最新粤教版高中物理选修35第二章《光电效应 光子》学案.docx

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最新粤教版高中物理选修35第二章《光电效应光子》学案

2019最新粤教版高中物理选修（3-5）第二章《光电效应光子》学案

[学习目标定位]1.知道光电效应现象,能说出光电效应的实验规律.2.知道遏止电压的概念,会用遏止电压计算光电子的最大初动能.3.知道普朗克的能量量子化假说和爱因斯坦的光子说,会用光子说解释光电效应现象.4.知道光电效应方程、意义并能够简单应用．

1．各种色光的频率：

从红到紫的频率依次变大．

2．光的波长λ与频率ν的关系：

c＝λν,式中c为光速．

3．光电效应与光电流

（1）金属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．

（2）阴极发出的光电子被阳极收集,在回路中会形成电流,称为光电流．

4．极限频率

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．我们将ν0称为极限频率．

5．遏止电压

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,用符号U0表示．

6．能量量子假说

1900年,德国物理学家普朗克在研究电磁波的辐射问题时,首次提出能量量子假说：

物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的,只能是hν的整数倍,hν称为一个能量量子,其中ν是辐射频率,h＝6.63×10－34J·s,称为普朗克常量．

7．光子假说

1905年,爱因斯坦指出,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,一个光子的能量为ε＝hν.

8．光电效应方程

hν＝

mv

＋W0

式中W0表示金属的逸出功,hν是入射光子的能量,

mv

是出射光电子的最大初始动能．

9．光电效应的解释

（1）金属内部的一个电子一般只能吸收一个光子的能量,如果光子的能量小于电子的逸出功,那么无论光的强度（由光子数目决定）有多大,照射的时间多长,金属内部的电子都不能被激发而逃逸出来．因此光电效应的条件是光子的能量ε＝hν必须大于或至少等于逸出功W0,即ν≥

.

（2）遏止电压与光电子的最大初始动能的关系：

eU0＝

mv

.

而在逸出功W0一定的情况下,出射光电子的最大初始动能只与入射光频率有关,与光的强弱无关.

一、光电效应产生的条件

[问题设计]

如图1所示,取一块锌板,用砂纸将其一面擦一遍,去掉表面的氧化层,连接在验电器上．

图1

（1）用弧光灯照射锌板,看到的现象为_________________________________________,

说明_____________________________________________________________________．

（2）在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板,再用弧光灯照射,看到的现象为________________________________________________________________________,

说明_____________________________________________________________________．

（3）撤去弧光灯,换用白炽灯发出的强光照射锌板,并且照射较长时间,看到的现象为________________________________________________________________________,

说明_____________________________________________________________________．

答案　

（1）验电器偏角张开　锌板带电了．弧光灯发出的紫外线照射到锌板上,在锌板表面发射出光电子,从而使锌板带上了正电

（2）指针偏角明显减小　锌板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见光

（3）观察不到指针的偏转　可见光不能使锌板发生光电效应

[要点提炼]

1．光电效应的实质：

光现象转化为,电现象．

2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．

二、光电效应的实验规律　光电效应解释中的疑难

1．光电效应的四点规律

（1）任何一种金属都有一个极限频率ν0,入射光的频率必须大于ν0,才能产生光电效应,与入射光的强度及照射时间无关．

（2）光电子的最大初始动能与入射光的强度无关,只与入射光的频率有关．

（3）当产生光电效应时,单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关．

（4）光电效应几乎是瞬时的,发生的时间一般不超过10－9s.

2．掌握三个概念的含义

（1）入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大初始动能．

（2）入射光的强度决定着单位时间内发射的光子数；

（3）饱和光电流决定着单位时间内发射的光电子数．

3．逸出功：

使电子脱离某种金属所做功的最小值,用W0表示,不同金属的逸出功不同．

4．光电效应与光的电磁理论的矛盾

按光的电磁理论,应有：

（1）光越强,光电子的初动能越大,遏止电压与光的强弱有关．

（2）不存在极限频率,任何频率的光都能产生光电效应．

（3）在光很弱时,放出电子的时间应远大于10－9s.

