4.2光电效应 学案（含答案）－2021年高中物理人教版（新教材）选择性必修第三册

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1、第第 2 节节 光电效应光电效应 核心 素养 物理观念 科学思维 1.知道光电效应、光电子的概念。 2.掌握光电效应的实验规律。 3.知道光子说、光电效应方程及其意义。 4.了解康普顿效应及其意义。 5.了解光的波粒二象性。 体会并感受科学家在面对 光电效应问题和疑难时的 创新精神。 知识点一 光电效应及其实验规律 观图助学 把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照 射锌板，观察验电器指针的变化。 这个现象说明了什么问题？ 引入光电效应 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。这个现象称为光电效应。 2.光电子：光电效应中发射出来的电子。 3

2、.光电效应的实验规律 (1)存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值 c时，已经没有光电子了。 c称为截止频率或极限频率。这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生 光电效应。 实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有 关。 (2)存在着饱和电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这 表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 (3)存在遏止电压：使光电流减小到 0 的反向电压 Uc称为遏止电压。 遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。 同一种金属对于一定频率的光， 无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。 (4)光电

3、效应具有瞬时性：当频率超过截止频率 c时，无论入射光怎样微弱，照到 金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎 是瞬时发生的。 4.逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。 不同金属的逸出功不同。 思考判断 (1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。() (2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。() (3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。() 知识点二 爱因斯坦的光子说与光电效应方程 1.光的波动说的困难：按照光的波动说，当光照射到金属表面时，金属中的电子 会从入射光中吸收能量，只有当能量积累到一定量时，电子才能从金属表面逃逸

4、 出来，这无法解释光电效应的实验现象。 2.光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个 不可分割的能量子组成的， 频率为的光的能量子为 h， 这些能量子被称为光子。 3.爱因斯坦的光电效应方程 (1)表达式：hEkW0或 EkhW0。 (2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是 h，这些能量一部分用于克 服金属的逸出功 W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能 Ek。 思考判断 (1)“光子”就是“光电子”的简称。() (2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。() (3)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越 多。() 知识

5、点三 康普顿效应和光的波粒二象性 思考助学 太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮 的；宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？ 提示 在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的 真空环境下光不再散射只向前传播。 1.康普顿效应 (1)光的散射 光子在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫作光的 散射。 (2)康普顿效应 美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时， 发现在散射的 X 射线中， 除 了与入射波长 0相同的成分外，还有波长大于 0的成分，这个现象称为康普顿效 应。 (3)康普

6、顿效应的意义 康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的 一面。 (4)光子的动量 表达式：ph 。 说明：在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给 电子，光子的动量变小。因此，有些光子散射后波长变大。 2.光的波粒二象粒 (1)光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒 子性。 (2)光子的能量 h，光子的动量 ph 。 (3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性。 思考判断 (1)光子的动量与波长成反比。() (2)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。() (3)有些光子发生

7、散射后，其波长变大。() (1)赫兹最早发现光电效应现象。 (2)光电效应的实质： 光现象 转化为电现象。 (3)定义中光包括不可见光和可见光。 (4)使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线。 光电子是金属表面受到光的照射时发射出来的电子，其本质是电子，光是光电效 应的“因”光电子是“果”。 光电效应发生的条件是：入射光的频率大于截止频率。 光电流和饱和电流 金属板逸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，这个饱和值叫饱和电流。 遏止电压与光电子初速度的关系：由动能定理得出1 2mv 2 1eUc。 光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不

8、带电。光电子是金属表面受到光照 射时吸收了光子能量后发射出来的电子，其本质是电子。 光电子的动能与光电子的最大初动能 光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收光子的能量，可能 向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余能量 为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引 力做功，才具有最大初动能。 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系。 爱因斯坦提出了光子说，成功地解释了光电效应现象，康普顿效应进一步揭示了 光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。 波长较短的 X 射线或 射线与物质微粒相互作用时产生的

