高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第三冊(cè)2 光電效應(yīng)第2課時(shí)導(dǎo)學(xué)案

這是一份高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第三冊(cè)2 光電效應(yīng)第2課時(shí)導(dǎo)學(xué)案，共8頁(yè)。
一、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量
1．光的散射：光子在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，使光的傳播方向發(fā)生改變。
2．康普頓效應(yīng)：在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長(zhǎng)λ0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。
3．康普頓效應(yīng)的意義：康普頓效應(yīng)表明光子不僅具有能量而且具有動(dòng)量。
4．光子的動(dòng)量
(1)表達(dá)式：p＝eq \f(h,λ)。
(2)說(shuō)明：在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，要把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動(dòng)量可能變小。因此，有些光子散射后波長(zhǎng)變大。
例1 物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，用X光對(duì)靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時(shí)，X光光子的運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。下列說(shuō)法正確的是( )
A．當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大
B．康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外還具有動(dòng)量
C．X光散射后與散射前相比，速度變小
D．散射后的光子雖然改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，但頻率保持不變
答案 B
解析 在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，則光子動(dòng)量減小，但速度仍為光速c，根據(jù)p＝eq \f(hν,c)，知光子頻率減小，康普頓效應(yīng)說(shuō)明光不但具有能量而且具有動(dòng)量，故A、C、D錯(cuò)誤，B正確。
例2 (2022·徐州市高二期中)發(fā)光功率為P的激光器發(fā)出波長(zhǎng)為λ的激光，光速為c，假設(shè)某一光子與靜止的電子發(fā)生正碰( )
A．與電子碰撞后，光子的波長(zhǎng)不變
B．與電子碰撞后，光子的波長(zhǎng)變短
C．激光器發(fā)出光子的動(dòng)量為eq \f(λ,h)
D．激光器每秒鐘發(fā)出光子的數(shù)量為eq \f(Pλ,hc)
答案 D
解析 光子與電子碰撞后，電子能量增加，故光子能量減小，根據(jù)E＝hν，可知光子的頻率減小，結(jié)合公式c＝λν，可知光子的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，故A、B錯(cuò)誤；根據(jù)激光器發(fā)出波長(zhǎng)為λ的激光，可知激光器發(fā)出光子的動(dòng)量為p＝eq \f(h,λ)，故C錯(cuò)誤；激光器發(fā)出波長(zhǎng)為λ的激光的光子能量為E＝hν＝eq \f(hc,λ)，根據(jù)Pt＝nE，可得激光器每秒鐘發(fā)出光子的數(shù)量為n＝eq \f(Pλ,hc)，故D正確。
二、光的波粒二象性
為了對(duì)光的本性做進(jìn)一步的考察與分析，物理學(xué)家把屏換成感光底片，在不斷變化光強(qiáng)的情況下，用短時(shí)間曝光的方法進(jìn)行了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(如圖所示)。
不同光強(qiáng)下光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果
光很弱時(shí)，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(yuǎn)如圖(a)；增強(qiáng)光的強(qiáng)度，光的雙縫干涉的圖像變得清晰起來(lái)如圖(b)；當(dāng)光較強(qiáng)時(shí)，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(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？
答案 當(dāng)光很弱時(shí)，光是作為一個(gè)個(gè)粒子落在感光底片上的，顯示出了光的粒子性；當(dāng)光很強(qiáng)時(shí)，光與感光底片量子化的作用積累起來(lái)形成明暗相間的條紋，顯示出了光的波動(dòng)性。
1．光的干涉和衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性。
2．光子的能量ε＝hν，光子的動(dòng)量p＝eq \f(h,λ)。
3．光子既有粒子性，又有波動(dòng)性，即光具有波粒二象性。
例3 關(guān)于光的粒子性、波動(dòng)性和波粒二象性，下列說(shuō)法正確的是( )
A．光子說(shuō)的確立完全否定了波動(dòng)說(shuō)
B．光的波粒二象性是指光既與宏觀概念中的波相同又與微觀概念中的粒子相同
