高中物理第二章波粒二象性第一节光电效应教学案粤教版选修.docx
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高中物理第二章波粒二象性第一节光电效应教学案粤教版选修
第一节光电效应
1．光电效应是指物体在光的照射下发射出电子的现象，发射出的电子称为光电子。
2．光电管是利用光电效应制成的一种常见的光电器件，它可以把光信号转变成电信号。
光电管主要是由密封在玻璃壳内的阴极和阳极组成，阴极表面敷有束缚电子能力较弱的碱金属。
3．对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率ν0时，才会产生光电流，我们称ν0为极限频率，其对应的波长称为极限波长。
4．在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小。
并且当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，我们把这时的电压称为遏止电压，用符号U表示。
5．实验探究遏止电压与光照频率和强度的关系：
（1）在蓝光的照射下，给光电效应的实验装置加上反向电压，逐渐增大电压，直至光电流为零，记录遏止电压的值。
改变入射光的强度，重复上述步骤。
发现遏止电压相同。
（2）维持光照强度不变，改变入射光的频率。
先采用蓝光作为入射光，记录遏止电压；再换绿光作为入射光，记录遏止电压。
发现绿光遏止电压较小。
探究结论：
遏止电压与入射光的强度无关，与入射光的频率有关，入射光频率越大，遏止电压越大。
遏止电压与入射光的频率有关，说明光电子的最大初动能也与入射光的频率有关，与入射光的强度无关。
光电效应
1.定义
物体在光的照射下发射电子的现象称为光电效应，发射出来的电子称为光电子，光电子形成的电流称为光电流。
图2－1－1
2．光电效应的实验探究
（1）探究光电流的大小与入射光的强度及其频率的关系：
①实验器材：
白炽灯、滤光片、光电管、电流表、电压表、电源、电阻等。
原理示意图如图2－1－1所示。
②探究思路：
只改变入射光的强度或频率，观察光电流的大小变化情况。
③实验结论：
a：
能否产生光电效应与光的频率有关，与光的强度和照射时间的长短无关。
b：
产生光电效应时，电路中电流大小与光的强度有关，光的强度越大，电流越大。
c：
用不同频率的光去照射锌板，发现当频率低于某一值ν0的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此，ν0称为极限频率，对于不同的材料，极限频率不同。
极限频率对应的波长称为极限波长。
（2）遏止电压与光的强度及频率的关系：
①遏止电压：
在光电管的两个极上加上反向电压，在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小，并且当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，我们把这时的电压称为遏止电压。
②遏止电压与光电子最大初动能的关系为Ekm＝
mv
＝eU
③探究思路：
只改变入射光的强度或频率，测量遏止电压的值。
④实验结果：
图2－1－2
a：
用相同频率不同强度的光去照射阴极时，遏止电压是相同的。
这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的。
b：
用相同强度不同频率的光去照射阴极，频率愈高，遏止电压愈大。
c：
如图2－1－2所示，频率ν与遏止电压U成线性关系，图中的ν0为极限入射光频率。
3．光电效应的实验规律
（1）任何一种金属都有一个极限频率，入射光频率必须高于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率的光不能发生光电效应。
（2）光电子最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。
（3）入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10－9s。
（4）当入射光的频率高于极限频率时，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强度成正比。
（1）发生光电效应时，电子克服金属原子核的引力逸出时，具有的动能大小不同。
金属表面上的电子吸收光子后逸出时动能的值最大，称为最大初动能。
（2）上面提到的入射光强度，指的是单位时间内入射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光强度与光子数成正比。
对于不同频率的光，即使光强度相同，光子数目也不同，因而逸出的光电子数目也有区别。
1．（双选）光电效应实验中，下列表述正确的是（ ）
A．光照时间越长光电流越大
B．入射光足够强就可以有光电流
C．遏止电压与入射光的频率有关
D．入射光频率大于极限频率才能产生光电子
解析：
光电流的大小与光照时间无关，A项错误；如果入射光的频率小于金属的极限频率，入射光再强也不会发生光电效应，B项错误；遏止电压Uc，满足eUc＝hν－hν0，从表达式可知，遏止电压与入射光的频率有关，C项正确；只有当入射光的频率大于极限频率，才会有光电子逸出，D项正确。
答案：
CD
电磁理论解释的困难
1.电磁波动理论的观点
光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅决定的，跟频率无关
2．电磁理论解释光电效应的三个困难
波动理论
光电效应实验结果
困难1
按照光的波动理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应
