人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第2節光電效應核心素養物理觀念科學思維1.知道光電效應、光電子的概念。2.掌握光電效應的實驗規律。3.知道光子說、光電效應方程及其意義。4.了解康普頓效應及其意義。5.了解光的波粒二象性。體會并感受科學家在面對光電效應問題和疑難時的創新精神。知識點一光電效應及其實驗規律〖觀圖助學〗把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。這個現象說明了什么問題？引入光電效應1.光電效應照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。這個現象稱為光電效應。2.光電子：光電效應中發射出來的電子。3.光電效應的實驗規律(1)存在截止頻率：當入射光的頻率減小到某一數值νc時，已經沒有光電子了。νc稱為截止頻率或極限頻率。這就是說，當入射光的頻率低于截止頻率時不發生光電效應。實驗表明，不同金屬的截止頻率不同。換句話說，截止頻率與金屬自身的性質有關。(2)存在著飽和電流：在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大。這表明對于一定顏色的光，入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度。同一種金屬對于一定頻率的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的。(4)光電效應具有瞬時性：當頻率超過截止頻率νc時，無論入射光怎樣微弱，照到金屬時會立即產生光電流。精確測量表明產生電流的時間很快，即光電效應幾乎是瞬時發生的。4.逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。不同金屬的逸出功不同。〖思考判斷〗(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發生光電效應。(×)(2)金屬表面是否發生光電效應與入射光的強弱有關。(×)(3)入射光照射到金屬表面上時，光電子幾乎是瞬時發射的。(√)知識點二愛因斯坦的光子說與光電效應方程1.光的波動說的困難：按照光的波動說，當光照射到金屬表面時，金屬中的電子會從入射光中吸收能量，只有當能量積累到一定量時，電子才能從金屬表面逃逸出來，這無法解釋光電效應的實驗現象。2.光子說：光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，這些能量子被稱為光子。3.愛因斯坦的光電效應方程(1)表達式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。(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克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸出后電子的最大初動能Ek。〖思考判斷〗(1)“光子”就是“光電子”的簡稱。(×)(2)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比。(×)(3)入射光若能使某金屬發生光電效應，則入射光的強度越大，照射出的光電子越多。(√)知識點三康普頓效應和光的波粒二象性〖思考助學〗太陽光從小孔射入室內時，我們從側面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；宇航員在太空中盡管太陽光耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的，為什么？〖提*示〗在地球上存在著大氣，太陽光經微粒散射后傳向各個方向，而在太空中的真空環境下光不再散射只向前傳播。1.康普頓效應(1)光的散射光子在介質中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發生改變，這種現象叫作光的散射。(2)康普頓效應美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應。(3)康普頓效應的意義康普頓效應表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面。(4)光子的動量①表達式：p＝eq\f(h,λ)。②說明：在康普頓效應中，入射光子與晶體中電子碰撞時，把一部分動量轉移給電子，光子的動量變小。因此，有些光子散射后波長變大。2.光的波粒二象粒(1)光的干涉和衍射現象說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性。(2)光子的能量ε＝hν，光子的動量p＝eq\f(h,λ)。(3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性。〖思考判斷〗(1)光子的動量與波長成反比。(√)(2)光子發生散射時，其動量大小發生變化，但光子的頻率不發生變化。(×)(3)有些光子發生散射后，其波長變大。(√)(1)赫茲最早發現光電效應現象。(2)光電效應的實質：光現象eq\o(→,\s\up7(轉化為))電現象。(3)定義中光包括不可見光和可見光。(4)使鋅板發射出電子的光是弧光燈發出的紫外線。光電子是金屬表面受到光的照射時發射出來的電子，其本質是電子，光是光電效應的“因”光電子是“果”。光電效應發生的條件是：入射光的頻率大于截止頻率。光電流和飽和電流金屬板逸出的光電子到達陽極，回路中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值叫飽和電流。