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第六章　波粒二象性
光電效應的應用和光的波粒二象性
2
了解光電效應在生產生活中的應用
1
進一步理解愛因斯坦光電效應方程,會用圖像描述光電效應有關物理量之間的關系,能利用圖像求最大初動能、極限頻率和普朗克常量
重難點
3
理解光的波粒二象性,了解光是一種概率波
重點
光電效應圖像問題
遏止電壓
飽和電流Is
光電效應的實驗規律
對于同一種金屬，光電子的能量只與入射光的頻率有關，而與入射光的強弱無關。
同一種金屬對于一定頻率的光， 無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的。
光的頻率ν改變時，遏止電壓Uc也會改變。
愛因斯坦光電效應方程
hν ＝Ek+W0
：W0=hνc
Ek= hν -W0
光電子最大初動能
愛因斯坦光電效應方程給出了光電子的最大初動能 Ek 與入射光的頻率v的關系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是截止電壓 Uc。
那么，怎樣得到截止電壓Uc與光的頻率v和逸出功W0的關系呢
Ek=hv-W0
某金屬的Uc-v圖像
光電效應中的四類圖像
圖像名稱 圖線形狀 由圖線直接(間接)得到的物理量
最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖線 ①極限頻率νc:圖線與ν軸交點的橫坐標
②逸出功W:圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值,即W=|-E|=E
③普朗克常量h:圖線的斜率,即h=k
入射光顏色相同、強度不同時,光電流與電壓的關系圖線 ①遏止電壓Uc:圖線與橫軸的交點的橫坐標
②飽和電流Im:電流的最大值
③最大初動能:Ek=eUc
入射光顏色不同時,光電流與電壓的關系圖線 ①遏止電壓Uc1、Uc2
②飽和電流
③最大初動能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖線 ①極限頻率νc:圖線與橫軸交點的橫坐標
②遏止電壓Uc:隨入射光頻率的增大而增大
③普朗克常量h:等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積,即h=ke(注:此時兩極之間接反向電壓)
1.(2023·河北唐山市開灤第一中學校考)金屬鈦由于其穩定的化學性質,良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強堿,以及高強度、低密度,被美譽為“太空金屬”。用頻率為2.5×1015 Hz的單色光照射金屬鈦表面,發生光電效應。從鈦表面放出光電子的最大初動能與入射光頻率的關系圖線如圖所示。普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,則下列說法正確的是
A.鈦的極限頻率為2.5×1015 Hz
B.鈦的逸出功為6.63×10-19 J
C.隨著入射光頻率的升高,鈦的逸出功增大
D.光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比
√
光電效應的應用
光電效應在自動化控制和光電成像領域有著廣泛應用。
1.光電開關
光電管是利用光電效應使 轉換成______
的基本光電轉換器件,應用光電管可控制電路接
通或斷開。如圖是光電控制報警電路,正常情況
下,光束照射到光電管,光電管產生 ,與光電管連接的電路有 ,電磁鐵產生磁場,吸引報警電路中的開關,使報警電路 ;當有物體從光源和光電管間通過時,擋住光束,光電管不再產生光電效應,與光電管連接的電路沒有電流,電磁鐵對報警電路的開關沒有吸引力,在彈簧彈力作用下,開關 ,警鈴發出警報。
光信號
電信號
光電效應
電流
斷開
閉合
一款對射型光電開關
2.光電成像