如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都没有光电效应
困难2
光强越大，电子可获得越多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也越大，即出射电子的动能应该由入射光的能量即光强来决定
遏止电压与光强无关，与频率有关
困难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
当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎在一开始就产生了光电子
2．光电效应的四条规律中，能用波动说解释的是（ ）
A．入射光的频率必须大于被照金属的极限频率时才能产生光电效应
B．光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大
C．入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10－9s
D．当入射光频率大于极限频率时，光电流强度与入射光强度成正比
解析：
按经典光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，从金属中飞出的电子，必须吸收足够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积蓄的时间，光的强度大，单位时间内辐射到金属表面的光子数愈多，被电子吸收的光子数自然也多，这样产生的光电子数也多。
答案：
D
光电效应实验
图2－1－3
[例1] 如图2－1－3所示，一静电计与锌板相连，在A处用一弧光灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角。
（1）现有一带负电的金属小球与锌板接触，则静电计指针偏角将________．（填“增大”、“减小”或“不变”）
（2）使静电计指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，静电计指针无偏转，那么，若改用强度更大的红外线照射锌板，可观察到静电计指针________（填“有”或“无”）偏转。
[解析]
（1）锌板在紫外线照射下，发生光电效应现象，有光电子飞出，锌板带正电，将一带负电的金属小球与锌板接触，将锌板上的正电荷中和一部分，锌板所带正电荷减少，则静电计指针偏角将变小。
注意，静电计与锌板带同种电荷。
（2）要发生光电效应现象，照射光的频率必须高于这种金属的极限频率，而与照射光的强度无关。
用黄光照射，静电计指针无偏转，即不能发生光电效应现象，当改用强度更大的红外线照射时，因为红外线的频率比黄光低，所以用红外线照射更不能发生光电效应现象，静电计指针无偏转。
[答案]
（1）减小
（2）无
（1）光电效应的实质是金属中的电子获得能量后逸出金属，从而使金属带上正电，而非使金属产生了多余的电子。
（2）能否发生光电效应，不取决于光的强度，而是取决于光的频率，只要照射光的频率大于该金属的极限频率，无论照射光的强度多弱，均能发生光电效应。
1．如图2－1－4所示为光电管电路的示意图，在光电管电路中，下列说法错误的是（ ）
图2－1－4
A．能够把光信号转变为电信号
B．电路中的电流是由光电子的运动形成的
C．光照射到光电管的A极产生光电子并飞向K极
D．光照射到光电管的K极产生光电子并飞向A极
解析：
在光电管中，当光照射到阴极K时，将发射出光电子，被A极的正向电压吸引而奔向A极，形成光电流，使电路导通，照射光的强度越大，产生的光电流越大，这样就把光信号转变为电信号，实现光电转换。
答案：
C
光电效应规律
[例2] （双选）已知光电管阴极的极限频率为ν0，如图2 1 5所示，现将频率ν（大于ν0）的光照射在阴极上（ ）
图2－1－5
A．照射在阴极上的光的强度越大，单位时间内产生的光电子数目也越多
B．为了阻止光电子到达阳极A，必须在A、K间加一足够高的反向电压
C．加在A、K间的正向电压越大，通过光电管的饱和光电流的值也越大
D．光电管的光电流值不因加在A、Κ间正向电压的增大而增大
[解析] 由ν>ν0可知，阴极Κ发生光电效应，由实验结论知A正确；在A、Κ间加一足够高的反向电压，在电场力的作用下，阴极Κ上逸出的光电子不能顺利到达阳极A，不能形成光电流，B正确；增大A、Κ间的正向电压，开始时光电流增大，正向电压增大到某值时，可使从阴极逸出的光电子全部到达阳极，此时电路中的光电流达最大值，再增大电压，电流不变，C、D错误。
[答案] AB
在光电效应中，入射光的频率和强度从不同的方面影响光电效应，要区分这两个方面的影响。
（1）入射光的频率决定着能否产生光电效应，以及发生光电效应时光电子的最大初动能和遏止电压的大小。
（2）入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数，也即为光电流的强度。
2．如图2 1 6所示为一光电管电路，滑动变阻器触头P位于ab上的某点，用光照射光电管的阴极，电表无偏转，要使电表指针偏转，可采取的措施有（ ）
A．加大照射光的强度
B．换用频率大的光照射
C．将P向a滑动
D．将电源的正、负极对调
图2－1－6
解析：
电表无偏转，说明没有发生光电效应现象，即入射光的频率小于极限频率．要能发生光电效应现象，只有增大入射光的频率。
答案：
B
1．光电效应中，从同一金属逸出的电子动能的最大值（ ）
A．只跟入射光的频率有关
B．只跟入射光的强度有关
C．跟入射光的频率和强度都有关
D．除跟入射光的频率和强度有关外，还和光照时间有关
解析：
光电子动能的最大值与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关，故A对。