9、康普顿效应较明显。 在光的散射中，光子与其他粒子作用过程中遵循动量守恒定律与能量守恒定律。 核心要点 光电效应现象及其实验规律 观察探究 如图甲是研究光电效应现象的装置图，图乙是研究光电效应的电路图，请结合装 置图及产生的现象回答下列问题： (1)在甲图中发现， 利用紫外线照射锌板无论光的强度如何变化， 验电器都有张角， 而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，这说明了什么？ (2)在乙图中光电管两端加正向电压，用一定强度的光照射时，若增加电压，电流 表示数不变，而光强增加时，同样电压，电流表示数会增大，这说明了什么？ (3)在乙图中若加反向电压， 当光强增大时， 遏止电压(使

10、光电流减小到 0 的反向电 压)不变，而入射光的频率增加时，遏止电压却增加，这一现象说明了什么？ (4)光电效应实验表明， 发射电子的能量与入射光的强度无关， 而与光的频率有关， 试用光子说分析其原因。 答案 (1)金属能否发生光电效应，决定于入射光的频率，与入射光的强度无关。 (2)发生光电效应时，当入射光频率不变时，单位时间飞出的光电子个数只与光的 强度有关。 (3)光电子的能量与入射光频率有关，与光的强度无关。 (4)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的 能量，而且传递能量的过程只能是一个光子对应一个电子的行为。如果光的频率 低于截止频率，则光子提供给电子

11、的能量不足以克服原来的束缚，就不能发生光 电效应。而当光的频率高于截止频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要 消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在。 探究归纳 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。 3.光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子。 4.能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关。 5.发生光电效应时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，单位时间内发出的 光电子数越多。 6.光的强度与饱和电流：饱和电流与光强有关，与所加的正向电压大小无关。饱 和电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属

12、产生光电效应而言 的。对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和电流与入射光强度之间 不是简单的正比关系。 试题案例 例 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，饱和电流变大 B.入射光的频率变高，饱和电流变大 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 解析 保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内逸出的光电子变 多，饱和电流变大，A 正确；据爱因斯坦光电效应方程 h1 2mv 2W0 可知，入 射光

13、的频率变高，光电子的最大初动能变大，饱和电流不变，B 错误，C 正确； 当 h0的散射光。 4.用光子说解释康普顿效应 康普顿认为 X 射线的光子不仅具有能量，也像其他粒子那样具有动量，X 射线的 光子与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律， 求解这些方程， 可以得出散射光波长的变化量 ，理论结果与实验符合得很好。 如图为 X 射线的光子与石墨中电子碰撞前后状态的示意图。 5.光子的动量 狭义相对论告诉我们，质量 m 和能量 E 有简单的对应关系：Emc2, 一个光子的 能量是 h，所以它的质量是 mh c2，借用质子、电子等粒子动量的定义：动量 质量速度，可得光子的动量。 温馨

14、提示 光子的静质量为零，这里所说光子质量是光子的相对质量。pmc h c2 c h c h 。在康普顿 效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量 变小。由 ph 知动量减小意味着波长变大。 试题案例 例 4 康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量，如图给出了光子与静 止电子碰撞后电子的运动方向，则碰撞后光子可能沿_(填“1”“2”或“3”) 方向运动，并且波长_(填“不变”“变短”或“变长”)。 解析 因为光子与电子碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量 的方向与光子碰撞前的方向一致，可见碰撞后光子的方向可能沿 1 方向，不可能 沿 2 或 3

15、方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由 Eh 知，频率变小，再根据 c 知，波长变长。 答案 1 变长 针对训练 3 A、B 两种光子的能量之比为 21，它们都能使某种金属发生光电效 应，且所产生的光电子最大初动能分别为 EA、EB。求 A、B 两种光子的动量之比 和该金属的逸出功。 解析 光子能量 h，动量 ph ，且 c ， 得 p c，则 pApB21。 A 照射时，光电子的最大初动能 EAAW0。 同理，EBBW0，解得 W0EA2EB。 答案 21 EA2EB 核心要点 光的波粒二象性 要点归纳 对光的波粒二象性的理解 实验基础 表现 说明 光的波 动性 干涉和衍射

