1、2 光电效应与光的量子说光电效应与光的量子说 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解光电效应及其实验规律，以及光电效应与电磁理论的矛盾.2.知道爱因斯坦 光电效应方程及应用. 科学态度与责任：了解爱因斯坦光子说的提出过程，感受实验探究在物理学发展中的作用. 一、光电效应 1.光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象. 2.光电子：光电效应中发射出来的电子. 3.光电效应的实验规律 (1)对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率 0，只有超过截止频率 0的光，才能引起 光电效应. (2)光电流的大小由光强决定，光强越大，光电流越大. (3)光电子的最大初动能与入射光的频率
2、成线性关系. (4)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过 10 9s. 二、光量子概念的提出 光电效应方程 1.1905 年，爱因斯坦提出了光量子概念，简称光子. 2.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 的光的能量子 h. 3.爱因斯坦光电效应方程的表达式：h1 2mv 2W.其中 W 为电子从金属内逸出表面时所需做 的功. 4.截止频率：当最大初动能等于零时，金属表面不再有光电子逸出，这时入射光的频率就是 截止频率 0W h . 1.判断下列说法的正误. (1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应.( ) (2)金属表面是否发
3、生光电效应与入射光的强弱有关.( ) (3)“光子”就是“光电子”的简称.( ) (4)逸出功的大小与入射光无关.( ) (5)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子数越 多.( ) (6)最大初动能的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关.( ) 2.某金属的逸出功为 W，则这种金属的截止频率 0_，用波长为 的光照射金属的 表面，光电子的最大初动能1 2mv 2_.(已知普朗克常量为 h，光速为 c) 答案 W h h c W 一、光电效应 如图，将锌板和验电器连在一起，然后用紫外线灯照射锌板，会发生一个奇妙的现象，验电 器的金属箔片张开一个角度， 这一现象
4、说明了锌板在紫外线照射下带电了.为什么会这样呢？ 验电器上带何种电荷？ 答案 锌板在紫外线的照射下，向外逸出电子，所以锌板带电；锌板剩余正电荷，验电器也 带有正电荷. 1.光电效应的基本概念 (1)光电效应：金属在光(包括可见光和不可见光)的照射下，向外逸出电子的现象. (2)光电子：光电效应中发射出来的电子. 2.理解光电效应规律的四个角度 (1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须超过这个截止频率才能发生光电效 应，低于这个截止频率则不能发生光电效应. (2)发生光电效应时， 光电子的最大初动能与入射光的强度无关， 随入射光频率的增大而增大. (3)大于截止频率的光照射金属时，光
5、电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射 光强度成正比. (4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过 10 9 s. 3.光电效应实验相关概念的理解 (1)饱和电流 金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋 于一个饱和值，这个饱和值是饱和电流，在一定条件下，饱和电流与所加电压大小无关，只 与入射光的强度有关.入射光越强，饱和电流越大. 说明：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多. (2)遏止电压、截止频率和逸出功 遏止电压：使光电流减小到零的反向电压.用符号 U0表示. 计算方法：eU001 2mv 2 遏止电压与入射光的频率有
6、关.入射光的频率不变，遏止电压不变，入射光的频率改变，遏止 电压改变. 说明：光电子的能量只与入射光的频率有关. 截止频率： 能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫 极限频率).不同的金属对应着不同的截止频率. 逸出功：电子从金属内挣脱出来，要克服金属表面层的一些力做功，电子脱离金属所需做 功的最小值叫逸出功.不同金属的逸出功不同. 例 1 (2018 季延中学高二期末)利用光电管研究光电效应实验如图 1 所示，用频率为 的可 见光照射阴极 K，电流表中有电流通过，则( ) 图 1 A.用紫外光照射，电流表不一定有电流通过 B.用红外光照射，电流表一定无电流通过
7、 C.用频率为 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 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 因为紫外光的频率比可见光的频率高，所以用紫外光照射时，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，所以用红外光照射时，也可能发生光电效应， 选项 B 错误；即使 UAK0，电流表中也可能有电流通过，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，光电流达到最大，即饱和电流；若