三、爱因斯坦的光电效应方程

1．光电效应方程实质上是能量守恒方程．

能量为ε＝hν的光子被电子所吸收,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W0,电子离开金属表面时最大初始动能为Ek,则根据能量守恒定律可知：

Ek＝hν－W0.

2．光电效应方程说明了产生光电效应的条件．

若有光电子逸出,则光电子的最大初始动能必须大于零,即Ek＝hν－W0>0,亦即hν>W0,ν>

＝ν0,而ν0＝

恰好是光电效应的极限频率．

图2

3．Ek－ν曲线．如图2所示是光电子最大初始动能Ek随入射光频率ν的变化曲线．这里,横轴上的截距是极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量．

一、光电效应的现象分析

例1　（双选）如图3所示,用弧光灯照射锌板,验电器指针张开一个角度,则下列说法中正确的是（　　）

图3

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逸出,锌板中缺少电子,于是带正电,选项A、D正确．红光不能使锌板发生光电效应．

答案　AD

二、光电效应方程及应用

例2　（单选）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．0.6eVC．2.5eVD．3.1eV

解析　由题意知光电子的最大初始动能为

Ek＝eU0＝0.60eV

所以根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得

W0＝hν－Ek＝（2.5－0.6）eV＝1.9eV

答案　A

1．（双选）在光电效应现象中,下列说法中正确的是（　　）

A．入射光的强度越大,光电子的最大初动能越大

B．光电子的最大初动能随入射光的频率增大而增大

C．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此波长,才能产生光电效应

D．对于某种金属,只要入射光的强度足够大,就会发生光电效应

答案　BC

解析　光电子的最大初始动能与入射光的频率有关,与入射光的强度无关,故选项A错,B对；对于任何一种金属都存在一个发生光电效应的入射光的最小频率（极限频率）,对应着一个“最大波长”,故选项C对,D错．

2．（2014·广东·18）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

答案　AD

解析　增大入射光强度,单位时间内照射到单位面积的光电子数增加,则光电流将增大,故选项A正确；光电效应是否发生取决于照射光的频率,而与照射强度无关,故选项B错误．用频率为ν的光照射光电管阴极,发生光电效应,用频率较小的光照射时,若光的频率仍大于极限频率,则仍会发生光电效应,选项C错误；根据hν－W逸＝

mv2可知,增加照射光频率,光电子的最大初动能也增大,故选项D正确．

[概念规律题组]

1．（单选）红、橙、黄、绿四种单色光中,光子能量最小的是（　　）

A．红光B．橙光C．黄光D．绿光

答案　A

解析　按照爱因斯坦的光子说,光子的能量ε＝hν,h为普朗克常量,说明光子的能量与光的频率成正比,而上述四种单色光中,绿光的频率最大,红光的频率最小,故光子能量最小的是红光,所以选项A正确．

2．（单选）关于光电效应的规律,下列说法中正确的是（　　）

A．只有入射光的波长大于该金属的极限波长,光电效应才能发生

B．光电子的最大初始动能跟入射光的强度成正比

C．发生光电效应的时间一般都大于10－7s

D．发生光电效应时,单位时间内从金属内逸出的光电子数与入射光的强度成正比

答案　D

解析　由ε＝hν＝h

知,当入射光波长大于极限波长时,不能发生光电效应,故A错．由Ek＝hν－W0知,最大初始动能由入射光频率决定,与入射光的强度无关,故B错．发生光电效应的时间一般不超过10－9s,故C错．

