1、第1节光电效应第2节康普顿效应(教师用书独具)课标要求知识与技能1.了解光电效应及其实验规律2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义3.了解光电管的应用4.了解康普顿效应及其意义过程与方法1.了解物理真知形成的历史过程2.了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性3.知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性情感态度与价值观领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦.课标解读1知道什么是光电效应，通过实验了解光电效应现象，知道光电效应的瞬时性和极限频率的概念及其与电磁理论的矛盾2理解爱因斯坦的光子说及光电方程，并用来解
2、释光电效应现象3了解康普顿效应的实验现象，了解光子理论对康普顿效应的解释4认识光的波粒二象性，了解玻恩的概率波对光的波粒二象性的解释，了解光在哪些情况下会表现出粒子性或波动性5了解人类探索光本质所经历的漫长而曲折的历程，认识科学的探索，是一个不断深入的、永无止境的过程教学地位本节教学应注意讲授和讨论相结合，宜从经典物理的局限性开始，引出普朗克量子假说，为后面学习爱因斯坦光子理论做好铺垫，使得教学有清晰的思路和逻辑脉络做好演示实验是教好光电效应的前提，为改善实验的演示效果，也可以先使验电器带上负电，使指针张开某一角度，光照锌板后，指针张角变小对光电效应实验结果进行理论解释是教学的难点，教学时可鼓
3、励学生各抒己见，在争论中引出矛盾，促进学生积极思考与发现通过对康普顿效应的解释进一步认识光的波粒二象性，进而认识光的本质，教学中可适当介绍有关人类对光本质的认识过程，使学生体会到科学探索的道路是曲折的、永无止境的，让学生了解光在什么情况下表现出什么不同的特性，可以举例子加以说明或让学生自己尝试解释一些实例，增进学生对光的波粒二象性和光是一种概率波的理解.(教师用书独具)新课导入建议问题导入用弧光灯照射连在验电器上的锌板，验电器的金属箔会张开一个角度你想知道上述现象的原因吗？图教511教学流程设计课标解读重点难点1.知道什么是光电效应及其实验现象2.理解光子说和爱因斯坦光电效应方程，能够利用它解
4、释光电效应实验现象3.知道什么是康普顿效应及X射线实验原理4.理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波.1.光电效应的基本规律、光子说的基本思想(重点)2.光的波粒二象性及光电效应实验(重点)3.对光电效应的理解(难点)4.光是一种概率波的建立过程(难点)光电效应1.基本知识(1)光电效应现象：在物理学中，在光的照射下电子从物体表面逸出的现象(2)光电效应的实验规律发生的条件：每一种金属对应一种光的最小频率，又称极限频率只有当光的频率大于或等于这个最小频率时，才会产生光电效应当光的频率小于这个最小频率时，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应与光的强度的关系：产生光电效应时，光的强度越大
5、，单位时间内逸出的电子数越多发生光电效应所需的时间：从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在109_s内发生光电效应(3)光子说：看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的光子组成的，每一个光子的能量为h.光在发射和吸收时能量是一份一份的(4)光电效应方程表达式：hWmv2.物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是h，这些能量一部分用于从金属表面逸出时做功，剩下的表现为电子逸出后的最大初动能(5)光电效应的应用光电开关光电成像光电池2思考判断(1)光电效应实验中光照时间越长光电流越大()(2)光电效应实验中入射光足够强就可以有光电流()(3)光电子的最大初动能与入射光
6、的强度无关()3探究交流你对光电效应中的“光”是怎样认识的？【提示】这里的光，可以是可见光，也可以是紫外线、X光等.康普顿效应及光的波粒二象性1.基本知识(1)康普顿效应X射线在石墨上散射时，发现部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关这种现象称为康普顿效应(2)康普顿的理论当光子与电子相互作用时，既遵守能量守恒定律又遵守动量守恒定律，在碰撞中光子将能量h的一部分传递给了电子，光子能量减少，波长变长(3)康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面(4)光电效应与康普顿效应当波长较短的X射线或射线入射时，产生康普顿效应；当波长较长的可见光或
7、紫外光入射时，主要产生光电效应(5)光的波粒二象性光的本性：光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性光是一种电磁波当光的波长较长时，光在传播过程中波动性明显；当光的波长较短时，光子与粒子相互作用时，粒子性明显2思考判断(1)康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量()(2)康普顿效应进一步说明光具有粒子性()(3)光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性()3探究交流太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中，尽管太阳光线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？【提示】地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；
8、而在太空的真空环境下，光不再散射，只向前传播光电效应现象及其理解【问题导思】1光子和光电子是一回事吗？2只要光照足够强就能有光电子逸出吗？3光电效应现象中能量守恒吗？1光电效应中的三组概念的对比概念内容联系光子与光电子光子是一份一份的能量h，不带电；光电子就是从金属中打出的电子光子入射是因，打出电子是果光电子的动能与光电子的最大初动能光电子的动能是指光电子离开金属时的动能，光电子的最大初动能是指在光电效应中从金属表面直接向外飞出的电子所具有的动能EkEkm光子的能量与入射光的强度光子的能量Eh；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E总NhN单位时间照在单位面积上的光子数2.