遏止電壓與光電子初速度的關系：由動能定理得出eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝eUc。光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電。光電子是金屬表面受到光照射時吸收了光子能量后發射出來的電子，其本質是電子。光電子的動能與光電子的最大初動能光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收光子的能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余能量為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能。光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，但不是正比關系。愛因斯坦提出了光子說，成功地解釋了光電效應現象，康普頓效應進一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性。波長較短的X射線或γ射線與物質微粒相互作用時產生的康普頓效應較明顯。在光的散射中，光子與其他粒子作用過程中遵循動量守恒定律與能量守恒定律。核心要點光電效應現象及其實驗規律〖觀察探究〗如圖甲是研究光電效應現象的裝置圖，圖乙是研究光電效應的電路圖，請結合裝置圖及產生的現象回答下列問題：(1)在甲圖中發現，利用紫外線照射鋅板無論光的強度如何變化，驗電器都有張角，而用紅光照射鋅板，無論光的強度如何變化，驗電器總無張角，這說明了什么？(2)在乙圖中光電管兩端加正向電壓，用一定強度的光照射時，若增加電壓，電流表示數不變，而光強增加時，同樣電壓，電流表示數會增大，這說明了什么？(3)在乙圖中若加反向電壓，當光強增大時，遏止電壓(使光電流減小到0的反向電壓)不變，而入射光的頻率增加時，遏止電壓卻增加，這一現象說明了什么？(4)光電效應實驗表明，發射電子的能量與入射光的強度無關，而與光的頻率有關，試用光子說分析其原因。〖答案〗(1)金屬能否發生光電效應，決定于入射光的頻率，與入射光的強度無關。(2)發生光電效應時，當入射光頻率不變時，單位時間飛出的光電子個數只與光的強度有關。(3)光電子的能量與入射光頻率有關，與光的強度無關。(4)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，而且傳遞能量的過程只能是一個光子對應一個電子的行為。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來的束縛，就不能發生光電效應。而當光的頻率高于截止頻率時，能量傳遞給電子以后，電子擺脫束縛要消耗一部分能量，剩余的能量以光電子的動能形式存在。〖探究歸納〗1.光電效應的實質：光現象eq\o(→,\s\up7(轉化為))電現象。2.光電效應中的光包括不可見光和可見光。3.光電子：光電效應中發射出來的電子，其本質還是電子。4.能不能發生光電效應由入射光的頻率決定，與入射光的強度無關。5.發生光電效應時，在光的顏色不變的情況下，入射光越強，單位時間內發出的光電子數越多。6.光的強度與飽和電流：飽和電流與光強有關，與所加的正向電壓大小無關。飽和電流與入射光強度成正比的規律是對頻率相同的光照射金屬產生光電效應而言的。對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和電流與入射光強度之間不是簡單的正比關系。〖試題案例〗〖例1〗(多選)現用某一光電管進行光電效應實驗，當用某一頻率的光入射時，有光電流產生。下列說法正確的是()A.保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和電流變大B.入射光的頻率變高，飽和電流變大C.入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大D.保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產生〖解析〗保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，單位時間內逸出的光電子變多，飽和電流變大，A正確；據愛因斯坦光電效應方程hν＝eq\f(1,2)mv2＋W0可知，入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大，飽和電流不變，B錯誤，C正確；當hν<W0時沒有光電流產生，D錯誤。〖答案〗AC〖針對訓練1〗(多選)用某種色光照射到金屬表面時，金屬表面有光電子飛出，如果光的強度減弱而頻率不變，則()A.光的強度減弱到某一最低數值時，仍有光電子飛出B.光的強度減弱到某一最低數值時，就沒有光電子飛出C.單位時間內飛出的光電子數目減少D.單位時間內飛出的光電子數目不變〖解析〗發生光電效應的條件是入射光的頻率大于截止頻率，若入射光的頻率不變，仍然能發生光電效應，故A正確，B錯誤；光的強弱只影響單位時間內發出光電子的數目，光的強度減弱，則單位時間內飛出的光電子數目減少，故C正確，D錯誤。〖答案〗AC核心要點光電效應方程的理解和應用〖問題探究〗用如圖所示的裝置研究光電效應現象。用光子能量為2.75eV的光照射到光電管上時發生了光電效應，電流表的示數不為零；移動滑動變阻器的滑片，發現當電壓表的示數大于或等于1.7V時，電流表示數為0。(1)光電子的最大初動能是多少？遏止電壓為多少？(2)光電管陰極的逸出功又是多少？(3)當滑片向a端滑動時，光電流變大還是變小？(4)當入射光的頻率增大時，光電子最大初動能如何變化？遏止電壓呢？〖答案〗(1)1.7eV1.7V(2)W0＝hν－eq\f(1,2)mv2＝2.75eV－1.7eV＝1.05eV(3)變大(4)變大變大〖探究歸納〗1.