光電成像的原理是利用光電效應先將 轉換成 ,然后將________轉換成 。
電荷耦合器件(簡稱CCD)是光電成像系統中將光信號轉換成電信號的器件,由眾多的微小光敏元件、電荷轉移電路、電荷讀取電路組成。CCD廣泛應用于數碼相機、掃描儀、數字攝像機等設備中。
光信號
電信號
電信號
光信號
數碼相機內的CCD傳感器
2.(多選)如圖所示是光控繼電器的示意圖。當用綠光照射光電管陰極K時,可以發生光電效應,則下列說法正確的是
A.增大綠光照射強度,光電子最大初動能增大
B.增大綠光照射強度,電路中的光電流增大
C.改用波長比綠光波長長的光照射光電管陰
極K時,一定能發生光電效應
D.改用頻率比綠光頻率大的光照射光電管陰極K時,一定能發生光電效應
√
√
光的波粒二象性
牛頓光的微粒說
光是實物粒子
光是振動形式在媒質的傳播——波
光是電磁波
光是能量子即光子
惠更斯和托馬斯·楊的光的波動說
到麥克斯韋的光的電磁理論
愛因斯坦的光子理論
人類對光的認識過程
光的波粒二象性
光具有波粒二象性
傳播的過程中，表現出波動性
波長較長時，表現出波動性
波長較短時，表現出粒子性
與物體相互作用時，表現出粒子性
光的粒子性和波動性是在不同條件下的表現
波
光的波動性
光的粒子性
光的粒子性和波動性是相對的
粒
7個電子
100個電子
3000
20000
一個一個電子依次入射雙縫的衍射實驗：
70000
體現了粒子性
體現了波動性
粒子出現的概率高
粒子出現的概率低
為了對光的本性做進一步的考察與分析,物理學家把屏換成感光底片,在不斷變化光強的情況下,用短時間曝光的方法進行了光的雙縫干涉實驗(如圖所示)。
不同光強下光的雙縫干涉實驗結果
當光很弱時,光是作為一個個粒子落在感光底片上的,顯示出了光的粒子性;當光很強時,光與感光底片量子化的作用積累起來形成明暗相間的條紋,顯示出了光的波動性。
光很弱時,感光底片上的圖像與我們通常觀察到光的雙縫干涉的圖像相差很遠如圖(a);增強光的強度,光的雙縫干涉的圖像變得清晰起來如圖(b);當光較強時,得到的圖像與我們通常觀察到的光的雙縫干涉圖像一樣如圖(c)。這個實驗說明了什么
(1)個別光子的行為表現為粒子性,大量光子的行為表現為波動性。
(　　)
(2)光在傳播時是波,而與物質相互作用時就轉變成粒子。(　　)
(3)光表現出波動性時,就不具有粒子性了;光表現出粒子性時,就不具有波動性了。(　　)
(4)高頻光是粒子,低頻光是波。(　　)
√
×
×
×
3.(多選)關于光的認識,下列說法正確的是
A.少量光子通過狹縫后落在感光底片上表現出光的波動性
B.延長曝光時間,大量光子通過狹縫后落在感光底片上遵循統計規律,表現
出光的波動性
C.光的波動性是光子之間的相互作用引起的
D.光的波粒二象性應理解為:在某種場合下光的波動性表現明顯,在另外某
種場合下,光的粒子性表現明顯
√
√
目標一
光電效應圖像問題
目標三
光的波粒
二象性
圖像1.最大初動能Ek 頻率ν，原理式： EK= hν -W0
圖像2.遏止電壓Uc 頻率ν，原理式：
圖像3.飽和電流Is 外加電壓U
波動性
粒子性
干涉
衍射
偏振
光電效應
康普頓效應
目標二
光電效應的應用
光電開關
光電成像
光電效應的應用
光的波粒二象性
由題圖可知,當最大初動能等于零時,入射光的頻率等于金屬的極限頻率,則有νc=1.0×1015 Hz,可知鈦的逸出功W0=hνc=6.63×10-34×1.0×
1015 J=6.63×10-19 J,A錯誤,B正確;
逸出功由金屬本身的性質決定,與入射光頻率無關,C錯誤;
由題圖可知,光電子的最大初動能與入射光的頻率成一次函數關系,不是正比關系,D錯誤。
增大綠光照射強度，光電子最大初動能不變，
而光電流增大,A錯誤,B正確;
光的波長越長,頻率越小，則改用波長長的光
照射光電管陰極K時,不一定能發生光電效應,C錯誤;
改用頻率大的光照射光電管陰極K,入射光頻率一定大于極限頻率,則一定能發生光電效應,D正確。

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