②的斜率均為B．金屬a的逸出功小于金屬b的逸出功C．在得到這兩條直線時，必須保證入射光的光強相同D．若產生的光電子具有相同的最大初動能，則照射到金屬b的光頻率較高【答案】BD【解析】由光電效應方程有Ek＝hν－W0可知，Ek－ν的斜率均為h，A錯誤；由光電效應方程有Ek＝hν－W0，圖線與縱軸的截距的絕對值表示金屬的逸出功，則金屬a的逸出功小于金屬b的逸出功，若產生的光電子具有相同的最大初動能，則照射到金屬b的光頻率較高，B、D正確；由光電效應方程有Ek＝hν－W0可知，在得到這兩條直線時，與入射光的光強無關，只與光的頻率有關，C錯誤．1．截止頻率為ν0的光照射金屬對應逸出電子的最大初動能為零，逸出功W0＝hν0.2．某種金屬的逸出功是一定值，隨入射光頻率的增大，光電子的最大初動能增大，但光電子的最大初動能與入射光的頻率不成正比．小練·

隨堂鞏固1．下列宏觀概念是“量子化”的是 (

)A．物體的質量 B．木棒的長度C．花生米的粒數 D．物體的動能【答案】C【解析】粒數的數值只能取正整數，不能取分數或小數，因而是不連續的，是量子化的．其他三個物理量的數值都可以取小數或分數，甚至取無理數也可以，因而是連續的，非量子化的．故只有C正確．2．光子的能量與其 (

)A．頻率成正比 B．波長成正比C．速度成正比 D．速度平方成正比【答案】A【解析】根據E＝hν可知，光子的能量與頻率成正比，故選A．3．(2023年安康模擬)光電鼠標是一種常見的計算機輸入設備，其原理利用了光電效應．在鼠標表面安裝一個光電傳感器，當光電傳感器接收到光線，就會產生電信號，從而控制計算機的操作．關于光電效應，下列說法正確的是 (

)A．只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能產生光電效應B．入射光的強度越大，從金屬表面逸出的光電子的最大初動能越大C．對于給定的金屬，入射光的頻率越大，逸出功越大D．同一光電管，入射光的波長越長，對應的遏止電壓越小【答案】D4．已知某種單色光的波長為λ，在真空中光速為c，普朗克常量為h，則電磁波輻射的能量子ε的值為 (

)【答案】A5．(2023年山西聯考)光子具有能量，還具有動量，光子的動量p與光的波長λ和普朗克常量h有關．康普頓效應為我國杰出的科學家吳有訓先生用實驗所驗證．圖中的這枚郵票就是為紀念吳有訓先生而發行的．關于真空中光子動量的表達式正確的是 (

)【答案】A6．用不同頻率的紫外線分別照射鎢板和鋅板而產生光電效應，可得到光電子的最大初動能Ek隨入射光的頻率ν變化的Ek－ν圖像，已知鎢元素的逸出功為3.28eV，鋅元素的逸出功為3.34eV，若將兩者的圖像分別用實線與虛線畫在同一個Ek－ν圖上．則下圖中正確的是 (

)【答案】A【解析】根據光電效應方程Ek＝hν－W0可知，Ek－ν圖像的斜率為普朗克常量h，因此圖中兩圖線應平行，C、D錯誤；橫軸的截距表示恰能發生光電效應(光電子最大初動能為零)時的入射光的頻率，即截止頻率．由光電效應方程可知，逸出功越大的金屬對應的截止頻率越大，則知能使金屬鋅發生光電效應的截止頻率較大，A正確，B錯誤．7．(2023年河北模擬)某研究小組用圖甲所示光電效應實驗的電路圖，來研究兩個光電管a、b用同一種光照射情況下的光電流與電壓的關系，測得兩光電管a、b兩極間所加電壓U與光電流I的關系如圖乙所示．則有關這兩個光電管的說法正確的是