三個關系(1)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0。(2)光電子的最大初動能Ek可以利用光電管實驗的方法測得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓，即光電流剛好為0時的反向電壓。(3)光電效應方程中的W0為逸出功，它與極限頻率νc的關系是W0＝hνc。2.四類圖像圖像名稱圖線形狀讀取信息最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖線①截止頻率(極限頻率)：橫軸截距②逸出功：縱軸截距的絕對值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖線①截止頻率νc：橫軸截距②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc：橫軸截距②飽和電流Im：電流的最大值③最大初動能：Ekm＝eUc顏色不同時，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2〖試題案例〗〖例2〗(2019·北京卷，19)光電管是一種利用光照射產生電流的裝置，當入射光照在管中金屬板上時，可能形成光電流。表中給出了6次實驗的結果。組次入射光子的能量/eV相對光強光電流大小/mA逸出光電子的最大動能/eV第一組1234.04.04.0弱中強2943600.90.90.9第二組4566.06.06.0弱中強2740552.92.92.9由表中數據得出的論斷中不正確的是()A.兩組實驗采用了不同頻率的入射光B.兩組實驗所用的金屬板材質不同C.若入射光子的能量為5.0eV，逸出光電子的最大動能為1.9eVD.若入射光子的能量為5.0eV，相對光強越強，光電流越大〖解析〗由題表格中數據可知，兩組實驗所用的入射光的能量不同，由公式E＝hν可知，兩組實驗中所用的入射光的頻率不同，故A正確；設金屬的逸出功為W0，由愛因斯坦質能方程Ek＝hν－W0可得，第一組實驗：0.9eV＝4.0eV－W01，第二組實驗：2.9eV＝6.0eV－W02，解得，W01＝W02＝3.1eV，即兩種材料的逸出功相同，故材料相同，故B錯誤；由愛因斯坦質能方程Ek＝hν－W0可得Ek＝(5.0－3.1)eV＝1.9eV，故C正確；由題表格中數據可知，入射光能量相同時，相對光強越強，光電流越大，故D正確。〖答案〗B〖例3〗用如圖甲所示的裝置研究光電效應現象。閉合開關S，用頻率為ν的光照射光電管時發生了光電效應。圖乙是該光電管發生光電效應時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像，圖線與橫軸的交點坐標為(a，0)，與縱軸的交點坐標為(0，－b)，下列說法中正確的是()A.普朗克常量為h＝eq\f(a,b)B.斷開開關S后，電流表G的示數不為零C.僅增加照射光的強度，光電子的最大初動能將增大D.保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數保持不變〖解析〗由hν＝W0＋Ek，變形得Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，即h＝eq\f(b,a)，故A錯誤；斷開開關S后，初動能大的光電子，也可能達到陽極，所以電流表G的示數不為零，故B正確；只有增大入射光的頻率，才能增大光電子的最大初動能，與光的強度無關，故C錯誤；保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，單個光子的能量增大，而光的強度不變，那么單位時間內的光子數一定減少，發出的光電子數也減少，電流表G的示數要減小，故D錯誤。〖答案〗B〖針對訓練2〗(多選)如圖所示是某金屬在光的照射下，光電子最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像，由圖像可知()A.該金屬的逸出功等于EB.該金屬的逸出功等于hν0C.入射光的頻率為ν0時，產生的光電子的最大初動能為ED.入射光的頻率為2ν0時，產生的光電子的最大初動能為2E〖解析〗題中圖像反映了光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系，根據愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0，知當入射光的頻率恰為該金屬的截止頻率ν0時，光電子的最大初動能Ek＝0，此時有hν0＝W0，即該金屬的逸出功等于hν0，選項B正確；根據圖線的物理意義，有W0＝E，故選項A正確，C、D錯誤。〖答案〗AB核心要點對康普頓效應的理解〖要點歸納〗1.光的散射：光在介質中與物質粒子相互作用，因而傳播方向發生改變，這種現象叫作光的散射。2.康普頓效應：美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應。3.經典物理的理論無法解釋康普頓效應按照經典物理的理論，由于光是電磁振動的傳播，入射光將引起物質內部帶電粒子的受迫振動，振動著的帶電粒子從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光。散射光的頻率應該等于帶電粒子受迫振動的頻率，也就是入射光的頻率。因而散射光的波長與入射光的波長應該相同，不會出現λ>λ0的散射光。4.用光子說解釋康普頓效應康普頓認為X射線的光子不僅具有能量，也像其他粒子那樣具有動量，X射線的光子與晶體中的電子碰撞時要遵守能量守恒定律和動量守恒定律，求解這些方程，可以得出散射光波長的變化量Δλ，理論結果與實驗符合得很好。