資源簡介

2　光電效應
第1課時　光電效應
[學習目標]　
1.知道光電效應現象，了解光電效應的實驗規律，知道光電效應與電磁理論的矛盾(重點)。
2.理解愛因斯坦光子說及對光電效應的解釋，會用光電效應方程解決一些簡單問題(難點)。
一、光電效應的實驗規律
如圖所示，把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開，用紫外線燈照射鋅板。
(1)觀察到驗電器指針如何變化？
(2)這個現象說明什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
1．光電效應現象
(1)光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的________從表面逸出的現象。
(2)光電子：光電效應中發射出來的_______________________________________。
2．光電效應的實驗規律
(1)存在____________或極限頻率νc：當入射光的頻率________某一數值νc時不發生光電效應。
實驗表明，不同金屬的截止頻率________。換句話說，截止頻率與金屬________有關。
(2)存在____________：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個飽和值。實驗表明，在光的頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流________。
這表明對于一定頻率(顏色)的光，入射光________，單位時間內發射的光電子數________。
(3)存在____________：使光電流減小到______的反向電壓Uc，且滿足mevc2＝eUc。遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的________。
同一種金屬對于一定頻率的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的。光的頻率改變時遏止電壓也會________。這意味著對于同一種金屬，光電子的能量只與入射光________有關，而與光的________無關。
(4)光電效應具有________：當頻率超過截止頻率νc時，無論入射光怎樣微弱，照到金屬時會________產生光電流。
3．光電效應經典解釋中的疑難
(1)逸出功：使電子脫離某種金屬，外界對它做功的________值，用W0表示。不同種類的金屬，其逸出功的大小________(填“相同”或“不相同”)。
(2)光電效應經典解釋
①不應存在________頻率。
②遏止電壓Uc應該與光的強弱______關。
③電子獲得逸出表面所需的能量需要的時間____________實驗中產生光電流的時間。
如圖是研究光電效應的電路圖。請結合裝置圖及產生的現象回答下列問題。
(1)保持入射光的強度不變，滑動變阻器的滑片向右滑動(增加電壓)時，電流表示數不變，而光強增加時，保持所加電壓不變，電流表示數會增大，這說明了什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
(2)若將電源的正負極對調，當光強增大時，遏止電壓不變，而入射光的頻率增加時，遏止電壓卻增加，這一現象說明了什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
例1　如圖所示，在演示光電效應的實驗中，某同學分別用a、b兩種單色光照射鋅板。發現用a光照射時與鋅板連接的驗電器的指針張開一定角度；用b光照射時與鋅板連接的驗電器的指針不動。下列說法正確的是(　　)
A．增大b光的照射強度，驗電器的指針有可能張開一定角度
B．a光在真空中的波長大于b光在真空中的波長
C．a光的頻率大于b光的頻率
D．若用b光照射另一種金屬能發生光電效應，則用a光照射該金屬時可能不會發生光電效應
例2　(2022·鎮江市高二期末)利用如圖所示的電路研究光電效應現象，滑片P的位置在O點的正上方。已知入射光的頻率大于陰極K的截止頻率，且光的強度較大，則(　　)
A．減弱入射光的強度，遏止電壓變小
B．P不移動時，微安表的示數為零
C．P向a端移動，微安表的示數增大
D．P向b端移動，光電子到達陽極A的最大動能增大
二、愛因斯坦的光電效應理論
1．光子：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________，其中h為普朗克常量。這些能量子后來稱為______。
2．愛因斯坦光電效應方程
(1)表達式：hν＝____________或Ek＝________。
(2)物理意義：金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是________，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的________。其中Ek為光電子的________初動能。
3．光電效應方程對光電效應實驗現象的解釋