16、 (1)光子在空间各点出现的可能 性大小可用波动规律来描述 (2)足够能量的光在传播时， 表现 出波的性质 (1)光的波动性是光子本 身的一种属性，不是光 子之间相互作用产生的 (2)光的波动性不同于宏 观观念的波 光的粒 子性 光电效应、 康普顿效应 (1)当光同物质发生作用时， 这种 作用是“一份一份”进行的，表 现出粒子的性质 (2)少量或个别光子容易显示出 光的粒子性 (1)粒子的含义是“不连 续”“一份一份”的 (2)光子不同于宏观观念 的粒子 试题案例 例 5 (多选)关于光的波粒二象性，下列理解正确的是( ) A.高频光是粒子，低频光是波 B.大量的光子往往表现出波动性，个别光子

17、往往表现出粒子性 C.波粒二象性是光的属性，只是有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著 D.光在传播时是波，而与物质发生相互作用时转变成粒子 解析 波粒二象性是光所具有的性质，在不同的情况下有不同的表现：大量的光 子往往表现出波动性，个别光子往往表现出粒子性；光在传播过程中通常表现为 波动性，在与物质发生相互作用时通常表现为粒子性。 答案 BC 针对训练 4 关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是( ) A.光子说完全否定了波动说 B.光的波粒二象性是指光和经典的波与粒子很相似 C.光的波动说和光子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有不能解释的实验 现象 D.光的波粒二象性是指光要么具有波动

18、性，要么具有粒子性，而不是同时具有波 动性和粒子性 解析 光子说的确立，没有完全否定了波动说，使人们对光的本性认识更完善， 光既具有波动性，又同时具有粒子性，光具有波粒二象性，故 A、D 错误；光的 波粒二象性， 与宏观概念中的波不同， 与微观概念中的粒子也不相同， 故 B 错误； 波动说和粒子说都有其正确性， 但又都是不完善的， 都有其不能解释的实验现象， 故 C 正确。 答案 C 1.(对光电效应现象的理解)(多选)如图所示，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( ) 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，验电器指针一定会发生

19、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(弧光灯可以发出紫外 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，C 错误；红光的频率低于紫外线的频率，不一定能使锌板发生 光电效应，B 错误。 答案 AD 2.(光电效应的实验及规律)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

20、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 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。 答案 C 3.(光电效应的图像)爱因斯坦因提出了光子概念并成功地解释光电效应的规律而 获得 1921 年诺贝尔物理

21、学奖。 某种金属逸出光电子的最大初动能 Ekm与入射光频 率 的关系如图所示，其中 0为极限频率。从图中可以确定的是( ) A.逸出功与 有关 B.Ekm与入射光强度成正比 C.当 0， 即只有入射光的频率0 时才会有光电子逸出，故 C 错误；根据爱因斯坦光电效应方程 EkmhW0。可 知该图像的斜率Ekm h。故 D 项正确。 答案 D 4.(光电效应方程的应用)如图所示，当开关 S 断开时，用光子能量为 2.5 eV 的一 束光照射阴极 P，发现电流表读数不为零。闭合开关，调节滑动变阻器，发现当 电压表读数小于 0.6 V 时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于 0.6 V 时，电

22、流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为 ( ) A.1.9 eV B.0.6 eV C.2.5 eV D.3.1 eV 解析 由题意知光电子的最大初动能为 EkeUc0.6 eV， 所以根据光电效应方程 EkhW0可得 W0hEk(2.50.6) eV1.9 eV。 答案 A 5.(对康普顿效应的理解)光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用 过程，对此下列说法正确的是( ) A.两种效应中电子与光子组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律 B.两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程 C.两种效应都属于吸收光子的过程 D.光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应相当于光子和电子弹性碰撞的过程 解析 光电效应吸收光子放出电子，其过程能量守恒，但动量不守恒，康普顿效 应相当于光子与电子弹性碰撞的过程，并且遵守动量守恒定律和能量守恒定律， 两种效应都说明光具有粒子性，故 D 正确。 答案 D