物理选修3-5波粒二象性.doc

第二章 波粒二象性
一、知识点总结
1、光电效应
①光电效应现象：在弧光灯的照射下，锌板中有一部分电子吸收了光能，挣脱了原子核的束缚，飞离金属表面，使锌板带上正电。
②光电效应定义：物体在光（包括不可见光）的照射下发射电子的现象称为光电效应。
③光电子：物体在光的照射下发射出来的电子。
④当入射光的频率大于极限频率时，光电流强度与入射光的强度成正比。（光强即光电强度，简单来说就是电子个数多少）。
⑤锌板带正电，验电器指针带正电。
2、光电管：利用光电效应制成的一种常见的光电器件。
①用途：光电管应用在各种自动化装置及有声电影、无线电传真、光纤通信等技术装置里。
②原理：光电管的阴极表面敷有碱金属，对电子的束缚能力比较弱，在光的照射下容易发射电子，阴极发出的电子被阳极收集，在回路中形成电流，称为光电流。
注意：①光电管两极加上正向电压，可以增强光电流。②光电流的大小跟入射光的强度和正向电压有关，与入射光的频率无关。入射光的强度越大，光电流越大。
3、发生光电效应的条件：
①任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。
极限频率对于的波长称为极限波长。波长则相反，要小于极限波长才可以产生光电效应。
4、最大初动能：光电效应中从金属出来的电子，有的从金属表面直接飞出，有的从内部出来，沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能为最大初动能。
5、最大初动能的测定：
①在强度和频率一定的光的照射下，回路中的光电流随着反向电压的增加而减小，当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，这时的电压称为遏止电压U0
②光电子出射时的最大初始动能：
③遏止电压与入射光的强度无关，与入射光的频率有关，随着入射光频率的增大而增大。
注意：光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大。
6、波动理论无法解释的现象：
①不论入射光的频率多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够多的能量，从而产生光电效应，实际上如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不能产生光电效应。
②光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初始动能应该由入射光的强度来决定，实际上光电子的最大初始动能与光强无关，与频率有关。
③光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长，实际上无论光入射的强度怎样微弱，几乎在开始照射的一瞬间就产生了光电子
⒎普郎克在研究电磁波辐射时，提出能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是的整数倍，称为一个能量量子。即能量是一份一份的。其中辐射频率，是一个常量，称为普朗克常量。
⒏受到普朗克的启发，爱因斯坦在1905年提出光子说：即在空间中传播的光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε跟光的频率ν成正比。
，其中：是普朗克常量，是光的频率。
① 逸出功W0: 电子脱离金属离子束缚，逸出金属表面克服离子引力做的功。
②光电效应方程：如果入射光子的能量大于逸出功W0，那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的动能——根据能量守恒定律，入射光子的能量等于出射光子的最大初动能与逸出功之和，即
其中是指出射光子的最大初动能。
使电子脱离某种金属所做的功的最小值叫做这种金属的逸出功。
这个关系式通常叫做爱因斯坦光电方程。
③光电效应的解释：金属内部的电子一般一次只能吸收一个光子的能量，只有入射光子的能量大于或者等于逸出功W0 即：时，电子才有可能逸出，这就是光电效应存在极限频率的原因。
遏制电压只与入射光频率有关，与入射光的强度无关的解释：由和有：。
9、①康普顿效应：用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象叫康普顿效应。康普顿效应是验证光的波粒二象性的重要实验之一。
②康普顿效应的意义：证明了爱因斯坦光子假说的正确性，揭示了光子不仅具有能量，还具有动量。
光子的动量为
③现象解释：碰撞前后光子与电子总能量守恒，总动量也守恒。碰撞前，电子可近似视为静止的，碰撞后，电子获得一定的能量和动量， X光子的能量和动量减小，所以X射线光子的波长λ变长。
④康普顿效应中散射光的波长只能变长，因为康普顿效应中X射线光子与静止的自由电子发生弹性碰撞。
10、光的干涉证明了光有波粒二象性：每次只有一个光子经过双缝，短时间照射，感光片上呈现杂乱分布的几个亮点，即表现出粒子性；当长时间照射时，发现有干涉条纹，表现出波动性。
注意：亮纹是光子落的概率大，暗纹是概率小，不是光子照不到。
11、概率波：光子落在明条纹的概率高，落在暗条纹的概率低。干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映。
12、德布罗意波：任何一个实物粒子都和一种波相对应，这种波称为德布罗意波，也称为物质波。
德布罗意波的波长 ，是实物粒子的动量。
电子衍射实验证明了德布罗意波假说。
实验证明一切的微观粒子（包括光子和实物粒子）都具有波粒二象性，对微观粒子运动状态的最准确描述是概率波。
13、电子云：原子核外电子的概率分布图。概率大的地方小圆点密一些，概率小的地方小圆点疏一些。讨论微观粒子的运动，轨道的概念毫无意义。
14、不确定性关系：微观粒子的坐标和动量不能同时完全精确地确定。如果用表示微观粒子位置的不确定性，用表示微观粒子在方向上动量的不确定性，则有。原因是因为微观粒子具有波动性。
由不确定性关系可知，坐标和动量，其中一个测量得越准确，另外一个的不确定性就越大。
微观粒子的波粒二象性和不确定性关系本质是一样的，导致共同的结果：微观粒子的运动状态，不能通过确定的轨道来描述，只能通过概率波做统计性的描述。
不确定性关系对宏观物体没有意义。
15、㈠①频率高波长短，粒子性明显 ②频率低波长长，波动性明显
㈡①传播时，波动性明显 ②光的产生，与其他物质作用，粒子性明显
