1、第十七章 波粒二象性章末總結(jié)一、量子論、光子說(shuō)、光子能量的計(jì)算1量子論德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出：電磁波的發(fā)射和吸收是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份電磁波的能量h.2光子說(shuō)愛(ài)因斯坦提出：空間傳播的光也是不連續(xù)的，也是一份一份的，每一份稱為一個(gè)光子，光子具有的能量與光的頻率成正比，即h，其中h為普朗克常量，h6.631034 Js.3光的頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系：eq f(c,).例1激光器是一個(gè)特殊的光源，它發(fā)出的光便是激光，紅寶石激光器發(fā)射的激光是不連續(xù)的一道一道的閃光，每道閃光稱為一個(gè)光脈沖，現(xiàn)有一紅寶石激光器，發(fā)射功率為1.01010 W，所發(fā)射的每個(gè)光脈沖持續(xù)的時(shí)間t為1.01011 s，波長(zhǎng)為

2、793.4 nm.問(wèn)每列光脈沖的長(zhǎng)度l是多少？其中含有的光子數(shù)n是多少？(普朗克常量h6.631034 Js，光速c3108 m/s)答案3103 m41017個(gè)解析光脈沖的長(zhǎng)度是光在一個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)傳播的距離，設(shè)為l.則lct31081.01011 m3103 m.根據(jù)WPt可知每列光脈沖能量WPt1.010101.01011 J0.1 J.而每個(gè)光子能量Eheq f(c,)6.631034eq f(3108,793.4109) J2.5071019 J.故每個(gè)光脈沖含有光子數(shù)neq f(W,E)eq f(0.1,2.5071019)個(gè)41017個(gè)二、光電效應(yīng)的規(guī)律和光電效應(yīng)方程1光電效應(yīng)的實(shí)

3、驗(yàn)規(guī)律(1)任何一種金屬都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于等于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光照強(qiáng)度多強(qiáng)，都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大(3)入射光照射到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)109s.(4)當(dāng)入射光的頻率高于極限頻率時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目與入射光的強(qiáng)度成正比2愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0W0表示金屬的逸出功，c表示金屬的極限頻率，則W0hc.例2如圖1甲所示為研究光電效應(yīng)的電路圖圖1(1)對(duì)于某金屬用紫外線照射時(shí)，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)將滑動(dòng)變阻器滑片向右移動(dòng)的過(guò)程中，電

4、流表的示數(shù)不可能_(選填“減小”、“增大”)如果改用頻率略低的紫光照射，電流表_(選填“一定”“可能”或“一定沒(méi)”)有示數(shù)(2)當(dāng)用光子能量為5 eV的光照射到光電管上時(shí)，測(cè)得電流表上的示數(shù)隨電壓變化的圖象如圖乙所示則光電子的最大初動(dòng)能為_(kāi) J，金屬的逸出功為_(kāi) J.答案(1)減小可能(2)3.210194.81019解析(1)AK間所加的電壓為正向電壓，光電子在光電管中加速，滑動(dòng)變阻器滑片向右移動(dòng)的過(guò)程中，若光電流達(dá)到飽和，則電流表示數(shù)不變，若光電流沒(méi)達(dá)到飽和電流，則電流表示數(shù)增大，所以滑動(dòng)變阻器滑片向右移動(dòng)的過(guò)程中，電流表的示數(shù)不可能減小，紫光照射不一定能發(fā)生光電效應(yīng)，所以電流表可能有示數(shù)

5、(2)由題圖乙可知，當(dāng)該裝置所加的電壓為反向電壓，當(dāng)電壓為2 V時(shí)，電流表示數(shù)為0，得光電子的最大初動(dòng)能為2 eV，根據(jù)光電效應(yīng)方程EkmhW0得W03 eV4.81019 J. 針對(duì)訓(xùn)練關(guān)于光電效應(yīng)，以下說(shuō)法正確的是()A光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比B光電子的最大初動(dòng)能越大，形成的光電流越強(qiáng)C能否產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，取決于入射光光子的能量是否大于金屬的逸出功D用頻率是1的綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng)，改用頻率是2的黃光照射該金屬一定不發(fā)生光電效應(yīng)答案C解析由光電效應(yīng)方程知，光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增大而增大，但不是成正比關(guān)系，A錯(cuò)光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比，與光電子的最

6、大初動(dòng)能無(wú)關(guān)，B錯(cuò)用頻率是1的綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng)，改用頻率是2的黃光照射該金屬不一定不發(fā)生光電效應(yīng)，能發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光光子的能量要大于金屬的逸出功，D錯(cuò)，C對(duì)三、用圖象表示光電效應(yīng)的規(guī)律1Ek圖象根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0，光電子的最大初動(dòng)能Ek是入射光頻率的一次函數(shù)，圖象如圖2所示其橫軸截距為金屬的極限頻率c，縱軸截距是金屬的逸出功的負(fù)值，斜率為普朗克常量h.圖2圖32IU圖象光電流強(qiáng)度I隨光電管兩極間電壓U的變化圖象如圖3所示，圖中Im為飽和光電流，Uc為遏止電壓利用eq f(1,2)mevm2eUc可得光電子的最大初動(dòng)能圖43Uc圖象遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系

