1、新教材 鲁科版2019版 物理选择性必修第三册第6章知识点清单目录第6章波粒二象性第1节光电效应及其解释第2节实物粒子的波粒二象性第6章波粒二象性第1节光电效应及其解释一、光电效应1. 光电效应定义物理学中，在光的照射下电子从物体表面逸出的现象，称为光电效应。这种逸出的电子称为光电子。2. 研究光电效应的电路图如图，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极在受到光照时能够发射光电子。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。电压U为0时电流I并不为0。3. 光电效应的实验规律(1
2、)存在极限频率：当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生光电效应，这个频率称为极限频率。极限频率与金属的种类有关。只有当入射光的频率大于或等于极限频率时，才会产生光电效应。当入射光的频率小于极限频率时，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应。(2)光电效应的瞬时性：从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间很短，通常在10-9 s内。(3)存在饱和电流：产生光电效应时，在光照强度不变的情况下，光电流随电压的增大而增大，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到一个饱和值。在光频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内逸出的电子数越多，饱和电流越大。光电流与电压的
3、关系(4)存在遏止电压：阴极逸出的光电子具有初动能，因此在外加电压调到零时仍有光电流。如果施加反向电压，在电压较低时也还有光电流，只有当反向电压大于某一值时，光电流才为零，这一电压值称为遏止电压。遏止电压Uc与光电子最大初动能满足的关系式为eUc=12mvm2。二、光电效应的解释1. 光子说：光由数量有限的、分立的光子组成，每一个光子能量为=h(h为普朗克常量，为光的频率)。2. 爱因斯坦光电效应方程(1)表达式：h=W+12mv2。(2)各物理量的意义：h表示一个光子的能量，W为逸出功， 12mv2表示电子离开金属表面的最大初动能。(3)光电子最大初动能Ek随入射光频率变化的曲线。 三、光电
4、效应的应用1. 光电开关：控制电路的接通或断开。2. 光电成像：原理是利用光电效应将光信号转换成电信号，然后再将电信号转换成光信号。四、光的波粒二象性1. 光的波动性实例：英国科学家托马斯杨用光的波动理论解释了光的干涉现象；法国科学家菲涅耳用光的波动理论定量计算了光的衍射光强分布；麦克斯韦提出光是一种电磁波。2. 光的波粒二象性：事实上光子既有粒子的特征，又有波的特征，光具有波粒二象性。3. 概率波：光波是一种概率波，光子出现在哪个位置，受概率支配。五、对光电效应的理解如图所示是光电效应的实验示意图，当用紫外线照射锌板时，静电计指针张开。再用与丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近锌板，则静电计的指针张角会
5、变大。问题1：为什么用紫外线照射锌板会使静电计的指针偏转?提示锌板本身是呈电中性的，静电计的指针偏转说明锌板带了电荷。问题2：用与丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近锌板，静电计的指针张角会变大，说明什么?提示说明在紫外线的照射下锌板失去电子而带正电。问题3：用如图所示的装置研究光电效应的实验时为什么要加正向电压?不加正向电压电路中有电流吗?提示光束照在阴极K上会产生光电效应，但只有极少的电子能到达阳极A，电路中的电流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较大电流。问题4：光电流是怎样定义的?上述实验中，保持光照条件不变，逐渐增大两极之间的电压，会出现什么结果?提示光电子在电场作
6、用下定向移动形成光电流；随着所加电压的增大，光电流先增大然后趋于一个饱和值。问题5：上述实验中，若电压调为零，光电流一定为零吗?若为零，请说明原因；若不为零，请说明怎样才能使光电流为零。提示当所加电压为零时，电流并不为零。只有施加反向电压，也就是阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，这时光电流才可能为零。1. 认识几个概念(1)光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量，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，其本质是电子。光子是光电效应的因，光电子是果。(2)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，光子的能量全部被电子吸收，电子
7、吸收了光子的能量，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，剩余能量为光电子的初动能；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，具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。(3)光子能量与入射光的强度光子能量即每个光子的能量，其值为=h(为光子的频率)，其大小由光的频率决定。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，入射光的强度等于光子能量与单位时间、单位面积内入射光子数的乘积。(4)光电流与饱和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，光电流先增大然后趋于一个饱和值，这个饱和值就是饱和电流
8、。在一定的光照条件下，饱和电流与所加电压大小无关。(5)光的强度与饱和电流饱和电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和电流与入射光强度之间不是简单的正比关系。2. 对光电效应方程h=W+12mv2的理解(1)式中的mv2是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是012mv2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=h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
