2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5学案：2-2光子.docx

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1、第二节光子 目标定位 1.知道普朗克的能量子假说.2.知道爱因斯坦的光子说以及光子能量的表达式 .3.知道爱因斯坦的光电效应方程以及对光电效应规律的解释一、能量量子假说1假说内容：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是h的整数倍2能量量子： h称为一个能量量子，其中 是辐射频率， h 是一个常量，称为普朗克常量， h6.63 10 34 J s.3假说的意义：能量量子假说能够非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象4量子化现象：在微观世界里，物理量的取值很多时候是不连续的，只能取一些分立值的现象二、光子假说1内容：光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，频率为

2、的光的能量子为h.2意义：利用光子假说可以完美地解释光电效应的各种特征三、光电效应方程1逸出功 W0：电子脱离离子的束缚而逸出表面，这个功称为金属的逸出功122光电效应方程： h2mvmaxW0.12其中 2mvmax为光电子的最大初动能，W0 为金属的逸出功想一想怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程？答案爱因斯坦光电效应方程中的h是入射光子的能量， 逸出功 W0 是光子飞出金属表面消耗的能量，Ek 是光子的最大初动能，因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律四、光电效应的解释1对极限频率的解释金属内部的一个电子一般只吸收一个光子的能量，如果光子的能量小于电子的逸出功，那么无论光

3、的强度(光子数目 )有多大，照射时间多长，金属内部的电子都第 1页不能被激发而逃逸出来 因此光电效应的条件是光子的能量h必须大于或至W0少等于逸出功 W0，即 h ，而不同金属 W0 不同，因此不同金属的极限频率也不相同2对遏止电压与入射光的频率有关， 而与入射光的强度无关的解释12遏止电压对应光电子的最大初动能，即： eU02mvmax，对应爱因斯坦的光电效应方程可得： h eU0 W0，可见，对某种金属而言，遏止电压只由频率决定，与光的强弱无关预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题 1问题 2问题 3一、对光子概念的理解1光子不是光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不

4、带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子， 其本质是电子， 光子是光电效应的因，光电子是果2由光子的能量确定光电子的动能：光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量， 可能向各个方向运动， 需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量， 剩余部分为光电子的初动能； 只有金属表面的电子直接向外飞出时， 需克服原子核的引力做功最小， 具有的初动能最大 光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能3光子的能量与入射光的强度的关系：光子的能量即每个光子的能量，其值为Eh(为光子的频率 )，其大小由光的频率决定 入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，入射

5、光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积【例 1】氦氖激光器发射波长为6.328107 m 的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？若该激光器的发光功率为18 mW ，则每秒钟发射多少个光子？ (h 6.631034 J s)答案3.1410 19 J5.731016 个第 2页解析根据爱因斯坦光子学说，光子能量 h，而 c，hc6.63 1034 3 10819所以 6.328107J 3.1410J因为发光功率已知，所以 1 s 内发射的光子数为nPt181031个3.14 1019个 5.731016借题发挥光能量子 E h，光能是光子能量的整数倍， 即 E 总 n nh.

6、普朗克量子化理论， 认为电磁波的能量是量子化的、不连续的， 总能量是能量子的整数倍，即 E 总n，其中 h，因此，只要知道电磁波的频率即可解答光是一种电磁波，光能量子简称光子其能量值是光能量的最小单位， h，其中 为光的频率，通常结合c，确定 的值针对训练 1 对应于3.410 19 J 的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？(h 6.631034 J s)答案14 75.1310Hz 5.85 10 m解析根据公式 h和 c 3.41019得 h 6.631034 Hz5.13 1014 Hz，8c 3.0 1014 m5.85107 m. 5.13 10二、光电效应方程的理解与应用1光

7、电效应方程 Ekh W0 的理解(1)式中的 Ek 是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属表面时剩第 3页余动能大小可以是0Ek 范围内的任何数值(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程能量为 h的光子被电子所吸收， 电子把这些能量的一部分用来克服原子核对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能 如果克服吸引力做功最少为 W0，则电子离开金属表面时动能最大为 Ek，根据能量守恒定律可知： Ekh W0.(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek h W00，亦即W0W0hW0， h 0，而 0 h 恰好是金属的极限频率(4)

8、Ekm曲线如图 1 所示是光电子最大初动能Ekm 随入射光频率 的变化曲线这里，横轴上的截距是极限频率， 纵轴上的截距是逸出功的负值，斜率为普朗克常量图 12光子说对光电效应的解释(1)由爱因斯坦光电效应方程可以看出，光电子的最大初动能 Ek 和入射光的频率有关，且成线性关系， 而与光的强弱无关 只有当 hW0 时，才有光电子逸出W0根据光电效应方程， 当光电子的最大初动能为零时，可得极限频率 0 h .(2)金属电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎是瞬时产生的(3)同一频率的光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，所以饱和电流较大【例 2】如图