答案：
A
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小
D．有可能不发生光电效应
图1
解析：
发生光电效应几乎是瞬时的，所以A项错；由
mv
＝eU知，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，与入射光的频率有关。
所以频率不变时逸出的光电子最大初动能也就不变，选项B错；入射光子数目减少，逸出的光电子数目也就减少，故C项正确；入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率高于这种金属的极限频率，一定能发生光电效应，故D项错。
答案：
C
3．（双选）一验电器与有绝缘支座的锌板相连接后发现验电器指针张开一定角度，如图1所示，今用弧光灯照射锌板，发现验电器指针偏角立即变小，为零后又张开一定角度，则（ ）
A．一定发生了光电效应
B．锌板原来一定带正电荷
C．锌板原来一定带负电荷
D．锌板原来可能带正电也可能带负电，但后来一定带正电
解析：
弧光灯照射锌板，锌板带电量发生变化，说明一定发生了光电效应，锌板上有电子逸出，锌板带正电，说明锌板原来带有负电荷，A、C正确。
答案：
AC
图2
4．一细束平行光，经玻璃三棱镜折射后分解成互相分离的三束光，分别照射到相同的金属板a、b、c上。
如图2所示，已知金属板b上有光电子逸出，可知（ ）
A．板a一定有光电子逸出
B．板a一定无光电子逸出
C．板c一定有光电子逸出
D．板c一定无光电子逸出
解析：
光经棱镜出射光线发生偏折，频率高的偏折角大，因此，照射金属c的光的频率比照射b的光的频率高，而照射a的光的频率比照射b的光的频率低。
由此可知：
a上不一定有光电子逸出，而c上一定有光电子逸出，C正确。
答案：
C
5．在演示光电效应的实验中，把某种金属板连在验电器上，第一次，用弧光灯直接照射金属板，验电器的指针张开一个角度，第二次，在弧光灯和金属板之间，插入一块普通的玻璃板，再用弧光灯照射时，验电器指针不张开，由此可以判定，金属板产生光电效应的是弧光中的（ ）
A．可见光成分 B．紫外光成分
C．红外光成分D．无线电波成分
解析：
因为只有紫外线不能通过普通玻璃，故选项B对。
答案：
B
图3
6．（双选）如图3所示的光电管的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应，那么（ ）
A．A光的频率大于B光的频率
B．B光的频率大于A光的频率
C．用A光照射光电管时流过电流计G的电流方向是a流向b
D．用A光照射光电管时流过电流计G的电流方向是b流向a
解析：
根据光电效应的条件可知，A光的频率高于极限频率ν0。
B光的频率小于极限频率ν0，故A光的频率大于B光的频率，A项正确；光电管工作时光电子从阴极（右侧）飞向阳极（左侧），由此可知，电路中的电流为a→b，即C正确。
答案：
AC
7．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：
对某种金属能否发生光电效应取决于入射光的频率，与入射光的强度和照射时间无关，所以选项A、B错误；没有发生光电效应，说明入射光的频率小于极限频率，所以要使金属发生光电效应，应增大入射光的频率，减小波长，所以选项C正确，D错误。
答案：
C
8．用紫光照射某光电管的阴极能发生光电效应，下列措施能使遏止电压增大的是（ ）
A．增加紫光的强度
B．增加光照时间
C．改用绿光照射
D．改用紫外线照射
解析：
遏止电压与光电子最大初动能都仅与频率有关，与入射光强度无关，随频率的增大而增大，因此，增大遏止电压的措施只能换用频率更大的光照射，故选D。
答案：
D
9．某金属在一束频率为ν1的光照射下，恰能发生光电效应，改用另一束强度相同、频率为ν2（ν2＞ν1）的光照射时，则（ ）
A．逸出的光电子初动能增加，光电子数增加
B．逸出的光电子初动能增加，光电子数减少
C．逸出的光电子初动能增加，光电子数不变
D．逸出的光电子初动能不变，光电子数增加
解析：
光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大．入射光的强度是单位时间通过单位面积的光子总能量，即A＝nhν（n为单位时间通过单位面积的光子数），当强度不变，频率增大时，单位时间通过单位面积的光子数减小，光电子数减少。
答案：
B
10．使金属钠产生光电效应的光的最大波长为5×10－7m，现在用频率从3.90×1014Hz到7.5×1014Hz范围内的光照射钠，那么能使钠产生光电效应的频率范围是多少？
解析：
由c＝λ·f可得能使钠产生光电效应的光的最小频率fmin＝
＝
Hz＝6.0×1014Hz。
故能使钠产生光电效应的频率范围为：
6．0×1014Hz≤f≤7.5×1014Hz。
图4
答案：
6.0×1014Hz≤f≤7.5×1014Hz
11．太阳能光电直接转换的基本原理是利用光电效应，将太阳辐射直接转换成电能。
如图4所示是测定光电流的电路简图，光电管加正向电压。
（1）在图上标出电源和电流表的正、负极；
（2）入射光应照射在哪个极上；
（3）若电流表读数是10μA，则每秒钟从光电管阴极发射出的光电子至少多少个？
解析：
由图可以看出，光电管的B极为阴极，所以光应照在B极上。
要形成光电流，应加正向电压，即电源左边是正极，右边是负极。
电流表是上正下负。
Q＝It＝10×10－6×1C＝10－5C，
而n＝
＝
个＝6.25×1013个，
所以含有6.25×1013个光电子。
答案：
（1）电源是左正右负。
电流表是上正下负
（2）B极 （3）6.25×1013个
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