資源簡介

4.2 光電效應
學習目標
1、了解光電效應及其實驗規律，感受以實驗為基礎的科學研究方法。
2、知道愛因斯坦光電效應方程及其意義，感受科學家在面對科學疑難時的創新精神。
3、了解康普頓效應及其意義。
4、了解光的波粒二象性，會用光的波粒二象性分析有關現象。
重點難點
1、理解光電效應及其實驗規律，知道愛因斯坦光電效應方程及其意義。（重點）
2、理解光的波粒二象性，會用光的波粒二象性分析有關現象。（難點）
自主探究
一、光電效應的實驗規律
照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這種現象稱為光電效應現象。逸出的電子又稱為光電子。
1、飽和電流
在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流存在一個飽和值，也就是在電流較小時隨著電壓的增大而增大，當電流增大到一定值之后，即使電壓再增大，電流也不會增大了。入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。
2、遏止電壓和截止頻率
（1）對光電管加反向電壓，光電流可以減小到零，使光電流恰好減小為零的反向電壓稱為遏止電壓不同頻率的光照射金屬產生的光電效應，遏止電壓是不同的。
（2）遏止電壓與光電子的初速度存在的關系：。
（3）當入射光的頻率減小到某一數值νc時，即使不加反向電壓，也沒有光電流產生，表明沒有光電子了，νc稱為截止頻率。
（4）光電子的能量與入射光的頻率有關，而與入射光的強弱無關，當入射光的頻率低于截止頻率時，不能發生光電效應。
3、光電效應具有瞬時性
當入射光的頻率超過截止頻率時，無論入射光強度怎么樣，立刻就能產生光電效應。精確測量表明，產生光電流的時間不超過10－9 s。
二、愛因斯坦的光電效應方程
1、光子說
光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，是不連續的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，每一個光的能量子被稱為一個光子，這就是愛因斯坦的光子說。
2、愛因斯坦光電效應方程
在光電效應中，金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸出的光電子的初動能Ek，公式表示為Ek＝hν－W0。
3、愛因斯坦解釋光電效應
（1）光電子的初動能與入射光的頻率有關，與光強無關．只有hν>W0時，才有光電子逸出，νc＝就是光電效應的截止頻率。
（2）電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流幾乎是瞬時的。
（3）光強較大時，包含的光子數較多，照射金屬時產生的光電子較多，因而飽和電流較大。
三、康普頓效應和光子的動量
1、光的散射
光在介質中與物體微粒的相互作用，使光的傳播方向發生改變的現象。
2、康普頓效應
在光的散射中，除了與入射波長相同的成分外，還有波長更長的成分。
3、康普頓效應的意義
康普頓效應表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面。
4、光子的動量
根據愛因斯坦狹義相對論中的質能方程E＝mc2和光子說ε＝hν，每個光子的質量是m＝，按照動量的定義，每個光子的動量是p＝或p＝。綜上所述，光子具有能量、質量、動量，表現出了粒子所有的特征，因此光子是粒子。
四、光的波拉二象性
光能夠發生干涉、衍射現象，說明光具有波動性；光電效應和康普頓效應表明光具有粒子性，即光具有波粒二象性。
探究思考
一、光電效應
1、光電效應的實驗規律
（1）飽和電流Im的大小與入射光的強度成正比，也就是單位時間內逸出的光電子數目與入射光的強度成正比(如圖1所示)。
（2）光電子的最大初動能(或遏止電壓)與入射光線的強度無關，而只與入射光的頻率有關。頻率越高，光電子的最大初動能就越大。（如圖2所示）
（3）頻率低于νc入射光，無論光的強度多大，照射時間多長，都不能使光電子逸出。
（4）光的照射和光電子的逸出幾乎是同時的，在測量的精度范圍內（＜10-9s）觀察不出這兩者間存在滯后現象。
2、光電效應中幾個易混淆的概念
（1）光子與光電子
無子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發射出來的電子，其本質是電子。光子是光電效應的因，光電子是果。
（2）光電子的動能與光電子的最大初動能
光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收光子的能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能。光電子的初動能小于等于光電子的最大初動能。
（3）光子的能量與入射光的強度
光子的能量即每個光子的能量，其值為。hv( v為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定。入射光的強度指單位時間內照射到金屬表面單位面積上的總能量；入射光的強度等于單位時間內光子能量與入射光子數的乘積。
（4）光電流和飽和光電流
金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關。
【典例一】1、某種金屬的遏止電壓與入射光頻率的關系如圖所示。用分別表示普朗克常量和電子電荷量，則（ ）
A.圖中直線的斜率為