C．光的波動(dòng)說(shuō)和粒子說(shuō)都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
D．光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有波動(dòng)性
答案 C
解析 光子說(shuō)的確立，沒(méi)有完全否定波動(dòng)說(shuō)，使人們對(duì)光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)更完善，光既有波動(dòng)性，又有粒子性，光具有波粒二象性，故A錯(cuò)誤；光的波粒二象性，與宏觀概念中的波相同，與微觀概念中的粒子不相同，故B錯(cuò)誤；波動(dòng)說(shuō)和粒子說(shuō)都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，故C正確；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都說(shuō)明光具有粒子性，故D錯(cuò)誤。
例4 (2022·撫州市高二期中)關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是( )
A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出波動(dòng)性
B．光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)相互作用時(shí)就轉(zhuǎn)化成粒子
C．高頻光是粒子，低頻光是波
D．波粒二象性是光的根本屬性，有時(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著
答案 D
解析 光同時(shí)具有波的性質(zhì)和粒子的性質(zhì)，大量光子往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子往往表現(xiàn)為粒子性，即波粒二象性是光的根本屬性，有時(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著，故D正確，A、B錯(cuò)誤；波長(zhǎng)越大，頻率越小，波動(dòng)性越明顯，而不是說(shuō)其是波，故C錯(cuò)誤。
課時(shí)對(duì)點(diǎn)練
考點(diǎn)一 康普頓效應(yīng) 光子的動(dòng)量
1．(2022·徐州市高二期末)在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，康普頓發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長(zhǎng)λ0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于λ0的成分。這些波長(zhǎng)大于λ0的成分與入射的X射線相比( )
A．能量增大 B．動(dòng)量增大
C．波速減小 D．頻率減小
答案 D
解析 這些波長(zhǎng)大于λ0的成分與入射的X射線相比，傳播介質(zhì)不變，波速v不變，X射線光子的能量和動(dòng)量分別為ε＝hν＝heq \f(v,λ)，p＝eq \f(h,λ)，所以頻率ν減小，能量ε減小，動(dòng)量p減小，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確。
2．(多選)關(guān)于康普頓效應(yīng)，下列說(shuō)法正確的是( )
A．康普頓在研究X射線散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光的波長(zhǎng)發(fā)生了變化，為波動(dòng)說(shuō)提供了依據(jù)
B．康普頓效應(yīng)無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋
C．發(fā)生散射時(shí)，波長(zhǎng)較短的X射線入射時(shí)，產(chǎn)生康普頓效應(yīng)
D．愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)能夠解釋康普頓效應(yīng)，所以康普頓效應(yīng)支持粒子說(shuō)
答案 BCD
解析 康普頓在研究射線散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光波長(zhǎng)發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象用波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋，用光子說(shuō)卻可以解釋，故A錯(cuò)誤，D正確；康普頓效應(yīng)無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋，故B正確；發(fā)生散射時(shí)，入射的光子把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，產(chǎn)生康普頓效應(yīng)，故C正確。
3．太陽(yáng)帆飛行器是利用太陽(yáng)光獲得動(dòng)力的一種航天器，其原理是光子在太陽(yáng)帆表面反射的過(guò)程中會(huì)對(duì)太陽(yáng)帆產(chǎn)生一個(gè)沖量。若光子垂直太陽(yáng)帆入射并反射，其波長(zhǎng)始終為λ，普朗克常量為h，則一個(gè)光子對(duì)太陽(yáng)帆的沖量大小為( )
A.eq \f(h,λ) B.eq \f(2h,λ) C.eq \f(3h,λ) D.eq \f(4h,λ)
答案 B
解析 光子在太陽(yáng)帆表面反射的過(guò)程中會(huì)對(duì)太陽(yáng)帆產(chǎn)生一個(gè)沖量，光子垂直太陽(yáng)帆入射并反射，根據(jù)動(dòng)量定理I＝Δp＝2eq \f(h,λ)，故選B。