如圖為X射線的光子與石墨中電子碰撞前后狀態的示意圖。5.光子的動量狹義相對論告訴我們，質量m和能量E有簡單的對應關系：E＝mc2,一個光子的能量是hν，所以它的質量是m＝eq\f(hν,c2)，借用質子、電子等粒子動量的定義：動量＝質量×速度，可得光子的動量。溫馨〖提*示〗光子的靜質量為零，這里所說光子質量是光子的相對質量。p＝mc＝eq\f(hν,c2)·c＝eq\f(hν,c)＝eq\f(h,λ)。在康普頓效應中，入射光子與晶體中電子碰撞時，把一部分動量轉移給電子，光子的動量變小。由p＝eq\f(h,λ)知動量減小意味著波長變大。〖試題案例〗〖例4〗康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也具有動量，如圖給出了光子與靜止電子碰撞后電子的運動方向，則碰撞后光子可能沿________(填“1”“2”或“3”)方向運動，并且波長________(填“不變”“變短”或“變長”)。〖解析〗因為光子與電子碰撞過程中動量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰撞前的方向一致，可見碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉移給電子，能量減少，由E＝hν知，頻率變小，再根據c＝λν知，波長變長。〖答案〗1變長〖針對訓練3〗A、B兩種光子的能量之比為2∶1，它們都能使某種金屬發生光電效應，且所產生的光電子最大初動能分別為EA、EB。求A、B兩種光子的動量之比和該金屬的逸出功。〖解析〗光子能量ε＝hν，動量p＝eq\f(h,λ)，且ν＝eq\f(c,λ)，得p＝eq\f(ε,c)，則pA∶pB＝2∶1。A照射時，光電子的最大初動能EA＝εA－W0。同理，EB＝εB－W0，解得W0＝EA－2EB。〖答案〗2∶1EA－2EB核心要點光的波粒二象性〖要點歸納〗對光的波粒二象性的理解實驗基礎表現說明光的波動性干涉和衍射(1)光子在空間各點出現的可能性大小可用波動規律來描述(2)足夠能量的光在傳播時，表現出波的性質(1)光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產生的(2)光的波動性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應、康普頓效應(1)當光同物質發生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現出粒子的性質(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性(1)粒子的含義是“不連續”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀觀念的粒子〖試題案例〗〖例5〗(多選)關于光的波粒二象性，下列理解正確的是()A.高頻光是粒子，低頻光是波B.大量的光子往往表現出波動性，個別光子往往表現出粒子性C.波粒二象性是光的屬性，只是有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著D.光在傳播時是波，而與物質發生相互作用時轉變成粒子〖解析〗波粒二象性是光所具有的性質，在不同的情況下有不同的表現：大量的光子往往表現出波動性，個別光子往往表現出粒子性；光在傳播過程中通常表現為波動性，在與物質發生相互作用時通常表現為粒子性。〖答案〗BC〖針對訓練4〗關于光的波粒二象性，下列說法中正確的是()A.光子說完全否定了波動說B.光的波粒二象性是指光和經典的波與粒子很相似C.光的波動說和光子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有不能解釋的實驗現象D.光的波粒二象性是指光要么具有波動性，要么具有粒子性，而不是同時具有波動性和粒子性〖解析〗光子說的確立，沒有完全否定了波動說，使人們對光的本性認識更完善，光既具有波動性，又同時具有粒子性，光具有波粒二象性，故A、D錯誤；光的波粒二象性，與宏觀概念中的波不同，與微觀概念中的粒子也不相同，故B錯誤；波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實驗現象，故C正確。〖答案〗C1.(對光電效應現象的理解)(多選)如圖所示，用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，驗電器指針張開一個角度，則下列說法中正確的是()A.用紫外線照射鋅板，驗電器指針會發生偏轉B.用紅光照射鋅板，驗電器指針一定會發生偏轉C.鋅板帶的是負電荷D.使驗電器指針發生偏轉的是正電荷〖解析〗將擦得很亮的鋅板與驗電器連接，用弧光燈照射鋅板(弧光燈可以發出紫外線)，驗電器指針張開一個角度，說明鋅板帶了電，進一步研究表明鋅板帶正電。這說明在紫外線的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出，鋅板帶正電，選項A、D正確，C錯誤；紅光的頻率低于紫外線的頻率，不一定能使鋅板發生光電效應，B錯誤。〖答案〗AD2.(光電效應的實驗及規律)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.從光照至金屬表面上到發射出光電子之間的時間間隔將明顯增加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〖解析〗發生光電效應幾乎是瞬時的，選項A錯誤；入射光的強度減弱，說明單位時間內的入射光子數目減少，頻率不變，說明光子能量不變，逸出的光電子的最大初動能也就不變，選項B錯誤；入射光子的數目減少，逸出的光電子數目也就減少，故選項C正確；入射光照射到某金屬上發生光電效應，說明入射光頻率不低于這種金屬的極限頻率，入射光的強度減弱而頻率不變，同樣能發生光電效應，故選項D錯誤。