B.當入射光的頻率為時，光電子的最大初動能為
C.當入射光的頻率為2時，遏止電壓為
D.即使入射光的頻率低于，但只要光強夠大也能發生光電效應
解題思路： 由圖可知，這種金屬的截止頻率為，逸出功，光電子的最大初動能。根據愛因斯坦光電效應方程有：。
答案：C
二、愛因斯坦的光電效應方程
1、愛因斯坦的光電效應方程
其中為光電子的最大初動能，為金屬的逸出功。
2、對光電效應方程的理解
（1）光電子的動能
方程中，為光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時的動能大小可以是零到最大值范圍內的任何數值。
（2）方程實質
方程實質上是能量守恒方程。
（3）產生光電效應的條件
方程包含了產生光電效應的條件，即要產生光電效應，則，即
，而就是金屬的截止頻率。
（4）截止頻率
方程表明，光電子的最大初動能與入射光的頻率，存在線性關系(如圖所示)，與光強無關。圖中橫軸上的截距是截止頻率，縱軸上的截距是逸出功的負值。圖線的斜率為普朗克常量。
（5）逸出功
方程中的逸出功為從金屬表面逸出的電子克服束縛而消耗的最少能量，不同金屬的逸出功是不同的。
3、 圖線和I-U圖線
（1）圖線
如左圖所示為光電子最大初動能隨入射光頻率的變化圖線。由可知，橫軸上的截距是陰極金屬的截止頻率，縱軸上的截距是陰極金屬的逸出功的負值，斜率為普朗克常量。(，是的一次函數，不是正比例函數)
（2）I-U圖線
如右圖所示為光電流I隨光電管兩電極間電壓U的變化曲線。圖中Im為飽和電流，由光照強度決定；Uc為遏止電壓，由光電子的最大初動能決定，而光電子的最大初動能取決于人射光的頻率。
【典例二】2、某實驗小組利用如圖甲所示電路研究光電效應現象，得到了如圖乙所示的光電流與電壓關系圖像，下列說法中不正確的是( )
A.黃光照射發射出光電子的最大初動能為
B.使用藍光照射比黃光照射需要克服的逸出功更大
C.使用同種顏色的光照射發生光電效應時，光強越強，光電流越大
D.如果換用紫光照射該種材料也一定能夠發生光電效應
解題思路： 根據愛因斯坦光電效應方程有，當兩極板之間所加反向電壓恰好可以使光電子不能到達A極板時，對應的電壓就是遏止電壓.根據動能定理可知，解得，由題圖乙可知，選項A正確；同種材料的逸出功相同，與入射光的顏色無關，是由材料本身的性質決定的，選項B錯誤；光強越強，單位時間內照射在材料上的光電子數越多，射出的光電子數越多，對應的光電流越大，選項C正確；因為紫光頻率大于黃光和藍光的頻率，紫光光子具有的能量大于黃光和藍光光子的能量，故換用紫光照射該種材料一定能夠發生光電效應，選項D正確。
答案： B
三、對光的波粒二象性的理解
實驗基礎 表現 說明
光的波動性 干涉和衍射 (1)光子在空間各點出現的可能性大小可用波動規律來描述(2)足夠能量的光(大量光子)在傳播時，表現出波的性質(3)波長長的光容易表現出波動性 (1)光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產生的(2)光的波動性不同于宏觀觀念的波
光的粒子性 光電效應、康普頓效應 (1)當光同物質發生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現出粒子的性質(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性(3)波長短的光，粒子性顯著 (1)粒子的含義是“不連續”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀的粒子
隨堂訓練
1、下列有關黑體輻射和光電效應的說法中正確的是( )
A.在黑體輻射中,隨著溫度的升高,波長較短的光輻射強度增加
B.借助能量子假說,普朗克得出了黑體輻射的強度按波長分布的規律
C.在光電效應現象中,光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比
D.用一束綠光照射某金屬,能產生光電效應,換成紅光照射一定能產生光電效應
答案：B
2、在圖示的光電效應實驗中，將滑動觸頭P移到a端。用單色光M照射陰極K時，電流計G的指針不會發生偏轉；將滑動觸頭P移到b端，用單色光N照射陰極K時，電流計G的指針會發生偏轉。下列說法正確的是( )
A.M光的強度一定小于N光的強度
B.M光的頻率一定大于N光的頻率
C.用N光照射陰極K時將P移到a端，電流計G的指針一定會發生偏轉
D.用M光照射陰極K時將P移到c處，電流計G的指針可能會發生偏轉
答案：C
3、某同學釆用如圖所示的裝置來研究光電效應現象。某單色光照射光電管的陰極時，會發生光電效應現象，閉合開關，在陽極和陰極之間加反向電壓，通過調節滑動變阻器的滑片逐漸增大電壓，直至電流計中電流恰為零，此時電壓表顯示的電壓值稱為反向截止電壓。現分別用頻率為和的單色光照射陰極，測量到的反向截止電壓分別為和設電子質量為，電荷量為，則下列關系式中錯誤的是( )
A.頻率為的單色光照射陰極K時光電子的最大初速度
B.普朗克常量為
C.陰極金屬的極限頻率
D.陰極金屬的逸出功
答案：B
4、在做光電效應實驗中，某金屬被光照射發生了光電效應，實驗測出了光電子的最大初動能與入射光的頻率的關系如圖所示，由實驗圖象可求出( )
A．該金屬的逸出功 B．該金屬的極限頻率
C．單位時間內逸出的光電子數 D．普朗克常量
答案：ABD
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