8、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，选项 D 正确. 学科素养 判断能否发生光电效应，应看入射光的频率与截止频率的关系，例 1 考查了对 光电效应实验规律、实验装置和实验原理的理解，体现了“物理观念”和“科学探究”的学 科素养. 针对训练 1 (多选)如图 2 所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计中没 有电流通过.其原因可能是( ) 图 2 A.入射光太弱 B.入射光波长太长 C.光照时间太短 D.电源正、负极接反 答案 BD 解析 金属存在截止频率， 入射光的频率超过截止频率照射金属时才会有光电子射出.入射光 的频率低于截止频率，不能产
9、生光电效应，光电效应的产生与光照强弱无关，选项 B 正确， A 错误；电路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也 没有光电流产生，D 正确；光电效应的产生与光照时间无关，C 错误. 二、光子说 爱因斯坦光电效应方程 1.光子说：光子说的提出说明了光是由光子组成的.光子的能量 h，决定于光的频率.光的 强度与光子的数目有关，在频率一定的情况下，光越强，单位时间内单位面积上的光子数越 多. 2.光电效应方程：h1 2mv 2W (1)式中的1 2mv 2是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能的大小可 以是 01 2mv 2范围内的任何数值. (2
10、)光电效应方程实质上是能量守恒方程. 能量为 h 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， 另一部分转化为电子离开金属表面时的动能. 若要克服吸引力做功最少为 W，则电子离开金属表面时动能最大为1 2mv 2，根据能量守恒定 律可知：1 2mv 2hW. 3.光子说对光电效应的解释 (1)饱和电流与光强关系：一定频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射金属时产 生的光电子越多，因而饱和电流越强. (2)存在截止频率和遏止电压：由爱因斯坦光电效应方程知，光电子的最大初动能与入射光 频率有关，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关. 若发生光电效应
11、， 则光电子的最大初动能必须大于零， 即1 2mv 2hW0， 亦即 hW， W h 0，而 0W h 恰好是光电效应的截止频率. 例 2 (多选)在光电效应实验中，分别用频率为 a、b的单色光 a、b 照射到同种金属上，测 得相应的遏止电压分别为 Ua和 Ub，光电子的最大初动能分别为 Eka和 Ekb.h 为普朗克常量. 下列说法正确的是( ) A.若 ab，则一定有 UaUb B.若 ab，则一定有 EkaEkb C.若 UaUb，则一定有 EkaEkb D.若 ab，则一定有 haEkahbEkb 答案 BC 解析 由爱因斯坦光电效应方程得，1 2mv 2hW，由动能定理得，1 2mv
12、 2eU 0，若用 a、b 单色光照射同种金属时，逸出功 W 相同.当 ab时，一定有 EkaEkb，UaUb，故选项 A 错误，B 正确；若 UaUb，则一定有 EkaEkb，故选项 C 正确；因逸出功相同，有 W ha Eka hb Ekb，故选项 D 错误. 针对训练 2 (多选)已知能使某金属产生光电效应的截止频率为 0，则( ) A.当用频率为 20的单色光照射该金属时，一定能产生光电子 B.当用频率为 20的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为 h0 C.当入射光的频率 大于 0时，若 增大，则逸出功增大 D.当入射光的频率 大于 0时，若 增大一倍，则光电子的最大初动
13、能也增大一倍 答案 AB 解析 因入射光的频率大于或等于截止频率时会产生光电效应，所以 A 正确；因为金属的截 止频率为 0，所以逸出功 Wh0，再由1 2mv 2hW 得，1 2mv 22h 0h0h0，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1 2mv 2 hWhh0h(0)可得，当 增大一倍时：Ek 1 2mv 2 20 0 2，故 D 错误. 1.(光电效应现象的理解)(多选)如图 3 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 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
14、射锌板，验电器指针一定会发生偏转 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 答案 AD 2.(光电效应规律的理解)(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光照射 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.入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大 D.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 答案 AC 解析 在发生光电效应时，饱和光电流大小由光照强度来决定，与频率无关，光照强度越大 饱和光电流越大，因此 A 正确，B 错误；根据1 2mv 2h
15、W 可知，对于同一光电管，逸出功 W 不变， 当频率变高时， 光电子的最大初动能1 2mv 2变大， 因此 C 正确； 由光电效应规律可知， 当频率低于截止频率时无论光照强度多大，都不会有光电流产生，因此 D 错误. 3.(光电效应方程的简单应用)某种单色光的频率为 ，用它照射某种金属时，在逸出的光电子 中动能最大值为1 2mv 2，则这种金属的逸出功和截止频率分别是( ) A.h1 2mv 2，mv 2 2h B.1 2mv 2h，mv 2 2h C.h1 2mv 2，2h mv2 D.1 2mv 2h，2h mv2 答案 A 解析 根据光电效应方程得，Wh1 2mv 2，根据 Wh 0知截止频率 0W h mv 2 2h .
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