人教版高中物理选修3-5习题：第十七章 波粒二象性 第2节

2 光的粒子性

[学习目标] 1.了解光电效应和光电效应的实验规律，以及光电效应与电磁理论的矛盾.2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，并会用来解决简单的问题.3.了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量．

一、光电效应

[导学探究] 如图1所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接在验电器上(弧光灯发射紫外线)．

图1

(1)用弧光灯照射锌板，看到的现象为_______________________________________， 说明________________________________________________________________________ (2)在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射，看到的现象为________________________________________________________________________， 说明________________________________________________________________________ (3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较长时间，看到的现象为________________________________________________________________________， 说明________________________________________________________________________． 答案 (1)验电器偏角张开 锌板带电了．弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，在锌板表面发射出光电子，从而使锌板带上了正电

(2)指针偏角明显减小 锌板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见光 (3)观察不到指针的偏转 可见光不能使锌板发生光电效应 [知识梳理] 对光电效应现象的认识

(1)光电效应：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)光电效应中的光包括不可见光和可见光．

(3)光电子：光电效应中发射出来的电子．其本质还是电子．

[即学即用] 一验电器与锌板相连(如图2所示)，用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角．

图2

(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将________(填“增大”、“减小”或“不变”)．

(2)使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转．那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针________(填“有”或“无”)偏转． 答案 (1)减小 (2)无

解析 (1)当用紫外线灯照射锌板时，锌板发生光电效应，锌板放出光电子而带上正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，故指针发生了偏转．当带负电的小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小．(2)使验电器指针回到零，用钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外光比黄光的频率还要低，更不可能使锌板发生光电效应．能否发生光电效应与入射光的强弱无关．

二、光电效应的实验规律 光电效应解释中的疑难 [知识梳理] (1)光电效应的四个规律

①任何一种金属都有一个截止频率νc，入射光的频率必须不低于νc，才能产生光电效应，与入射光的强度及照射时间无关．

②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关．

③当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关． ④光电效应几乎是瞬时的，发生的时间一般不超过109 s.

－

(2)掌握三个概念的含义

①入射光频率决定着能否发生光电效应以及光电子的最大初动能． ②对于一定频率的光，入射光的强度决定着单位时间内发射的光电子数． ③对于一定频率的光，饱和光电流决定着单位时间内发射的光电子数． (3)逸出功

使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W0表示，不同金属的逸出功不同． (4)光电效应与光的电磁理论的矛盾 按光的电磁理论，应有：

①光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关． ②不存在截止频率，任何频率的光都能产生光电效应． ③在光很弱时，放出电子的时间应远大于109 s.

－

[即学即用] (多选)对光电效应规律的理解，下列说法正确的是( ) A．任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应 B．入射光越强，光电子的最大初动能越大

C．当入射光频率大于某一截止频率νc时，入射光频率越大，光电子的最大初动能越大 D．入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬间发射的 答案 CD

三、爱因斯坦的光电效应方程

[导学探究] (1)光子说是由哪位科学家提出的？

(2)不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能是否相同？为什么？ 答案 (1)爱因斯坦提出了光子说．(2)由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同，由光电效应方程Ek＝hν－W0可知，发生光电效应时，逸出的光电子的初动能是不同的．

[知识梳理] (1)光子说：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ν的光子的能量为 hν. (2)光电效应方程

①表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0. ②物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，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． (3)光电效应方程说明了产生光电效应的条件

W0若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝hW0νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．

h

(4)Ek－ν曲线．如图3所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线．这里，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；斜率为普朗克常量．

图3

[即学即用] 用频率为ν的光照射某种金属材料，产生光电子的最大初动能为Ek，若用频率为2ν的光照射同一金属材料，则光电子的最大初动能是( )

A．2Ek B．Ek＋hν C．Ek－hν D．Ek＋2hν 答案 B

解析 根据爱因斯坦光电效应Ek＝hν－W0，当入射光的频率为ν时，可计算出该金属的逸出功W0＝hν－Ek，当入射光的频率为2ν时，光电子的最大初动能为Ek＝2hν－W0＝Ek＋hν，所

以选B. 四、康普顿效应

[导学探究] 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；宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？ 答案 在地球上存在着大气，太阳光经大气中微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播． [知识梳理] (1)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，这种现象叫做光的散射． (2)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λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应． (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 h

①表达式：p＝. λ

②说明：在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小．因此，有些光子散射后波长变大． [即学即用] 判断以下说法是否正确． (1)光子的动量与波长成反比．( )

(2)光子发生散射后，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化．( ) (3)有些光子发生散射后，其波长变大．( ) 答案 (1)√ (2)× (3)√

一、光电效应的现象分析

例1 (多选)如图4所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( )

图4

A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转