1、1 新情境激趣引航密立根与光子说爱因斯坦提出光子说后，尽管他的论证清晰简明，但当时科学界的反应十分冷淡量子论的创始人普朗克也责怪爱因斯坦的光子说“走得太远”，美国实验物理学家密立根将自己视为光的波动理论的捍卫者，并定下了工作目标：对爱因斯坦的光电效应方程进行彻底检验，以扼制这种“不可思议的”、“大胆的”和“轻率的”光子说密立根对光电效应进行了长期研究在 1916 年发表的论文中，他公布了实验结果：光电子的最大动能与入射光频率的关系曲线，确实是一条直线，由直线斜率还精确测定了 h 的值他写道：“尽管有时我认为我掌握了与该方程不相符合的证据，但我发现，研究的时间越长，误差消除得越干净，方程预见的结
2、果就越发符合我观察到的结果”但他仍然认为“引出该方程的物理理论似乎是完全站不住脚的”从中我们可以见到，虽然密立根对光子说采取排斥态度，但他毕竟是一位科学家，具有实事求是的科学精神密立根的实验结果促成爱因斯坦“因在数学物理方面的成就，尤其是发现了光电效应的规律”而荣获 1921 年的诺贝尔物理学奖，密立根也“因基本电荷及光电效应方面的工作”而荣获 1923 年的诺贝尔物理学奖.2 新知识预习探索学习目标 1.知道光电效应现象，掌握光电效应的实验规律2.理解爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题3.了解康普顿效应现象4.知道光子的动量新知预习一、光电效应的实验规律1光
3、电效应照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象2光电子光电效应中发射出来的电子3光电效应的实验规律(1)存在着饱和电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多(2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应(3)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过 109 s.4逸出功使电子脱离某种金属所做功的最小值叫做这种金属的逸出功二、爱因斯坦光电效应方程1光子说光不仅在发射和吸收时能量是一份
4、一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为 的光子的能量为 h.2光电效应方程(1)表达式：EkhW0.(2)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克服金属的逸出功 W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能三、康普顿效应1光的散射光在介质中与物体微粒的相互作用，因而传播方向发生改变的现象2康普顿效应在光的散射中，除了与入射波长 0 相同的成分外，还有波长大于0 的成分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光子的动量ph.问题探索想一想问题 1 对光子能量与光强的理解：光
5、子的能量大，光的强度一定大吗？提示：光子能量是指一个光子具有的能量，在数值上光子能量 h.光强是指在垂直于光的传播方向上，每平方米面积在 1 s 内获得的能量，它等于在垂直于光传播方向上每平方米面积在 1 s 内通过的所有光子的能量和问题 2 在康普顿效应中，有些光子与电子碰撞后的波长变长，你能否从动量的观点和能量的观点分别对其作出解释？提示：(1)动量观点：光子与电子碰撞后，要把一部分动量转移给电子，使光子动量变小，由 ph知 变大(2)能量观点：通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，使它的能量变小，由 Eh 知，频率 变小，再根据 c 知 就大.3 新课堂互动探究 知识点一 光电效应的实验
6、规律重点聚焦(1)光电效应中几个概念的理解光子与光电子光子是指光在空间传播的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，光子是光电效应的因，光电子是果光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，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，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能光电流和饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无
7、关入射光强度与光子能量入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，光子能量即每个光子的能量，光子总能量等于光子能量与入射光子数的乘积(2)光电效应的实验规律光电流与入射光强度的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比，即入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多截止频率 c(极限频率)对于每种金属材料，都相应地有一确定的截止频率 c，当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率 c 时才能有光电子逸出，由 c知，入射光的波长应小于某一极限波长，才能有光电子选出，故 D 正确【答案】C知识点二 光电效应方程的理解及其应用重点聚焦1对光电效应方程的理解(1)方程 EkhW0 中，
8、Ek 为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值(2)方程 EkhW0 实质上是能量守恒方程(3)方程 EkhW0 包含了产生光电效应的条件，即要产生光电效应，须 EkhW00，亦即 hW0，W0h，而 cW0h 就是金属的极限频率(4)方程 EkhW0 表明，光电子的最大初动能 Ek 与入射光的频率 存在线性关系(如图所示)，与光强无关图中横轴上的截距是截止频率或极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量(5)方程 EkhW0 中的逸出功 W0 为从金属表面逸出的电子克服束缚而消耗的最少能量，不同金属的逸出功是不同的2光子
9、说对光电效应的解释(1)饱和光电流与光强关系光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和光电流越大所以，入射光频率一定时，饱和光电流与光强成正比(2)存在截止频率和遏止电压爱因斯坦光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率成线性关系，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关光电效应方程同时表明，只有 hW0 时，才有光电子逸出，cW0h 就是光电效应的截止频率(3)光电效应具有瞬时性电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应几乎是瞬时发生的典例精析 如图所示，当开关 K 断开时，用光子能量为 2.5 eV 的一束光照射到阴极 P，发现电流表读
10、数不为零合上开关，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()A1.9 eV B0.6 eVC2.5 eV D3.1 eV【解析】电流表读数为零时，光电子的初动能刚好全部消耗在克服电场力做功上，则有EkeU0.6 eV又因为 EkhW所以，WhEk(2.50.6)eV1.9 eV【答案】A【方法归纳】考查爱因斯坦的光电效应方程和动能定理的综合应用跟踪练习2已知金属铯的逸出功为 1.9 eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出光电子的最大初动能为 1.0 eV，入射光的波长应为_m