(1) 只有當hν____W0時，才有光電子逸出，νc＝________就是光電效應的截止頻率。
(2) 光電子的最大初動能Ek與___________________________________________
有關，而與光的________無關。這就解釋了遏止電壓和光強無關。
(3) 電子________吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時產生的。
(4)對于同種顏色(頻率ν相同)的光，光________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。
愛因斯坦光電效應方程給出了光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是遏止電壓Uc，怎樣得到Uc與ν、W0的關系？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
(1)“光子”就是“光電子”的簡稱。(　　)
(2)逸出功的大小與入射光無關。(　　)
(3)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比。(　　)
(4)光電子的最大初動能與入射光的強度成正比。(　　)
例3　(2022·南京市高二期末)用如圖所示的裝置研究光電效應現象，當用光子能量為3.6 eV的光照射到光電管陰極上時，電流表G有讀數。移動滑動變阻器的滑片，當電壓表的示數大于或等于0.9 V時，電流表讀數為0，則以下說法正確的是(　　)
A．光電子的初動能可能為0.8 eV
B．光電管陰極的逸出功為0.9 eV
C．開關S斷開后，電流表G示數為0
D．改用能量為2 eV的光子照射，電流表G有示數
例4　波長λ＝0.071 nm的倫琴射線使金箔發射光電子，發生光電效應。光電子在磁感應強度為B的勻強磁場區域內做最大半徑為r的勻速圓周運動，已知r·B＝1.88×10－4 T·m。電子的質量m＝9.1×10－31 kg，e＝1.6×10－19 C，c＝3.0×108 m/s，h＝6.63×10－34 J·s。試求：
(1)光電子的最大初動能；
(2)該金屬的逸出功；
(3)該電子的物質波的波長。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
2　光電效應
第1課時　光電效應
[學習目標]　1.知道光電效應現象，了解光電效應的實驗規律，知道光電效應與電磁理論的矛盾(重點)。2.理解愛因斯坦光子說及對光電效應的解釋，會用光電效應方程解決一些簡單問題(難點)。
一、光電效應的實驗規律
如圖所示，把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開，用紫外線燈照射鋅板。
(1)觀察到驗電器指針如何變化？
(2)這個現象說明什么？
答案　(1)指針張角變小
(2)說明紫外線會讓電子從鋅板表面逸出。
1．光電效應現象
(1)光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現象。
(2)光電子：光電效應中發射出來的電子。
2．光電效應的實驗規律
(1)存在截止頻率或極限頻率νc：當入射光的頻率小于某一數值νc時不發生光電效應。
實驗表明，不同金屬的截止頻率不同。換句話說，截止頻率與金屬自身的性質有關。
(2)存在飽和電流：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個飽和值。實驗表明，在光的頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大。
這表明對于一定頻率(顏色)的光，入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。
(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓Uc，且滿足mevc2＝eUc。遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度。
同一種金屬對于一定頻率的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的。光的頻率改變時遏止電壓也會改變。這意味著對于同一種金屬，光電子的能量只與入射光頻率有關，而與光的強弱無關。
(4)光電效應具有瞬時性：當頻率超過截止頻率νc時，無論入射光怎樣微弱，照到金屬時會立即產生光電流。
3．光電效應經典解釋中的疑難
(1)逸出功：使電子脫離某種金屬，外界對它做功的最小值，用W0表示。不同種類的金屬，其逸出功的大小不相同(填“相同”或“不相同”)。
(2)光電效應經典解釋
①不應存在截止頻率。
②遏止電壓Uc應該與光的強弱有關。
③電子獲得逸出表面所需的能量需要的時間遠遠大于實驗中產生光電流的時間。
如圖是研究光電效應的電路圖。請結合裝置圖及產生的現象回答下列問題。
(1)保持入射光的強度不變，滑動變阻器的滑片向右滑動(增加電壓)時，電流表示數不變，而光強增加時，保持所加電壓不變，電流表示數會增大，這說明了什么？