9、2 所示，当电键 K 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，电流表读数为零由此可知阴极材料的逸出功为()图 2A 1.9 eVB0.6 eVC 2.5 eVD3.1 eV第 4页答案A解析由题意知光电子的最大初动能为EkeU0 0.60 eV，所以根据光电效应方程 EkhW0 可得W0h Ek(2.5 0.6) eV1.9 eV针对训练 2(多选 )如图 3 所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率 的关系图象，由图

10、象可知()图 3A该金属的逸出功等于EB该金属的逸出功等于h0C入射光的频率为0时，产生的光电子的最大初动能为ED入射光的频率为20 时，产生的光电子的最大初动能为2E答案AB解析题中图象反映了光电子的最大初动能Ek 与入射光频率的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ekh W0，知当入射光的频率恰为该金属的极限频率0时，光电子的最大初动能Ek 0，此时有 h0W0，即该金属的逸出功等于h0，选项 B 正确；根据图线的物理意义，有W0E，故选项 A 正确，而选项 C、 D错误 .光子概念的理解1红、橙、黄、绿四种单色光中，光子能量最小的是()A红光B橙光C黄光D绿光答案A解析由 h可知，红光的频率最

11、小， 其能量子值最小选 A.2人眼对绿光最敏感， 正常人的眼睛接收到波长为530 nm 的绿光时，只要每秒有 6 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能觉察，普朗克常数为6.631034，光J s速为 3.0108，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()m/s第 5页A 2.31018WB3.810 19WC 7.01010 WD1.210 18 W答案 Ac解析先根据 0 hh 算出每个光子的能量，每秒需要接收到6 个这样的光子，故接收到这6 个光子的功率就是人眼能觉察到绿光的最小功率又因每秒有6E个绿光的光子射入瞳孔，所以，觉察到绿光所需要接收到的最小功率P t ，式中 E60，又 0hhc

12、，代入数据得 P2.31018 W.光电效应方程的理解与应用3(多选 )在光电效应实验中，用频率为的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是 ()A增大入射光的强度，光电流增大B减小入射光的强度，光电效应现象消失C改用频率小于的光照射，一定不发生光电效应D改用频率大于的光照射，光电子的最大初动能变大答案AD解析增大入射光的强度， 单位时间内发射的光电子数增加，则光电流增大， 选项 A 正确；光电效应能否发生与照射光频率有关，与照射光强度无关，选项B错误；改用频率较小的光照射时，如果光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，否则，不能发生光电效应，选项C 错误；光电子的最大初动能Ek

13、h W0，故改用频率大于的光照射，光电子的最大初动能变大，选项D 正确4如图 4 所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线 (直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴的交点坐标为0.5)由图可知图 4A该金属的极限频率为4.271014 Hz第 6页B该金属的极限频率为5.5 1014 HzC该图线的斜率表示普朗克常量的倒数D该金属的逸出功为0.5 eV答案A解析根据光电效应方程Ek hW0 可知，图线的斜率表示普朗克常量，图线与 轴的交点对应的频率表示极限频率；Ek图象中 0 时对应的 Ek 的值表示逸出功的负值， 易知该金属的逸出功不等于0.5 eV，所以选项

14、A 正确(时间： 60 分钟 )题组一光子概念的理解1(多选 )下列关于光子的说法中，正确的是()A在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子B光子的能量由光强决定， 光强大，每份光子的能量一定大C光子的能量由光频率决定，其能量与它的频率成正比D光子可以被电场加速答案AC解析按照爱因斯坦的光子说，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量h，与光的强度无关，故A 、C 正确， B错误，光子不带电，不能被电场加速，D 错误2(多选 )两种单色光 a 和 b，a 光照射某金属时有光电子逸出，b 光照射该金属时没有光电子逸出，则 ()A在真空中， a

15、光的传播速度较大B在水中， a 光的波长较小C在真空中， b 光光子的能量较大D在水中， b 光的折射率较小答案BD解析a 光照射金属有光电子逸出，而b 光照射该金属时没有光电子逸出，说明第 7页a 光的频率高，在真空中，a 光光子的能量较大，而传播速度是相同的，故A 、cC 错；在水中，因为 a 光频率高，所以 a 光的折射率较大，由n v知， a 光在水中传播速度较小， 由 v知，a 光的波长较小， 故 B、D 正确3硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能若有N 个波长为 0的光子打在光电池极板上，这些光子的总能量为(h 为普朗克常量 )()A h cBNhc00C Nn0D2Nh

16、0答案B解析一个光电子的能量 hh c ，则N个光子的总能量c选项B正0ENh0.确题组二光电效应现象及光电效应方程的应用4(多选 )某金属的逸出功为 2.3 eV，这意味着 ()A这种金属内部的电子克服原子核引力做2.3 eV 的功即可脱离表面B这种金属表层的电子克服原子核引力做2.3 eV 的功即可脱离表面C要使这种金属有电子逸出，入射光子的能量必须大于2.3 eVD这种金属受到光照时若有电子逸出，则电子离开金属表面时的动能至少等于2.3 eV答案BC解析逸出功指原子的最外层电子脱离原子核克服引力做的功，选 B、C.5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