4．(2022·溫州市高二期末)我國(guó)使用激光焊接復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力已達(dá)到世界一流水平，若焊接所用的激光波長(zhǎng)為λ，每個(gè)激光脈沖中的光子數(shù)目為n，已知普朗克常量為h、光速為c，則下列說(shuō)法中正確的是( )
A．激光焊接利用了激光的相干性
B．激光的頻率為eq \f(h,λ)
C．每個(gè)激光脈沖的能量為nheq \f(c,λ)
D．每個(gè)激光脈沖的動(dòng)量為neq \f(λ,h)
答案 C
解析 激光焊接利用了激光的能量，不是相干性，故A錯(cuò)誤；激光的頻率f＝eq \f(c,λ)，故B錯(cuò)誤；每個(gè)光子的能量E＝hν＝heq \f(c,λ)，每個(gè)激光脈沖的能量為E′＝nE＝nheq \f(c,λ)，故C正確；激光光子的動(dòng)量p＝eq \f(h,λ)，每個(gè)激光脈沖的動(dòng)量為p′＝np＝neq \f(h,λ)，故D錯(cuò)誤。
考點(diǎn)二 光的波粒二象性
5．(多選)下列有關(guān)光的波粒二象性的說(shuō)法正確的是( )
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子與電子是同樣的一種粒子
C．光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其波動(dòng)性越顯著；波長(zhǎng)越短，其粒子性越顯著
D．大量光子的行為往往顯示出波動(dòng)性
答案 CD
解析 一切光都具有波粒二象性，光的有些現(xiàn)象(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動(dòng)性，有些現(xiàn)象(如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，A錯(cuò)誤；電子是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒(méi)有靜止質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場(chǎng)形式存在的物質(zhì)，B錯(cuò)誤；光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波動(dòng)性越顯著，光的波長(zhǎng)越短，粒子性越顯著，C正確； 大量光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律往往表現(xiàn)出光的波動(dòng)性，D正確。
6．關(guān)于光的本質(zhì)下列說(shuō)法正確的是( )
A．康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有波動(dòng)性
B．光的干涉、衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有粒子性
C．在任何情況下，光都既具有波動(dòng)性、同時(shí)又具有粒子性
D．光的波動(dòng)性和粒子性是相互矛盾的
答案 C
解析 康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，而且光子不但具有能量，還有動(dòng)量，故A錯(cuò)誤；在光的干涉、衍射現(xiàn)象中，光體現(xiàn)波動(dòng)性，故B錯(cuò)誤；由于光具有波粒二象性，則在任何情況下，光都既具有波動(dòng)性、同時(shí)又具有粒子性，故C正確；光的波粒二象性是指光有時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性，有時(shí)表現(xiàn)為粒子性，二者是統(tǒng)一的，故D錯(cuò)誤。
7.(2022·上海市師大附中學(xué)業(yè)考試)如圖所示，當(dāng)弧光燈發(fā)出的光經(jīng)一狹縫后，在鋅板上形成明暗相間的條紋，同時(shí)與鋅板相連的驗(yàn)電器箔片有張角，則該實(shí)驗(yàn)( )
A．只能證明光具有波動(dòng)性
B．只能證明光具有粒子性
C．只能證明光能夠發(fā)生衍射
D．證明光具有波粒二象性
答案 D
解析 弧光燈發(fā)出的光經(jīng)一狹縫后，在鋅板上形成明暗相間的條紋，這是光的衍射，證明了光具有波動(dòng)性；驗(yàn)電器箔片有張角，說(shuō)明鋅板發(fā)生了光電效應(yīng)，則證明了光具有粒子性，所以該實(shí)驗(yàn)證明了光具有波粒二象性，故選D。
8．物理學(xué)家阿瑟·阿什金因利用光的力量來(lái)操縱細(xì)胞獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光在接觸物體后，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生力的作用，這個(gè)來(lái)自光的微小作用可以讓微小的物體(如細(xì)胞)發(fā)生無(wú)損移動(dòng)，這就是光鑷技術(shù)。在光鑷系統(tǒng)中，光路的精細(xì)控制非常重要。對(duì)此下列說(shuō)法正確的是( )
A．光鑷技術(shù)利用光的粒子性
B．光鑷技術(shù)利用光的波動(dòng)性
C．紅色激光光子能量大于綠色激光光子能量
D．紅色激光光子動(dòng)量大于綠色激光光子動(dòng)量
答案 A
解析 光在接觸物體后，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生力的作用，則光鑷技術(shù)利用光的粒子性，A正確，B錯(cuò)誤；紅光的頻率小于綠光的頻率，根據(jù)E＝hν可知，紅色激光光子能量小于綠色激光光子能量，C錯(cuò)誤；
紅色激光光子的頻率小于綠色激光光子的頻率，則紅色激光光子的波長(zhǎng)大于綠色激光光子的波長(zhǎng)，根據(jù)p＝eq \f(h,λ)可知紅色激光光子動(dòng)量小于綠色激光光子動(dòng)量，D錯(cuò)誤。