7、圖象如圖4所示：圖中的橫軸截距c為截止頻率而遏止電壓Uc隨入射光頻率的增大而增大例3用不同頻率的光分別照射鎢和鋅，產(chǎn)生光電效應(yīng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可畫(huà)出光電子的最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率變化的Ek圖線已知鎢的逸出功是2.84 eV，鋅的逸出功為3.34 eV，若將二者的圖線畫(huà)在同一個(gè)Ek坐標(biāo)系中，則正確的圖是()答案A解析根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0可知，Ek圖象的斜率為普朗克常量h，因此圖中兩線應(yīng)平行，故C、D錯(cuò)誤；圖線與橫軸的交點(diǎn)表示恰能發(fā)生光電效應(yīng)(光電子動(dòng)能為零)時(shí)的入射光頻率即極限頻率，由光電效應(yīng)方程可知，逸出功越大的金屬對(duì)應(yīng)的入射光的極限頻率越高，所以能使金屬鋅發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率較高，所以

8、A正確，B錯(cuò)誤四、波粒二象性的理解1光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)現(xiàn)象、康普頓效應(yīng)則證明光具有粒子性，因此，光具有波粒二象性，對(duì)于光子這樣的微觀粒子只有從波粒二象性出發(fā)，才能統(tǒng)一說(shuō)明光的各種行為(2)大量光子產(chǎn)生的效果顯示出光的波動(dòng)性，少數(shù)光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性，且隨著光的頻率的增大，波動(dòng)性越來(lái)越不顯著，而粒子性卻越來(lái)越顯著2實(shí)物粒子(如：電子、質(zhì)子等)都有一種波與之對(duì)應(yīng)(物質(zhì)波的波長(zhǎng)eq f(h,p)，頻率eq f(,h)3物質(zhì)波與光波一樣都屬于概率波概率波的實(shí)質(zhì)：是指粒子在空間分布的概率是受波動(dòng)規(guī)律支配的例4(多選)關(guān)于光的波粒二象性，正確的說(shuō)法是(

9、)A光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著B(niǎo)光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光的能量越小，波動(dòng)性越顯著C頻率高的光子不具有波動(dòng)性，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子不具有粒子性D個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動(dòng)性答案ABD解析光具有波粒二象性，但在不同情況下表現(xiàn)不同，頻率越高，波長(zhǎng)越短，粒子性越明顯，反之波動(dòng)性越明顯，個(gè)別光子易顯示粒子性，大量光子易顯示波動(dòng)性，故選項(xiàng)A、B、D正確1能引起人的眼睛視覺(jué)效應(yīng)的最小能量為1018 J，已知可見(jiàn)光的平均波長(zhǎng)約為0.6 m，普朗克常量h6.631034 Js，則進(jìn)入人眼的能量子數(shù)至少為()A1個(gè) B3個(gè) C30個(gè) D300個(gè)答案B解析可見(jiàn)光的平均頻率eq

10、 f(c,)，能量子的平均能量為h，引起視覺(jué)效應(yīng)時(shí)En，聯(lián)立可得n3，B正確2(多選)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：對(duì)于某種金屬()A無(wú)論光強(qiáng)多強(qiáng)，只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)B無(wú)論光的頻率多低，只要光照時(shí)間足夠長(zhǎng)就能產(chǎn)生光電效應(yīng)C頻率超過(guò)極限頻率的入射光，光照強(qiáng)度越弱，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能就越小D頻率超過(guò)極限頻率的入射光，頻率越高，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能就越大答案AD解析根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律可知A正確，B錯(cuò)誤根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0知，頻率越高，光電子的最大初動(dòng)能就越大，C錯(cuò)誤，D正確3(多選)如圖5是某金屬在光的照射下產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率的關(guān)系圖象由圖象可

11、知()圖5A該金屬的逸出功等于EB該金屬的逸出功等于h0C入射光的頻率為20時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為ED入射光的頻率為eq f(0,2)時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為eq f(E,2)答案ABC解析由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0知，當(dāng)0時(shí)W0Ek，故W0E，A項(xiàng)對(duì)；而Ek0時(shí)，hW0即W0h0，B項(xiàng)對(duì)；入射光的頻率為20時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能Ekm2h0h0h0E，C項(xiàng)對(duì)；入射光的頻率為eq f(0,2)時(shí)，不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，D錯(cuò)4(多選)現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，光和實(shí)物粒子都具有波粒二象性，下列事實(shí)中突出體現(xiàn)波動(dòng)性的是()A一定頻率的光照射到鋅板上，光的強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)鋅板上發(fā)射的光

12、電子就越多B肥皂液是無(wú)色的，吹出的肥皂泡卻是彩色的C質(zhì)量為103 kg、速度為102 m/s的小球，其德布羅意波長(zhǎng)約為1028 m，不過(guò)我們能清晰地觀測(cè)到小球運(yùn)動(dòng)的軌跡D人們常利用熱中子研究晶體的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闊嶂凶拥牡虏剂_意波長(zhǎng)與晶體中原子間距大致相同答案BD解析光子照到鋅板上，發(fā)生光電效應(yīng)，說(shuō)明光有粒子性，A不正確；白光在肥皂泡上發(fā)生薄膜干涉時(shí)，會(huì)出現(xiàn)彩色條紋，光的干涉現(xiàn)象說(shuō)明了光有波動(dòng)性，B正確；由于小球的波長(zhǎng)很小，波動(dòng)性不明顯，表現(xiàn)為粒子性，C不正確；用熱中子研究晶體結(jié)構(gòu)，其實(shí)是通過(guò)中子的衍射來(lái)“觀察”晶體的，是利用中子的波動(dòng)性，D正確5已知金屬銫的極限波長(zhǎng)為0.66 m，用0.50 m的光照射銫金屬表面發(fā)射光電子的最大初動(dòng)能為多少焦耳？銫金屬的逸出功為多少焦耳？(普朗克常量h6.631034 Js)答案9.61020 J31