17、这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是 _，可能相同的是 _，一定不相同的是 _A光子的能量B金属的逸出功C光电子动能D光电子最大初动能答案ACBD解析光子的能量由光频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同，第 8页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， 光电子的逸出功不同 由 Ekm h W0，照射光子的能量h相同，逸出功W0 不同，则电子最大初动能不同由于光电子吸收光子后逸出路径不同，途中损失动能不同， 因而脱离金属时的初动能分布在零到最大初动能之间所以，在两个不同光电效应的光电子中，有时初动能是可能相等的6某光电管的阴极是用金

18、属制成的，它的逸出功为2.21 eV，用波长为 2.510 7m 的紫外线照射阴极，已知真空中光速为8 19C，3.010m/s，元电荷为 1.610普朗克常量为 6.6310 34 J s，求得该金属的极限频率和该光电管发射的光电子的最大初动能应分别是 ()A 5.31014 Hz,2.2 J14 19JB5.310Hz,4.4 10C 3.31033Hz,2.2 JD 3.31033 Hz,4.410 19 J答案B解析根据 h极 W0，0极 W得 h2.21 1.6 1019极14代入数据 34 Hz 5.310 Hz6.6310又由光电效应方程EkmhW0得 Ekm4.41019 J.

19、7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 变化的 Ek 图线已知钨的逸出功是 3.28 eV，锌的逸出功为 3.34 eV，若将二者的图线画在同一个 Ek坐标系中，则正确的图是答案A解析根据光电效应方程Ek hW0 可知， Ek图象的斜率为普朗克常量h，第 9页因此 中两 平行，故C、D ； 与横 的交点表示恰能 生光 效 (光 子 能 零 ) 的入射光 率即极限 率由光 效 方程可知，逸出功越大的金属 的入射光的 率越高，所以能使金属 生光 效 的极限 率越高，所以 A 正确， B 8以往我 的光 效 是 光子光 效 ，即一个 子在极

20、短 内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出 激光的出 丰富了人 于光 效 的 ，用 激光照射金属， 由于其光子密度极大， 一个 子在极短 内吸收多个光子成 可能，从而形成多光子光 效 ， 已被 光 效 装置示意如 1 所示用 率 的普通光源照射阴极 K ，没有 生光 效 用同 率 的 激光照射阴极 K ， 生了光 效 ；此 ，若加上反向 U，即将阴极 K 接 源正极，阳极 A 接 源 极，在 K 、A 之 就形成了使光 子减速的 逐 增大 U，光 流会逐 减小；当光 流恰好减小到零 ，所加反向 U 可能是下列的 (其中 W 逸出功， h 普朗克常量， e 子 量 )()图 1hWW2hA U e

21、 eBU e e5h WC U 2h WDU 2e e答案B解析由 意知，一个 子吸收一个光子不能 生光 效 ， 用同 率 的 激光照射， 生光 效 ，即吸收的光子能量 nh，n2,3,4， . 由12光 效 方程可知： nh W 2mv (n2,3,4， )12在减速 中由 能定理得eU0 2mvnh W 立得： U e e (n2,3,4，)， B 正确 三 合 用第 10 页9(多选 )在光电效应实验中，波长为1的光恰好能使金属P 发生光电效应，波长为 2的光恰好能使金属Q 发生光电效应，已知波长12，下列选项 A 、B 是两种金属的光电子最大初动能Ek 与入射光频率 的图象；选项C、

22、D 是用甲光照射金属 P、乙光照射金属Q 的光电流 I 与光电管两端电压U 的关系图象，已知甲、乙两束光的频率甲 乙，则下列选项中正确的是()答案AD解析根据光电效应方程Ek hW0hh0知，图线的斜率表示普朗克常量，根据图线斜率可得出普朗克常量横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率，已知波长12，所以 1乙，所以 P 的遏止电压大，故D 正确， C 错误310分别用 和 4的单色光照射同一金属， 发出的光电子的最大初动能之比为13.以 h 表示普朗克常量， c 表示真空中的光速， 则此金属的逸出功是多大？5hc答案6解析设此金属的逸出功为W0，根据光电效应方程得如下两式：当用波长为 的光照

23、射时：hcEk1 W03当用波长为 4的光照射时：4hcEk2 W03Ek11又 Ek2 35hc联立以上各式解得： W0 6.11铝的逸出功为 4.2 eV，现用波长为 200 nm 的光照射铝的表面已知第 11 页 34h6.6310J s，求：(1)光电子的最大初动能；(2)遏止电压；(3)铝的极限频率答案(1)3.22510 19 J(2)2.016 V(3)1.0141015 Hz解析(1)根据光电效应方程Ekh W0 有Ekhc6.6310343.0108J4.21.6101919J W0200109J3.225 10(2)由 E eU可得k0E3.225 1019k19 V 2.016 V.U0 e1.610(3)由 h0W0 知 W04.21.61019150 h6.631034Hz1.01410 Hz.第 12 页