11、.【解析】本题考查光电效应方程，光子的能量和 c 的关系由爱因斯坦光电效应方程12mv2mhW0 得h12mv2mW01.9 eV1.0 eV2.9 eV又 Eh，c所以 hcE 6.63103431082.91.61019m4.3107m.【答案】4.3107m知识点三 康普顿效应和光子的动量重点聚焦(1)康普顿效应光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫光的散射康普顿效应：美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时，发现在散射的 X 射线中，除了与入射波长 0 相同的成分外，还有波长大于 0 的成分，这个现象叫康普顿效应康普顿用光子说成功解释了康普顿效
12、应：他认为散射后 X 射线波长改变，是 X 射线光子和物质中电子碰撞的结果，由于光子的速度是光速，非常大，而物体中的电子速度相对很小，因此可以看做电子静止，碰撞前后动量和能量都守恒，碰撞前后电子动量和能量增加，光子的动量和能量减小，故散射后的光的波长变长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(光子的能量 h，光子的动量 Ph)(2)光子的动量质量与能量的对应关系 Emc2，光子的质量 mhc2，光子的动量Ph，光子的动量与能量的关系，PEc.特别提醒光子的静止质量为零，公式中的质量指的运动质量频率不同，光子质量不同典例精析 康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动
13、量如图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向改变，则碰后光子可能沿方向_运动，并且波长_(填“不变”、“变短”或“变长”)【解析】因光子与电子的碰撞过程动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致，可见碰后光子运动的方向可能沿 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】1 变长【方法归纳】康普顿效应遵循动量守恒和能量守恒，光子与电子碰撞后，光子的能量减少，动量减少，波长变长跟踪练习3假如一个光子与一个静止的电子碰撞，光子并没有被吸收，只是被电子反弹回来，散射光子的频率
14、与原来光子的频率相比哪个大？为什么？【解析】碰撞后光子的动量减少，由光子的波长 hp，可得波长 变长，再由 c 可判断，频率 减小，所以原来光子的频率较大.【答案】原来光子的频率较大4 新思维随堂自测1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏静电计相连，用弧光照射锌板时，静电计的指针张开一个角度，如图所示，这时()A锌板带正电，指针带负电B锌板带正电，指针带正电C锌板带负电，指针带正电D锌板带负电，指针带负电【解析】锌板受弧光灯照射，吸收紫外线的光子，发生光电效应，放出光电子，中性的锌板因失去电子而带正电，与锌板连在一起的静电计指针也带正电，故选项 B 正确【答案】B2(多选)下列
15、关于光电效应的说法正确的是()A若某材料的逸出功是 W，则它的极限频率 0WhB光电子的初速度和照射光的频率成正比C光电子的最大初动能和照射光的频率成正比D光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大【解析】光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：0Wh，A 选项正确；根据能量守恒定律，入射光子的能量等于出射光电子的最大初动能与逸出功之和，即：h12mv2maxW，由方程可知，光电子的初速度和照射光的频率不成正比，光电子的最大初动能和照射光的频率也不成正比，B、C 选项错误，随着照射光频率的增大，光电子的最大初动能增大，D 选项正确【答案】AD3白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散
16、射的结果美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了 1927 年的诺贝尔物理学奖假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子与原来的光子相比()A频率变大B速度变小C光子能量变大 D波长变长【解析】光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒和能量守恒，自由电子碰撞前静止，碰撞后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小，由 hp，Eh，可知光子频率变小，波长变长，故 D 正确由于光子的速度是不变的，故 B 错误【答案】D4用不同频率的紫外线分别照射钨板和锌板而产生光电效应，可得到光电子的最大初动能 Ek 随入射光的频率 变化的 Ek 图，
17、已知钨元素的逸出功为 3.28 eV，锌元素的逸出功为 3.34 eV，若将两者的图象分别用实线与虚线画在同一个 Ek 图上则下图中正确的是()【解析】根据光电效应方程 EkhW 可知 Ek 图象的斜率为普朗克常量 h，因此图中两线应平行，C、D 错；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子初动能为零)时的入射光频率即极限频率由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的入射光的频率越高，所以能使金属锌发生光电效应的极限频率较高，所以 A 对，B 错【答案】A5 新视点名师讲座光电效应曲线1Ek 曲线如图甲所示，为光电子最大初动能 Ek 随入射光频率 的变化曲线，由于 EkhW0，这里横轴上的
18、截距是阴极金属的极限频率，纵轴上的截距是阴极金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量(EkhW0，Ek 是 的一次函数，不是正比例函数)2I-U 曲线如图乙所示，为光电流强度 I 随光电管两极板间电压 U 的变化曲线，图中 Im 为饱和光电流，由光照强度决定；Uc 为遏止电压，由光电子的最大初动能决定12mv2meUc，而光电子的最大初动能取决于入射光的频率3其他曲线根据光电效应涉及的两个方程 EkhW0 和12mv2meUc，可以推导出任意两个量之间的函数关系式，并能画出相应的曲线，解题时，要注意结合函数关系式分析图线的意义 在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则可判断出()A甲光的频率大于丙光的频率B乙光的波长大于丙光的波长C乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能【解析】当光电管两端加上反向截止电压光电流为零时，则由动能定理12mv2m0eUc，对同一光电管逸出功 W 相同，使用不同频率的光照射，有 hW12mv2m，两式联立可得，hWeUc.丙光的反向截止电压最大，则丙光的频率最大，A、C 错误，又 c可见 丙 乙，B 正确；又由 hW12mv2m0eUc，可知丙光对应的最大初动能最大【答案】B