9、时动能最大为12mv2，根据能量守恒定律可知：h=W+12mv2。(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件：若产生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即12mv2=h-W0，亦即hW，Wh=c，而c=Wh恰好是金属产生光电效应的极限频率。(4)如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率变化的曲线。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。3. 光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索：(2)两个关系：光强光子数目多发射光电子多光电流大；光子频率高光子能量大产生光电子的最大初动能大。第2节实物粒子的波粒二象性一、德布罗意假说1. 德布罗
10、意假说实物粒子具有波动性，每一个运动的粒子都有一个对应的波，人们称这种波为物质波或德布罗意波。2. 粒子能量与相应波的频率关系：E=h。3. 粒子动量与相应波长的关系： p=h。德布罗意通过普朗克常量把粒子性和波动性联系起来。二、对德布罗意假说的实验探索1. 1927年，戴维孙和革末通过实验发现了电子的衍射现象，证实了电子的波动性。2. 1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生衍射现象，也证实了电子的波动性。3. 1960年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片，证实了电子的波动性。三、不确定性关系1. 在微观世界中，粒子的位置和动量不
11、能同时确定。2. 不确定性关系：xph4，式中x为位置的不确定范围，p为动量的不确定范围，h为普朗克常量。3. 不确定性关系的意义：不确定性关系表明，不能同时精确确定一个微观粒子的位置和动量。四、对德布罗意波的理解与计算1. 德布罗意认为任何一个运动的物体，小的如电子、质子，大的如行星、太阳，平时所见到的行驶的火车、流动的人群等，都有一种波与之对应，这种波被称为德布罗意波，也叫物质波。物质波的动量与波长之间的关系为p=h。2. 德布罗意波和光波一样，也是概率波，即实物粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配。微观粒子的运动状态不能用“轨迹”来描述，只能通过大量粒子的运动做统计性的描述。因此，电子
12、在原子内没有确定的位置，在原子核外任何地方都有可能出现，只是概率不同。3. 根据德布罗意假设，实物粒子也具有波粒二象性，宏观物体的动量比较大，所以，德布罗意波波长很短，波动性不明显。微观粒子的德布罗意波波长较长，在一些特定条件下可以观察到它们的干涉和衍射现象。4. 有关德布罗意波计算的一般方法(1)如果知道物体的动能，可以直接用p=2mEk计算其动量。(2)根据=hp可以计算德布罗意波波长。五、对不确定性关系的理解1. 光子和其他微观粒子在单缝衍射时，大部分粒子散布在宽度为b的中央亮条纹之内，这些粒子在到达狭缝之前沿着水平方向运动，而经过狭缝之后，有些粒子跑到缝的投影位置以外，我们可以说这些粒
13、子具有了与原来运动方向垂直的动量。问题1：光子和其他微观粒子与经典粒子有什么不同?提示这些粒子具有与原来运动方向垂直的动量，说明微观粒子已经不再遵守牛顿运动定律，不能同时用质点的位置和动量来描述微观粒子的运动。问题2：粒子位置的不确定范围变化时，粒子动量的不确定范围是否变化?提示粒子通过狭缝时发生衍射。狭缝的宽度决定了粒子位置的不确定范围；中央亮条纹的宽度决定了粒子动量的不确定范围。粒子位置不确定范围变小的同时，粒子动量的不确定范围变大，粒子位置不确定范围变大的同时，粒子动量的不确定范围变小。问题3：既然位置与动量具有不确定性，为什么宏观物体的位置和动量可以同时测量?提示由于普朗克常量是一个很
14、小的量，对于宏观物体来说，其不确定性小到无法进行观测，因此不确定性关系对宏观物体是不重要的。即宏观物体的位置和动量是可以同时确定的。问题4：一颗质量为10 g的子弹，具有200 m/s的速率，若其动量的不确定范围为动量的0. 01%(这在宏观范围是十分精确的了)，则该子弹位置的不确定范围为多大?提示子弹的动量为p=mv=0. 01200 kgm/s=2. 0 kgm/s动量的不确定范围p=0. 01%p=1. 010-42. 0 kgm/s=2. 010-4 kgm/s由不确定性关系式xph4，得子弹位置的不确定范围xh4p=6. 6310-3443. 142. 010-4m2. 610-31
15、 m。1. 粒子位置的不确定性：单缝衍射现象中，入射的粒子有确定的动量，但它们可以处于挡板左侧的任何位置，也就是说，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的。2. 粒子动量的不确定性(1)微观粒子具有波动性，会发生衍射。大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动，而在经过狭缝之后，有些粒子跑到投影位置以外。这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量。(2)由于每个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性，不确定范围可以由中央亮条纹的宽度来衡量。3. 微观粒子的运动没有特定的轨道：由不确定性关系xph4可知，微观粒子的位置和动量是不能同时被确定的，这也就决定了不能用“轨迹”的观点来描述微观粒子的运动。4. 经典物理和微观物理的区别(1)在经典物理学中，可以同时用位置和动量精确地描述质点的运动，如果知道质点的加速度，还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量，从而描述它的运动轨迹。(2)在微观物理学中，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。因而也就不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。但是，我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律。