㈢①个别时，粒子性明显 ②大量时，波动性明显
补充：（不太重要）
1.密立根测出普朗克常量h
2.概率波：顾名思义，是概率问题。
3.德布罗意波：认为物质也像光一样，有一个特定的波与之相对应
4.戴维孙发现电子束在晶体的衍射图，汤姆生也发现。
二、对应练习
1、2010·江苏物理·12(C)
(1)研究光电效应电路如图所示，用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板（阴极K），钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。下列光电流I与A\K之间的电压Uak关系图象中，正确的是（ C ）

（2）钠金属中的电子吸收光子的能量，从金属表面逸出，这就是光电子。光电子从金属表面逸出的过程中，其动量的大小 减小 (选填“增大、“减小”或“不变”)， 原因是光电子受到金属表面层中力的阻碍作用。
2、05·上海·6）2005年被联合国定为“世界物理年”，以表彰爱因斯坦对科学的贡献．爱因斯坦对物理学的贡献有 （ AC ）
（A）创立“相对论” （B）发现“X射线” （C）提出“光子说” （D）建立“原子核式模型”
3、05·天津·17）某光电管的阴极是用金属钾制成的，它的逸出功为2.21eV，用波长为2.5×10-7m的紫外线照射阴极，已知真空中光速为3.0×108m/s，元电荷为1.6×10-19C，普朗克常量为6.63×10-34JŸs，求得钾的极限频率和该光电管发射的光电子的最大动能应分别是 （ B ）
Ａ．5.3×1014HZ，2.2J Ｂ．5.3×1014HZ，4.4×10-19J
Ｃ．3.3×1033HZ，2.2J Ｄ．3.3×1033HZ，4.4×10-19J、
4、05·天津·20）现用电子显微镜观测线度为d的某生物大分子的结构。为满足测量要求，将显微镜工作时电子的德布罗意波长设定为d/n，其中n>1。已知普朗克常量h、电子质量m和电子电荷量e，电子的初速度不计，则显微镜工作时电子的加速电压应为 （ D ）
Ａ． 　　Ｂ． 　　　Ｃ． 　　　　Ｄ．
5、下列说法正确的是：( A )
A、卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆生的原子结构模型，提出了原子的核式结构学说。
B、麦克斯韦电磁场理论指出：变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场。
C、受爱因斯坦量子论的启发,普朗克在对光电效应的研究中,提出了光子说。
D、光的干涉、衍射现象证明了光是一种波，但德布罗意的“物质波”假设否定了光是一种波。
6、已知能使某金属产生光电效应的极限频率为υ0 ，当用频率为2υ0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为 。当照射光的频率继续增大时，则逸出功 不变 （填“增大”“减小”或“不变”）。
7、关于光电效应，下列几种叙述正确的是：D
A．金属电子的逸出功与入射光的频率成正比；
B．光电流的强度与入射光的强度无关；
C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大；
D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应；
8、图为一真空光电管的应用电路，阴极金属材料的极限频率为4.5×1014Hz，以下判断正确的是：B
A．发生光电效应时，电路中的光电流的饱和值取决于入射光的频率；
B．发生光电效应时，电路中的光电流的饱和值取决于入射光的强度；
C．用λ=0.5mm的光照射光电管时，电路中有光电流产生；
D．光照射时间越长，电路中的光电流越大；
9、现有a、b、c三束单色光，其波长关系为la>lb>lc，用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应.若分别用a光束和c光束照射该金属，则可以断定A
A．a光束照射时，不能发生光电效应； B．c光束照射时，不能发生光电效应；
C．a光束照射时，释放出的光电子数目最多；D．c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小；
10、人类对光的本性的认识经历了曲折的过程。关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是：A
A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的；
B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性；
C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波； D．光具有波粒二象性；
11、现代物理学认为，光和实物粒子都具有波粒二象性。下列事实中突出体现波动性的是：BD
A．一定频率的光照射到锌板上，光的强度越大，单位时间内锌板上发射的光电子就越多；
B．肥皂液是无色的，吹出的肥皂泡却是彩色的；
C．质量为10-3kg、速度为10-2m/s的小球，其德布罗意波长约为10-23 m，不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹；
D．人们常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同；
12、对于概率波的理解，下列说法正确的有：ABC
A．在光的双缝干涉实验中，由于通过两个缝的光子相互影响，所以表现出了波动性；
B．在光的双缝干涉实验中，如果设法让光子一个一个地通过缝，在屏幕上也会得到预期的干涉条纹；
C．所谓概率波是指：我们不可以准确预言每个粒子运动的轨迹，但可以预言每个粒子出现在光屏上某个位置的概率；
D．因为每个光子出现在光屏上由概率规律决定，因而我们无法预测光屏上会出现什么
13、关于不确定关系，下列说法中正确的是：A
A．不确定关系表明：想要同时准确测量一个粒子的位置和动量，这是不可能的；
B．不确定关系表明：想要同时准确测量一颗子弹的位置和动量，这是不可能的；
C．由于不确定关系，所以测量粒子的位置已经没有意义了；
D．如果将来实验技术进步了，同时准确测量一个粒子的位置和动量是有可能的；
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