9、对光电效应方程hWmv2的理解(1)公式中的mv2是光电子的最大初动能，对某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0mv2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Eh的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，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W，则电子离开金属表面时动能最大为mv2，根据能量守恒定律可知：hWmv2.(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EkhW0，亦即hW，c，而c恰好是金属的极限频率(4)Ekmv曲线如图511所示是光电子最大初动能Ekm随
10、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511(2013福州一中检测)入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么()A从光照射金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B逸出的光电子的最大初动能将减小C单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D有可能不发生光电效应【解析】根据光电效应的实验规律知，从光照射金属表面到光电子发射的时间间隔极短，这与光的强度无关，故A错误；实验规律还指出，逸出光电子的最大初动能与入射光频率有关，光电流与入射光强度成正比，由此可知，B、D错误，C正确【答案】C1极限频率为
11、0的光射照金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功Wh0.2逸出功的大小由金属本身决定，与其他因素无关3光电效应的实质是光现象转化为电现象1用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射频率变化的Ek图象，已知钨的逸出功是3.28 eV，锌的逸出功是3.34 eV，若将二者的图线画在同一个Ek坐标系中，如图所示中用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的是()【解析】依据光电效应方程EkhW可知，Ek图线的斜率代表普朗克常量h，因此钨和锌的Ek图线应该平行图线的横截距代表极限频率0，而0，因此钨的0小些综上所述，A图正确【答案】A对康普顿效应的理解【
12、问题导思】1X射线照在石墨上会有什么现象？2光子和电子碰撞后，波长会改变吗？3经典理论能解释康普顿现象吗？1实验现象X射线管发出波长为0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关2康普顿效应与经典物理理论的矛盾按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系3光子说对康普顿效应的解释假定X射线光子
13、与电子发生弹性碰撞(1)光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长(2)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长改变与散射角有关康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性光电效应应用于电子吸收光子的问题，而康普顿效应讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞，则当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，如图512给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰撞过程中动量_(选填“守恒”或“不守恒”)，能量_(选填“守恒”或“
14、不守恒”)，碰后光子可能沿_(选填“1”、“2”或“3”)方向运动，并且波长_(选填“不变”、“变小”或“变长”) 碰前碰后图512【审题指导】(1)看成弹性碰撞把握动量、能量守恒(2)利用光的频率与波长的关系c/计算【解析】光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致，由矢量合成知识可知碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由Eh知，频率变小，再根据c知，波长变长【答案】守恒守恒1变长2科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子假设光子与电子
15、碰撞前的波长为，碰撞后的波长为，则碰撞过程中()A能量守恒，动量守恒，且B能量不守恒，动量不守恒，且C能量守恒，动量守恒，且D能量守恒，动量守恒，且【解析】能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律光子与电子碰撞前光子的能量Ehh，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量Ehh，由EE，可知，选项C正确【答案】C对光的波粒二象性的理解【问题导思】1爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“粒子”一样吗？2哪些实验能说明光具有波动性？3哪些实验能证明光具有粒子性？1光的粒子性的含义粒子的含义是“不连续”、“一份一份”
16、的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著2光的波动性的含义光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性(概率)大小可用波动规律描述(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著3光的波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光
17、的各种行为(2013西安一中检测)关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是()A光的频率越高，衍射现象越容易看到B光的频率越高，粒子性越显著C大量光子产生的效果往往显示波动性D光的波粒二象性否定了光的电磁说【审题指导】(1)波粒二象性是对光本质的描述(2)频率高低影响光的粒子性和波动性的表现(3)大量光子波动性显著，少量光子粒子性显著【解析】光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故B对、A错误大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C对
18、【答案】BC1光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证2波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著3对光的认识，下列说法正确的是()A个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性B光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的C光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了D光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，