3．（单选）对于任何一种金属,能发生光电效应的条件是（　　）

A．入射光的强度大于某一极限强度

B．入射光的波长大于某一极限波长

C．入射光照射时间大于某一极限时间

D．入射光的频率不低于某一极限频率

答案　D

4．（单选）关于光电效应现象,下列说法正确的是（　　）

A．只有入射光的波长大于使该金属发生光电效应的极限波长,才能发生光电效应现象

B．在光电效应现象中,产生的光电子的最大初始动能跟入射光的频率成正比

C．产生的光电子最大初始动能与入射光的强度成正比

D．在入射光频率一定时,单位时间内从金属中逸出的光电子个数与入射光的强度成正比

答案　D

解析　当入射光频率不低于极限频率时才能发生光电效应,设此时波长为λ0,极限频率为ν0,则光速c＝λ0ν0,可知当入射光的波长大于极限波长λ0时,其频率将小于极限频率ν0,所以大于极限波长的光不能使金属发生光电效应,因此选项A错误．由光电效应方程Ek＝hν－W0可知,光电子的最大初始动能随入射光频率的增大而增大,但并不与入射光频率成正比,因此选项B错误．由于光电子的最大初始动能与入射光的强度无关,显然选项C错误．若入射光强度增大到原来的n倍,则单位时间内入射光的能量就增大到原来的n倍．在入射光频率一定时,单个光子的能量不变,则单位时间内入射的光子数将增大到原来的n倍,因此选项D正确．

[方法技巧题组]

5．（单选）现有a、b、c三束单色光,其波长关系为λa＞λb＞λc.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始动能最小

答案　A

解析　由a、b、c三束单色光的波长关系λa＞λb＞λc及波长、频率的关系知：

三束单色光的频率关系为：

νa＜νb＜νc.故当b光束恰能使金属发生光电效应时,a光束必然不能使该金属发生光电效应,c光束必然能使该金属发生光电效应,A对,B错；又因为发生光电效应时释放的光电子数目与光照强度有关,光照越强,光电子数目越多,由于光照强度未知,所以光电子数目无法判断,C错；光电子的最大初始动能与入射光频率有关,频率越高,最大初始动能越大,所以c光束照射时释放出的电子的最大初始动能最大,D错,故正确选项为A.

6．（双选）如图1所示是光电效应中光电子的最大初始动能Ek与入射光频率ν的关系图象．从图中可知（　　）

图1

A．Ek与ν成正比

B．入射光频率必须大于或等于极限频率ν0时,才能产生光电效应

C．对同一种金属而言,Ek仅与ν有关

D．Ek与入射光强度成正比

答案　BC

解析　由Ek＝hν－W0知B、C正确,A、D错误．

7．（双选）已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0,则（　　）

A．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时,一定能产生光电子

B．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时,所产生的光电子的最大初始动能为hν0

C．当入射光的频率ν大于ν0时,若ν增大,则逸出功增大

D．当入射光的频率ν大于ν0时,若ν增大一倍,则光电子的最大初始动能也增大一倍

答案　AB

解析　因入射光的频率大于极限频率时会产生光电效应,所以A正确；因为金属的极限频率为ν0,所以逸出功W0＝hν0,再由Ek＝hν－W0得,Ek＝2hν0－hν0＝hν0,B正确；因为逸出功是光电子恰好逸出时需要做的功,对于同种金属是恒定的,故C错误；由Ek＝hν－W0＝hν－hν0＝h（ν－ν0）可得,当ν增大一倍时：

＝

≠2,故D错误．

8．频率为ν的光照射到一种金属表面上,有电子从金属表面逸出,当所加反向电压U的大小增大到3V时,光电流刚好减小到零．已知这种金属的极限频率为ν0＝6.00×1014Hz,因此入射光的频率ν＝________Hz.（电子电荷量e＝1.60×10－19C,普朗克常量h＝6.63×10－34J·s）

答案　1.32×1015

解析　光电子的最大初动能Ek＝eU0①

由爱因斯坦光电效应方程有

Ek＝hν－hν0②

联立①②得：

ν＝

＋ν0＝1.32×1015Hz

[创新应用题组]

9．铝的逸出功为4.2eV,现用波长为200nm的光照射铝的表面．已知h＝6.63×10－34J·s,求：

（1）光电子的最大初始动能；

（2）遏止电压；

（3）铝的极限频率．

答案　

（1）3.225×10－19J　

（2）2.016V

（3）1.014×1015Hz

解析　

（1）根据光电效应方程可知Ek＝hν－W0,有

Ek＝

－W0＝

J－4.2×1.6×10－19J＝3.225×10－19J

（2）由Ek＝eU0可得

U0＝

＝

V＝2.016V.

（3）hν0＝W0知

ν0＝

＝

Hz＝1.014×1015Hz.