9．(多選)實(shí)驗(yàn)表明：光子與速度不太大的電子碰撞發(fā)生散射時(shí)，光的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)或者不變，這種現(xiàn)象叫康普頓散射，該過(guò)程遵循能量守恒定律與動(dòng)量守恒定律。如果電子具有足夠大的初速度，以至于在散射過(guò)程中有能量從電子轉(zhuǎn)移到光子，則該散射被稱為逆康普頓散射，這一現(xiàn)象已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。關(guān)于上述逆康普頓散射，下列說(shuō)法中正確的是( )
A．相對(duì)于散射前的入射光，散射光在介質(zhì)中的傳播速度變大
B．若散射前的入射光照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng)，則散射光照射該金屬時(shí)，光電子最大初動(dòng)能將變大
C．散射光中存在波長(zhǎng)變長(zhǎng)的成分
D．散射光中存在頻率變大的成分
答案 BD
解析 相對(duì)于散射前的入射光，散射光在介質(zhì)中的傳播速度不變，A錯(cuò)誤；若散射前的入射光照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng)，則因散射后光的能量變大，故照射該金屬時(shí)，由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0，光電子的最大初動(dòng)能將變大，B正確；散射后光的能量變大，由ε＝hν＝heq \f(c,λ)，所以散射光中存在頻率變大的成分即波長(zhǎng)變短的成分，C錯(cuò)誤，D正確。
10．(2022·石家莊市高二期末)a、b兩種光的頻率之比為νa∶νb＝2∶1，將兩種光分別照射到截止頻率為eq \f(νb,2)的金屬上，則a、b兩種光子的動(dòng)量之比及產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能之比分別為( )
A．2∶1 3∶1 B．1∶2 3∶1
C．2∶1 1∶3 D．1∶2 1∶3
答案 A
解析 由p＝eq \f(h,λ)＝eq \f(hν,c)得，a、b兩種光子的動(dòng)量之比為2∶1。又因?yàn)镋k＝hν－W0，所以Eka＝2hνb－h(huán)eq \f(νb,2)＝eq \f(3hνb,2)，Ekb＝hνb－eq \f(hνb,2)＝eq \f(hνb,2)，則a、b兩種光子的最大初動(dòng)能之比為3∶1。故選A。
11．大型鈦合金構(gòu)件在航天、航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，我國(guó)使用微光焊接復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力已達(dá)到世界一流水平。若某型號(hào)激光焊機(jī)的功率為30 kW，發(fā)射的激光波長(zhǎng)為λ＝1 064 nm，已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速為c＝3.0×108 m/s，則( )
A．該激光的頻率為2.82×1013 Hz
B．每個(gè)激光光子的能量為1.87×10－19 J
C．每個(gè)激光光子的動(dòng)量為6.23×10－27 kg·m/s
D．該型號(hào)焊機(jī)每秒發(fā)射激光光子數(shù)約為1.60×1022個(gè)
答案 B
解析 根據(jù)光的波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系，可得激光的頻率為ν＝eq \f(c,λ)＝eq \f(3×108,1 064×10－9) Hz≈2.82×1014 Hz，故A錯(cuò)誤；每個(gè)激光光子的能量為E＝eq \f(hc,λ)≈1.87×10－19 J，故B正確；每個(gè)激光光子的動(dòng)量為p＝eq \f(h,λ)≈6.23×10－28 kg·m/s，故C錯(cuò)誤；激光焊機(jī)的功率為30 kW，則有Pt＝nE，可得每秒發(fā)射激光光子數(shù)約為n0＝eq \f(n,t)＝eq \f(P,E)≈1.60×1023個(gè)，故D錯(cuò)誤。
12．(多選)(2022·濮陽(yáng)市高二期末)某物理科研小組在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，頻率為ν的激光光子與靜止的電子碰撞后光子頻率變?yōu)棣汀?，碰撞后的光子照射極限頻率為ν的光電管陰極K，電子垂直磁場(chǎng)方向射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，示意圖如圖。已知光子與電子碰撞過(guò)程中沒(méi)有能量損失，電子質(zhì)量為m，碰撞后電子獲得的動(dòng)量為p，普朗克常量為h，光速為c，則( )
A．碰撞后光子的波長(zhǎng)為eq \f(c,ν)
B．電子增加的動(dòng)能為eq \f(p2,2m)
C．電子將做半徑為r＝eq \f(p,eB)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)
D．光電管陰極處可能會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)
答案 BC
解析 碰撞后光子頻率變?yōu)棣汀?，光子的波長(zhǎng)為λ′＝eq \f(c,ν′)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；碰撞后電子獲得的動(dòng)量為p，則電子增加的動(dòng)能為Ek＝eq \f(p2,2m)，選項(xiàng)B正確；根據(jù)qvB＝meq \f(v2,r)，電子將做半徑為r＝eq \f(mv,eB)＝eq \f(p,eB)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)C正確；光電管陰極的極限頻率為ν，而光子的頻率ν′