19、在某些场合下，光的粒子性表现明显【解析】本题考查光的波粒二象性光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C选项错误，D选项正确【答案】ABD综合解题方略光电效应规律的应用图513(2011福建高考)爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖，某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率的关系如图513所示，其中0为极限频率从图中可以确定的是_(填选
20、项前的字母)A逸出功与有关BEkm与入射光强度成正比C当0时，会逸出光电子D图中直线的斜率与普朗克常量有关【规范解答】每种金属的逸出功是由自身因素决定，A错误；由光电效应方程知EkmhW0，Ekm与有关，而与光强无关；当0，所以p不能忽略，故B对缝越宽p越小，缝越窄p越大，所以A、C正确，故选A、B、C.【答案】ABC5估算运动员跑步时的德布罗意波长为什么我们观察不到运动员的波动性？【解析】设运动员的质量m60 kg，运动员跑步时速度约为v10 m/s，则其德布罗意波长为： m1.11036 m.这个波长极短，因而观察不到运动员的波动性【答案】见解析1下列说法中正确的是()A夸克模型说明电子电
21、荷量是最小的电荷单元B目前已经发现了自由态的夸克 C目前发现的夸克有6种 D每种夸克都有对应的反夸克【解析】夸克模型指出目前发现了6种夸克，每种夸克都有对应的反夸克，所以C、D正确；夸克所带电荷量小于电子电荷量，但还没有发现自由态的夸克，这就是夸克的“禁闭”，所以A、B错【答案】CD2下列说法正确的是()A在微观物理学中可以用“轨迹”来描述粒子的运动B实物粒子与光子一样都具有波粒二象性C在光的衍射实验中，出现明条纹的地方光子到达的概率较大D粒子的动量越小，其波动性越易观察【解析】实物粒子也具有波动性，是概率波，故A错误，B正确；光是概率波，在明条纹处光子出现的概率大，故C正确；物质波的波长，故
22、粒子动量越小，波长越大，波动性越明显，故D正确所以选B、C、D.【答案】BCD3关于物质波，下列认识正确的是()A任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波BX射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的C电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的D宏观物质尽管可以看成物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象【解析】据德布罗意物质波理论，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，可见，A选项正确；由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射现象，并不能证实物质波理论的正确性，故B选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的
23、实物粒子具有波动性，故C选项正确；由电子穿过铝箔的衍射实验知，少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的，无规律的，但大量电子穿过铝箔后所落的位置呈现出衍射图样，即大量电子的行为表现出电子的波动性，干涉、衍射是波的特有现象，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故D选项错误【答案】AC4电子的运动受波动性的支配，对氢原子的核外电子，下列说法不正确的是()A电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的B电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置C电子绕核运动时电子边运动边振动D电子在核外的位置是不确定的【解析】根据电子的波粒二象性，其在某时刻出现的位置不能确定，但其在某点出现的概率受波动规律支配，所以A、B、D正
24、确，C错误【答案】C5根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是()A夸克、轻子和胶子等粒子B质子和中子等强子C光子、中微子和电子等轻子D氢核、氘核、氦核等轻核【解析】宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是光子、中微子和电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系因此A正确，B、C、D错【答案】A6某光子动量为p，能量为E，则光子的速度为()A.BpEC. D.【解析】由波速和频率的关系式v，德布罗意波波长公式，以及光
25、子的能量公式Eh可得：v.【答案】C7根据不确定性关系xp，判断下列说法正确的是()A采取办法提高测量x精度时，p的精度下降B采取办法提高测量x精度时，p的精度上升Cx与p测量精度与测量仪器及测量方法是否完备有关Dx与p测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关【解析】不确定性关系表明无论采用什么方法试图确定，坐标和相应动量中的一个，必然引起另一个较大的不确定性，这样的结果与测量仪器及测量方法是否完备无关无论怎样改善测量仪器和测量方法，都不可能逾越不确定性关系所给出的限度故A、D正确【答案】AD8若某个质子的动能与某个氦核的动能相等，则这两个粒子的德布罗意波波长之比为()A12B21C14D41
26、【解析】由p及得：，因质子与氦核的动能相等，所以，故选B.【答案】B9(2013莆田检测)中子内有一个电荷量为e的上夸克和两个电荷图531量为e的下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上，如图531所示下面给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用的是()【解析】本题考查的是库仑力的大小、方向及力的合成，明确每个夸克皆受两个力的作用电荷量为e的上夸克受两个下夸克的吸引力，合力的方向一定向下，对其中一个下夸克，受力如右图所示，其中F2F1，故F1与F2的合力竖直向上，B正确【答案】B10在中子衍射技术中，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相近已知
27、中子质量m1.671027 kg，普朗克常量h6.631034 Js，可以估算德布罗意波长1.821010 m的热中子动能的数量级为()A1017 J B1019 JC1021 J D1024 J【解析】根据德布罗意波理论中子动量p，中子动能Ekp2/2mh2/2m2，代入数据可以估算出数量级，选项C正确【答案】C11在单缝衍射实验中，若单缝宽度是1.0109 m，那么光子经过单缝发生衍射，动量不确定量是多少？【解析】单缝宽度是光子经过狭缝的不确定量即x1.0109 m，由xp有：10109p，则p0.531025 kgm/s.【答案】p0.531025 kgm/s12德布罗意认为：任何一个运
28、动着的物体，都有一种波与它对应，波长是，式中p是运动物体的动量，h是普朗克常量已知某种紫光的波长是440 nm，若将电子加速，使它的德布罗意波波长是这种紫光波长的104倍，求：(1)电子的动量的大小；(2)试推导加速电压跟德布罗意波波长的关系，并计算加速电压的大小(电子质量m9.11031 kg，电子电荷量e1.61019C，普朗克常量h6.61034 Js，加速电压的计算结果取一位有效数字)【解析】(1)电子对应的德布罗意波长，电子的动量p kgm/s1.51023 kgm/s.(2)电子在电场中加速，有eUmv2则U，代入数据得U8102 V.【答案】(1)1.51023 kgm/s(2)U8102 V