〖答案〗C3.(光電效應的圖像)愛因斯坦因提出了光子概念并成功地解釋光電效應的規律而獲得1921年諾貝爾物理學獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關系如圖所示，其中ν0為極限頻率。從圖中可以確定的是()A.逸出功與ν有關B.Ekm與入射光強度成正比C.當ν<ν0時，會逸出光電子D.圖中直線的斜率為普朗克常量〖解析〗金屬的逸出功是由金屬自身決定的，與入射光頻率無關，其大小W0＝hν0，故A錯誤；根據愛因斯坦光電效應方程Ekm＝hν－W0，可知光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只要入射光的頻率不變，則光電子的最大初動能不變，故B錯誤；要有光電子逸出，則光電子的最大初動能Ekm>0，即只有入射光的頻率ν>ν0時才會有光電子逸出，故C錯誤；根據愛因斯坦光電效應方程Ekm＝hν－W0。可知該圖像的斜率eq\f(ΔEkm,Δν)＝h。故D項正確。〖答案〗D4.(光電效應方程的應用)如圖所示，當開關S斷開時，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P，發現電流表讀數不為零。閉合開關，調節滑動變阻器，發現當電壓表讀數小于0.6V時，電流表讀數仍不為零。當電壓表讀數大于或等于0.6V時，電流表讀數為零。由此可知陰極材料的逸出功為()A.1.9eV B.0.6eVC.2.5eV D.3.1eV〖解析〗由題意知光電子的最大初動能為Ek＝eUc＝0.6eV，所以根據光電效應方程Ek＝hν－W0可得W0＝hν－Ek＝(2.5－0.6)eV＝1.9eV。〖答案〗A5.(對康普頓效應的理解)光電效應和康普頓效應都包含有電子與光子的相互作用過程，對此下列說法正確的是()A.兩種效應中電子與光子組成的系統都服從動量守恒定律和能量守恒定律B.兩種效應都相當于電子與光子的彈性碰撞過程C.兩種效應都屬于吸收光子的過程D.光電效應是吸收光子的過程，而康普頓效應相當于光子和電子彈性碰撞的過程〖解析〗光電效應吸收光子放出電子，其過程能量守恒，但動量不守恒，康普頓效應相當于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應都說明光具有粒子性，故D正確。〖答案〗D第2節光電效應核心素養物理觀念科學思維1.知道光電效應、光電子的概念。2.掌握光電效應的實驗規律。3.知道光子說、光電效應方程及其意義。4.了解康普頓效應及其意義。5.了解光的波粒二象性。體會并感受科學家在面對光電效應問題和疑難時的創新精神。知識點一光電效應及其實驗規律〖觀圖助學〗把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。這個現象說明了什么問題？引入光電效應1.光電效應照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。這個現象稱為光電效應。2.光電子：光電效應中發射出來的電子。3.光電效應的實驗規律(1)存在截止頻率：當入射光的頻率減小到某一數值νc時，已經沒有光電子了。νc稱為截止頻率或極限頻率。這就是說，當入射光的頻率低于截止頻率時不發生光電效應。實驗表明，不同金屬的截止頻率不同。換句話說，截止頻率與金屬自身的性質有關。(2)存在著飽和電流：在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大。這表明對于一定顏色的光，入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度。同一種金屬對于一定頻率的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的。(4)光電效應具有瞬時性：當頻率超過截止頻率νc時，無論入射光怎樣微弱，照到金屬時會立即產生光電流。精確測量表明產生電流的時間很快，即光電效應幾乎是瞬時發生的。4.逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。不同金屬的逸出功不同。〖思考判斷〗(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發生光電效應。(×)(2)金屬表面是否發生光電效應與入射光的強弱有關。(×)(3)入射光照射到金屬表面上時，光電子幾乎是瞬時發射的。(√)知識點二愛因斯坦的光子說與光電效應方程1.光的波動說的困難：按照光的波動說，當光照射到金屬表面時，金屬中的電子會從入射光中吸收能量，只有當能量積累到一定量時，電子才能從金屬表面逃逸出來，這無法解釋光電效應的實驗現象。2.光子說：光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，這些能量子被稱為光子。3.愛因斯坦的光電效應方程(1)表達式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。(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克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸出后電子的最大初動能Ek。〖思考判斷〗(1)“光子”就是“光電子”的簡稱。(×)(2)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比。(×)(3)入射光若能使某金屬發生光電效應，則入射光的強度越大，照射出的光電子越多。