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第5章 波与粒子 章末整合提升 学案(2020年鲁科版高中物理选修3-5)

1、一、量子论与光子说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Eh.2光子说:爱因斯坦提出:空间传播的光也是不连续的,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Eh其中h为普朗克常量,h6.631034 Js.【例1】(多选)下列对光子的认识,正确的是()A“光子说”中的光子就是牛顿在微粒说中所说的“微粒”B“光子说”中的光子就是光电效应的光电子C在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光量子,简称光子D光子的能量跟光的频率成正比答案CD解析根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份

2、叫做一个光量子,简称光子而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确;由Eh知,光子能量E与其频率成正比,故D选项正确【例2】已知:功率为100 W的灯泡消耗的电能的5 %转化为所发出的可见光的能量,光速c3.0108 m/s,普朗克常量h6.631034 Js,假定所发出的可见光的波长都是560 nm,计算灯泡每秒内发出的光子数答案1.41019个解析一波长为的光子能量为E,设灯泡每秒内发出的光子数为n,灯泡电功率为P,则n,式中k5 %是灯泡的发光效率联立两式得n,代入题给

3、数据得n1.41019(个)二、光电效应的规律和光电效应方程1光电效应规律(1)任何一种金属都对应一个极限(截止)频率,入射光的频率低于极限频率不会产生光电效应(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)当入射光频率大于极限频率时,保持频率不变,光电流的强度与入射光的强度成正比(4)入射光照到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过109 s.2爱因斯坦光电效应方程:EkhW.W表示金属的逸出功,c表示金属的极限频率,则Whc.【例3】(多选)1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年,这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文,其中成功地解释了光电效应现象关于

4、光电效应,下列说法正确的是()A当入射光的频率低于极限频率时,不能发生光电效应B光电子的最大初动能与入射光的频率成正比C光电子的最大初动能与入射光的强度成正比D某单色光照射一金属时不发生光电效应,改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应答案AD解析根据光电效应现象的实验规律,只有入射光频率大于极限频率时才能发生光电效应,故A、D正确;根据光电效应方程,最大初动能与入射光频率为线性关系,但非正比关系,B错;根据光电效应现象的实验规律,光电子的最大初动能与入射光强度无关,C错【例4】用波长为2.0107 m的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电子中最大的动能是4.71019 J由此可知,钨的极限频

5、率是(普朗克常量h6.631034 Js,光速c3.0108 m/s,结果取两位有效数字)()A5.51014 Hz B7.91014 HzC9.81014 Hz D1.21015 Hz答案B解析由爱因斯坦光电效应方程得hEkW,而金属的逸出功Whc,由以上两式得,钨的极限频率为:c7.91014 Hz,B项正确三、用图象表示光电效应的规律1Ek图象根据爱因斯坦光电效应方程EkhW,光电子的最大初动能Ek是入射光频率的一次函数,图象如图1所示其横轴截距为金属的极限频率c,纵轴截距是金属的逸出功的负值;斜率为普朗克常量h.图12IU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2所示,图中I

6、m为饱和光电流,Uc为遏止电压利用meveUc可得光电子的最大初动能图2【例5】(1)研究光电效应的电路如图3所示用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中,正确的是()图3(2)钠金属中的电子吸收光子的能量,从金属表面逸出,这就是光电子光电子从金属表面逸出的过程中,其动量的大小_(选填“增大”、“减小”或“不变”),原因是_.答案(1)C(2)减小光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功)解析(1)同一金属的逸出功一定,对于同一频率的光,由eUcmvhW知,遏止

7、电压相等,遏止电压与光的强度无关;光越强,光电流越大,所以C项正确四、光的波粒二象性、物质波1光的干涉、衍射、光的偏振说明光具有波动性,光电效应、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电子的衍射实验,说明了一些物质微粒也像光子一样具有波粒二象性3任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波和它对应,波长(物质波的波长).物质波和光波一样,也属于概率波,概率波的实质是指粒子在空间分布的概率是符合波动规律的【例6】(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

8、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103 kg、速度为102 m/s的小球,其德布罗意波长约为1023 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;由于实物的波长很小,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正确故选B、D.