中小学资料版高中物理 第四章 波粒二象性 42 光电效应与光量子假说导学案 教科版选修35Word格式.docx

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想一想　紫外线灯照射锌板，为什么与锌板相连的验电器指针张开一个角度？

答案　紫外线灯照射锌板，发生光电效应现象，锌板上的电子飞出锌板，使锌板带正电，与锌板相连的验电器也会因而带正电，使得验电器指针张开一个角度．

二、爱因斯坦的光电效应方程

1．光子说：

光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν.

2．爱因斯坦光电效应方程的表达式：

hν＝mv2＋A.其中A为电子从金属内逸出表面时所需做的功．

想一想　怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程？

答案　爱因斯坦光电效应方程中的hν是入射光子的能量，逸出功A是光子飞出金属表面消耗的能量，mv2是光子的最大初动能，因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律．

预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

问题1

问题2

问题3

一、光电效应现象

1．光电效应的实质：

光现象电现象．

2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．

3．光电子：

光电效应中发射出来的光电子，其本质还是电子．

【例1】　一验电器与锌板相连（如图1所示），用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角．

图1

（1）现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将________（填“增大”、“减小”或“不变”）．

（2）使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转．那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针________（填“有”或“无”）偏转．

答案　

（1）减小　

（2）无

解析　当用紫外线灯照射锌板时，锌板发生光电效应，锌板放出光电子而带上正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，故指针发生了偏转．当带负电的小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小．使验电器指针回到零，用钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外光比黄光的频率还要低，更不可能使锌板发生光电效应．能否发生光电效应与入射光的强弱无关．

二、光电效应的实验规律

1．对光电效应的理解

（1）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光子的总能量，是由入射光子数和入射光子的频率决定的．可用P＝nhν表示，其中n为单位时间内的光子数．

（2）在入射光频率不变的情况下，光的强度与单位时间内照射到金属表面上单位面积的光子数成正比．

（3）对于不同频率的入射光，即使光的强度相等，在单位时间内照射到金属单位面积的光子数也不相同，从金属表面逸出的光电子数不同，形成的光电流不同．

（4）饱和光电流：

指光电流的最大值（即饱和值），在光电流未达到最大值之前，因光电子尚未全部形成光电流，所以光电流的大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，电压越大，被吸引变成光电流的光电子越多．

（5）饱和光电流与入射光的强度成正比：

在入射光频率不变的情况下，光电流的最大值与入射光的强度成正比．原因是在高电压下光电子个数决定了光电流大小，而电子个数决定于入射光强度．“频率高，光子能量大，光就强，产生的光电流也强”、“光电子的初动能大，电子跑得快，光电流就强”等说法均是错误的．

总之，在理解光电效应规律时应特别注意以下几个关系：

照射光频率

照射光强度单位时间内发射出来的电子数

2．爱因斯坦对光电效应的解释

（1）饱和光电流与光强关系

光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和光电流越大，所以，入射光频率一定时，饱和光电流与光强成正比．

（2）存在截止频率和遏止电压

爱因斯坦的光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率成线性关系，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关．光电效应方程同时表明，只有hν>

A0时，才有光电子逸出，ν0＝就是光电效应的截止频率．

（3）光电效应具有瞬时性

电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应几乎是瞬时发生的．

【例2】　利用光电管研究光电效应实验如图2所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则（　　）

图2

A．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过

B．用红光照射，电流表一定无电流通过

C．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过

D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变

答案　D

解析　因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A错误；

因不知阴极K的截止频率，所以用红光照射时，不一定发生光电效应，所以选项B错误；

即使UAK＝0，电流表中也有电流，所以选项C错误；

当滑动触头向B端滑动时，UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，电流达到最大，即饱和电流．若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，所以选项D正确．

针对训练1　（多选）现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是（　　）

A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大

B．入射光的频率变高，饱和光电流变大

C．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生

D．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关

答案　AD

解析　根据光电效应规律，保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，则饱和光电流变大，选项A正确；

由爱因斯坦光电效应方程知，入射光的频率变高，产生的光电子最大初动能变大，而饱和光电流与入射光的频率和光强都有关，选项B错误；

保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，当入射光的频率小于极限频率时，就不能发生光电效应，没有光电流产生，选项C错误；

遏止电压与产生的光电子的最大初动能有关，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的光强无关，选项D正确．

三、光电效应方程的理解与应用

1．光电效应方程实质上是能量守恒方程

能量为E＝hν的光子被电子吸收，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A，电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知：

Ek＝hν－A.

2．光电效应方程包含了产生光电效应的条件

若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－A>

0，亦即hν>

A，ν>

＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．

3．Ekmν曲线

如图3所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线．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．

图3

【例3】　如图4所示，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零．合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为（　　）

图4

A．1.9eVB．0.6eV

C．2.5eVD．3.1eV

答案　A

解析　由题意知光电子的最大初动能为Ek＝eUc＝

0．60eV，所以根据光电效应方程Ek＝hν－A可得

A＝hν－Ek＝（2.5－0.6）eV＝1.9eV

针对训练2　（多选）如图5所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，由图像可知（　　）

图5

A．该金属的逸出功等于E

B．该金属的逸出功等于hν0

C．入射光的频率为ν0时，产生的光电子的最大初动能为E

D．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2E

答案　AB

解析　题中图像反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－A，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率ν0时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hν0＝A，即该金属的逸出功等于hν0，选项B正确；

根据图线的物理意义，有A＝E，故选项A正确，而选项C、D错误.

光电效应现象

1．（多选）如图6所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是（　　）

图6

A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转

B．用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转

C．锌板带的是负电荷

D．使验电器指针发生偏转的是正电荷

解析　将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板（弧光灯发出紫外线），验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电．这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出，锌板带正电，选项A、D正确．红光不能使锌板发生光电效应．

光电效应规律

2．入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（　　）

A．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加

B．逸出的光电子的最大初动能将减小

C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少

D．有可能不发生光电效应

答案　C

解析　发生光电效应几乎是瞬时的，选项A错误；

入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少，频率不变，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误；

入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也就减少，故选项C正确；

入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项D错误．

3．某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是（　　）

A．延长光照时间

B．增大光的强度

C．换用波长较短的光照射

D．换用频率较低的光照射

解析　光照射金属时能否产生光电效应，取决于入射光的频率是否大于金属的截止频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D均错误；

又因ν＝，所以选项C正确．

光电效应方程的理解与应用

4．（多选）在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是（　　）

A．增大入射光的强度，光电流增大

B．减小入射光的强度，光电效应现象消失

C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应

D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大

解析　增大入射光的强度，单位时间内发射的光电子数增加，则光电流增大，选项A正确；

光电效应能否发生与照射光频率有关，与照射光强度无关，选项B错误；

改用频率较小的光照射时，如果光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，否则，不能发生光电效应，选项C错误；

光电子的最大初动能Ek＝hν＝A，故改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大，选项D正确．

5．如图所示，N为金属板，M为金属网，它们分别与电池的两极