(√)知識點三康普頓效應和光的波粒二象性〖思考助學〗太陽光從小孔射入室內時，我們從側面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；宇航員在太空中盡管太陽光耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的，為什么？〖提*示〗在地球上存在著大氣，太陽光經微粒散射后傳向各個方向，而在太空中的真空環境下光不再散射只向前傳播。1.康普頓效應(1)光的散射光子在介質中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發生改變，這種現象叫作光的散射。(2)康普頓效應美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應。(3)康普頓效應的意義康普頓效應表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面。(4)光子的動量①表達式：p＝eq\f(h,λ)。②說明：在康普頓效應中，入射光子與晶體中電子碰撞時，把一部分動量轉移給電子，光子的動量變小。因此，有些光子散射后波長變大。2.光的波粒二象粒(1)光的干涉和衍射現象說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性。(2)光子的能量ε＝hν，光子的動量p＝eq\f(h,λ)。(3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性。〖思考判斷〗(1)光子的動量與波長成反比。(√)(2)光子發生散射時，其動量大小發生變化，但光子的頻率不發生變化。(×)(3)有些光子發生散射后，其波長變大。(√)(1)赫茲最早發現光電效應現象。(2)光電效應的實質：光現象eq\o(→,\s\up7(轉化為))電現象。(3)定義中光包括不可見光和可見光。(4)使鋅板發射出電子的光是弧光燈發出的紫外線。光電子是金屬表面受到光的照射時發射出來的電子，其本質是電子，光是光電效應的“因”光電子是“果”。光電效應發生的條件是：入射光的頻率大于截止頻率。光電流和飽和電流金屬板逸出的光電子到達陽極，回路中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值叫飽和電流。遏止電壓與光電子初速度的關系：由動能定理得出eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝eUc。光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電。光電子是金屬表面受到光照射時吸收了光子能量后發射出來的電子，其本質是電子。光電子的動能與光電子的最大初動能光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收光子的能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余能量為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能。光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，但不是正比關系。愛因斯坦提出了光子說，成功地解釋了光電效應現象，康普頓效應進一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性。波長較短的X射線或γ射線與物質微粒相互作用時產生的康普頓效應較明顯。在光的散射中，光子與其他粒子作用過程中遵循動量守恒定律與能量守恒定律。核心要點光電效應現象及其實驗規律〖觀察探究〗如圖甲是研究光電效應現象的裝置圖，圖乙是研究光電效應的電路圖，請結合裝置圖及產生的現象回答下列問題：(1)在甲圖中發現，利用紫外線照射鋅板無論光的強度如何變化，驗電器都有張角，而用紅光照射鋅板，無論光的強度如何變化，驗電器總無張角，這說明了什么？(2)在乙圖中光電管兩端加正向電壓，用一定強度的光照射時，若增加電壓，電流表示數不變，而光強增加時，同樣電壓，電流表示數會增大，這說明了什么？(3)在乙圖中若加反向電壓，當光強增大時，遏止電壓(使光電流減小到0的反向電壓)不變，而入射光的頻率增加時，遏止電壓卻增加，這一現象說明了什么？(4)光電效應實驗表明，發射電子的能量與入射光的強度無關，而與光的頻率有關，試用光子說分析其原因。〖答案〗(1)金屬能否發生光電效應，決定于入射光的頻率，與入射光的強度無關。(2)發生光電效應時，當入射光頻率不變時，單位時間飛出的光電子個數只與光的強度有關。(3)光電子的能量與入射光頻率有關，與光的強度無關。(4)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，而且傳遞能量的過程只能是一個光子對應一個電子的行為。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來的束縛，就不能發生光電效應。而當光的頻率高于截止頻率時，能量傳遞給電子以后，電子擺脫束縛要消耗一部分能量，剩余的能量以光電子的動能形式存在。〖探究歸納〗1.光電效應的實質：光現象eq\o(→,\s\up7(轉化為))電現象。2.光電效應中的光包括不可見光和可見光。3.光電子：光電效應中發射出來的電子，其本質還是電子。4.能不能發生光電效應由入射光的頻率決定，與入射光的強度無關。5.發生光電效應時，在光的顏色不變的情況下，入射光越強，單位時間內發出的光電子數越多。6.光的強度與飽和電流：飽和電流與光強有關，與所加的正向電壓大小無關。飽和電流與入射光強度成正比的規律是對頻率相同的光照射金屬產生光電效應而言的。對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和電流與入射光強度之間不是簡單的正比關系。〖試題案例〗〖例1〗(多選)現用某一光電管進行光電效應實驗，當用某一頻率的光入射時，有光電流產生。下列說法正確的是()A.保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和電流變大B.入射光的頻率變高，飽和電流變大C.入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大D.保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產生〖解析〗保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，單位時間內逸出的光電子變多，飽和電流變大，A正確；據愛因斯坦光電效應方程hν＝eq\f(1,2)mv2＋W0可知，入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大，飽和電流不變，B錯誤，C正確；當hν<W0時沒有光電流產生，D錯誤。〖答案〗AC〖針對訓練1〗(多選)用某種色光照射到金屬表面時，金屬表面有光電子飛出，如果光的強度減弱而頻率不變，則()A.光的強度減弱到某一最低數值時，仍有光電子飛出B.光的強度減弱到某一最低數值時，就沒有光電子飛出C.單位時間內飛出的光電子數目減少D.單位時間內飛出的光電子數目不變〖解析〗發生光電效應的條件是入射光的頻率大于截止頻率，若入射光的頻率不變，仍然能發生光電效應，故A正確，B錯誤；光的強弱只影響單位時間內發出光電子的數目，光的強度減弱，則單位時間內飛出的光電子數目減少，故C正確，D錯誤。〖答案〗AC核心要點光電效應方程的理解和應用〖問題探究〗用如圖所示的裝置研究光電效應現象。用光子能量為2.75eV的光照射到光電管上時發生了光電效應，電流表的示數不為零；移動滑動變阻器的滑片，發現當電壓表的示數大于或等于1.7V時，電流表示數為0。(1)光電子的最大初動能是多少？遏止電壓為多少？(2)光電管陰極的逸出功又是多少？(3)當滑片向a端滑動時，光電流變大還是變小？(4)當入射光的頻率增大時，光電子最大初動能如何變化？遏止電壓呢？〖答案〗(1)1.7eV1.7V(2)W0＝hν－eq\f(1,2)mv2＝2.75eV－1.7eV＝1.05eV(3)變大(4)變大變大〖探究歸納〗1.三個關系(1)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0。(2)光電子的最大初動能Ek可以利用光電管實驗的方法測得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓，即光電流剛好為0時的反向電壓。(3)光電效應方程中的W0為逸出功，它與極限頻率νc的關系是W0＝hνc。2.四類圖像圖像名稱圖線形狀讀取信息最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖線①截止頻率(極限頻率)：橫軸截距②逸出功：縱軸截距的絕對值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖線①截止頻率νc：橫軸截距②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc：橫軸截距②飽和電流Im：電流的最大值③最大初動能：Ekm＝eUc顏色不同時，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2〖試題案例〗〖例2〗(2019·北京卷，19)光電管是一種利用光照射產生電流的裝置，當入射光照在管中金屬板上時，可能形成光電流。表中給出了6次實驗的結果。組次入射光子的能量/eV相對光強光電流大小/mA逸出光電子的最大動能/eV第一組1234.04.04.0弱中強2943600.90.90.9第二組4566.06.06.0弱中強2740552.92.92.9由表中數據得出的論斷中不正確的是()A.兩組實驗采用了不同頻率的入射光B.兩組實驗所用的金屬板材質不同C.若入射光子的能量為5.0eV，逸出光電子的最大動能為1.9eVD.若入射光子的能量為5.0eV，相對光強越強，光電流越大〖解析〗由題表格中數據可知，兩組實驗所用的入射光的能量不同，由公式E＝hν可知，兩組實驗中所用的入射光的頻率不同，故A正確；設金屬的逸出功為W0，由愛因斯坦質能方程Ek＝hν－W0可得，第一組實驗：0.9eV＝4.0eV－W01，第二組實驗：2.9eV＝6.0eV－W02，解得，W01＝W02＝3.1eV，即兩種材料的逸出功相同，故材料相同，故B錯誤；由愛因斯坦質能方程Ek＝hν－W0可得Ek＝(5.0－3.1)eV＝1.9eV，故C正確；由題表格中數據可知，入射光能量相同時，相對光強越強，光電流越大，故D正確。〖答案〗B〖例3〗用如圖甲所示的裝置研究光電效應現象。閉合開關S，用頻率為ν的光照射光電管時發生了光電效應。圖乙是該光電管發生光電效應時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像，圖線與橫軸的交點坐標為(a，0)，與縱軸的交點坐標為(0，－b)，下列說法中正確的是()A.普朗克常量為h＝eq\f(a,b)B.斷開開關S后，電流表G的示數不為零C.僅增加照射光的強度，光電子的最大初動能將增大D.保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數保持不變〖解析〗由hν＝W0＋Ek，變形得Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，即h＝eq\f(b,a)，故A錯誤；斷開開關S后，初動能大的光電子，也可能達到陽極，所以電流表G的示數不為零，故B正確；只有增大入射光的頻率，才能增大光電子的最大初動能，與光的強度無關，故C錯誤；保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，單個光子的能量增大，而光的強度不變，那么單位時間內的光子數一定減少，發出的光電子數也減少，電流表G的示數要減小，故D錯誤。〖答案〗B〖針對訓練2〗(多選)如圖所示是某金屬在光的照射下，光電子最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像，由圖像可知()A.該金屬的逸出功等于EB.該金屬的逸出功等于hν0C.入射光的頻率為ν0時，產生的光電子的最大初動能為ED.入射光的頻率為2ν0時，產生的光電子的最大初動能為2E〖解析〗題中圖像反映了光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系，根據愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0，知當入射光的頻率恰為該金屬的截止頻率ν0時，光電子的最大初動能Ek＝0，此時有hν0＝W0，即該金屬的逸出功等于hν0，選項B正確；根據圖線的物理意義，有W0＝E，故選項A正確，C、D錯誤。〖答案〗AB核心要點對康普頓效應的理解〖要點歸納〗1.光的散射：光在介質中與物質粒子相互作用，因而傳播方向發生改變，這種現象叫作光的散射。2.康普頓效應：美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應。3.經典物理的理論無法解釋康普頓效應按照經典物理的理論，由于光是電磁振動的傳播，入射光將引起物質內部帶電粒子的受迫振動，振動著的帶電粒子從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光。散射光的頻率應該等于帶電粒子受迫振動的頻率，也就是入射光的頻率。因而散射光的波長與入射光的波長應該相同，不會出現λ>λ0的散射光。4.用光子說解釋康普頓效應康普頓認為X射線的光子不僅具有能量，也像其他粒子那樣具有動量，X射線的光子與晶體中的電子碰撞時要遵守能量守恒定律和動量守恒定律，求解這些方程，可以得出散射光波長的變化量Δλ，理論結果與實驗符合得很好。如圖為X射線的光子與石墨中電子碰撞前后狀態的示意圖。5.光子的動量狹義相對論告訴我們，質量m和能量E有簡單的對應關系：E＝mc2,一個光子的能量是hν，所以它的質量是m＝eq\f(hν,c2)，借用質子、電子等粒子動量的定義：動量＝質量×速度，可得光子的動量。溫馨〖提*示〗光子的靜質量為零，這里所說光子質量是光子的相對質量。p＝mc＝eq\f(hν,c2)·c＝eq\f(hν,c)＝eq\f(h,λ)。在康普頓效應中，入射光子與晶體中電子碰撞時，把一部分動量轉移給電子，光子的動量變小。由p＝eq\f(h,λ)知動量減小意味著波長變大。〖試題案例〗〖例4〗康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也具有動量，如圖給出了光子與靜止電子碰撞后電子的運動方向，則碰撞后光子可能沿________(填“1”“2”或“3”)方向運動，并且波長________(填“不變”“變短”或“變長”)。〖解析〗因為光子與電子碰撞過程中動量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰撞前的方向一致，可見碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉移給電子，能量減少，由E＝hν知，頻率變小，再根據c＝λν知，波長變長。〖答案〗1變長〖針對訓練3〗A、B兩種光子的能量之比為2∶1，它們都能使某種金屬發生光電效應，且所產生的光電子最大初動能分別為EA、EB。求A、B兩種光子的動量之比和該金屬的逸出功。〖解析〗光子能量ε＝hν，動量p＝eq\f(h,λ)，且ν＝eq\f(c,λ)，得p＝eq\f(ε,c)，則pA∶pB＝2∶1。A照射時，光電子的最大初動能EA＝εA－W0。同理，EB＝εB－W0，解得W0＝EA－2EB。〖答案〗2∶1EA－2EB核心要點光的波粒二象性〖要點歸納〗對光的波粒二象性的理解實驗基礎表現說明光的波動性干涉和衍射(1)光子在空間各點出現的可能性大小可用波動規律來描述(2)足夠能量的光在傳播時，表現出波的性質(1)光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產生的(2)光的波動性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應、康普頓效應(1)當光同物質發生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現出粒子的性質(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性(1)粒子的含義是“不連續”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀觀念的粒子〖試題案例〗〖例5〗(多選)關于光的波粒二象性，下列理解正確的是()A.高頻光是粒子，低頻光是波B.大量的光子往往表現出波動性，個別光子往往表現出粒子性C.波粒二象性是光的屬性，只是有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著D.光在傳播時是波，而與物質發生相互作用時轉變成粒子〖解析〗波粒二象性是光所具有的性質，在不同的情況下有不同的表現：大量的光子往往表現出波動性，個別光子往往表現出粒子性；光在傳播過程中通常表