(2)若將電源的正負極對調，當光強增大時，遏止電壓不變，而入射光的頻率增加時，遏止電壓卻增加，這一現象說明了什么？
答案　(1)說明發生光電效應時，飽和光電流的大小與光的強度有關；入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。
(2)光電子的能量只與入射光頻率有關，而與光的強弱無關。
例1　如圖所示，在演示光電效應的實驗中，某同學分別用a、b兩種單色光照射鋅板。發現用a光照射時與鋅板連接的驗電器的指針張開一定角度；用b光照射時與鋅板連接的驗電器的指針不動。下列說法正確的是(　　)
A．增大b光的照射強度，驗電器的指針有可能張開一定角度
B．a光在真空中的波長大于b光在真空中的波長
C．a光的頻率大于b光的頻率
D．若用b光照射另一種金屬能發生光電效應，則用a光照射該金屬時可能不會發生光電效應
答案　C
解析　入射光頻率低于極限頻率時無法產生光電效應，增大b光的照射強度，仍不會發生光電效應，故A錯誤；根據a光照射鋅板能夠發生光電效應可知，a光的頻率大于鋅板的極限頻率，根據b光照射鋅板不能發生光電效應可知，b光的頻率小于鋅板的極限頻率，則a光的頻率大于b光的頻率，a光在真空中的波長小于b光在真空中的波長，故C正確，B錯誤；根據光電效應實驗規律可知，若用b光照射另一種金屬能發生光電效應，則用a光照射該金屬時一定能發生光電效應，故D錯誤。
例2　(2022·鎮江市高二期末)利用如圖所示的電路研究光電效應現象，滑片P的位置在O點的正上方。已知入射光的頻率大于陰極K的截止頻率，且光的強度較大，則(　　)
A．減弱入射光的強度，遏止電壓變小
B．P不移動時，微安表的示數為零
C．P向a端移動，微安表的示數增大
D．P向b端移動，光電子到達陽極A的最大動能增大
答案　D
解析　遏止電壓僅與入射光頻率有關，與入射光強度無關，故A錯誤；P不移動時，滑片P在O點正上方，光電管兩端電壓為零，由于入射光的頻率大于陰極K的截止頻率，則會發生光電效應，微安表應有示數，故B錯誤；P向a端移動，則光電管兩端所加電壓為負向電壓，阻礙電子向A板運動，則光電流變小，微安表的示數變小，故C錯誤；P向b端移動，則光電管兩端所加電壓為正向電壓，由eUAK＝EkA－Ek初，光電子到達陽極A的最大動能增大，故D正確。
二、愛因斯坦的光電效應理論
1．光子：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，其中h為普朗克常量。這些能量子后來稱為光子。
2．愛因斯坦光電效應方程
(1)表達式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。
(2)物理意義：金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是hν，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動能。其中Ek為光電子的最大初動能。
3．光電效應方程對光電效應實驗現象的解釋
(1)只有當hν>W0時，才有光電子逸出，νc＝就是光電效應的截止頻率。
(2)光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν有關，而與光的強弱無關。這就解釋了遏止電壓和光強無關。
(3)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時產生的。
(4)對于同種顏色(頻率ν相同)的光，光較強時，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。
愛因斯坦光電效應方程給出了光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是遏止電壓Uc，怎樣得到Uc與ν、W0的關系？
答案　由光電效應方程有Ek＝hν－W0，而遏止電壓Uc與最大初動能的關系為eUc＝Ek，所以可得Uc與入射光頻率ν的關系式是eUc＝hν－W0，即Uc＝ν－。
(1)“光子”就是“光電子”的簡稱。(　×　)
(2)逸出功的大小與入射光無關。(　√　)
(3)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比。(　×　)
(4)光電子的最大初動能與入射光的強度成正比。(　×　)
例3　(2022·南京市高二期末)用如圖所示的裝置研究光電效應現象，當用光子能量為3.6 eV的光照射到光電管陰極上時，電流表G有讀數。移動滑動變阻器的滑片，當電壓表的示數大于或等于0.9 V時，電流表讀數為0，則以下說法正確的是(　　)
A．光電子的初動能可能為0.8 eV
B．光電管陰極的逸出功為0.9 eV
C．開關S斷開后，電流表G示數為0
D．改用能量為2 eV的光子照射，電流表G有示數
答案　A
解析　由題意可知，當電壓表的示數大于或等于0.9 V時，電流表讀數為0，即遏止電壓為0.9 eV，對光電子由動能定理可得－eUc＝0－Ekmax，即光電子的最大初動能為0.9 eV，所以光電子的初動能可能為0.8 eV，故A正確；由愛因斯坦光電效應方程Ekmax＝hν－W0，可得W0＝hν－Ekmax＝(3.6－0.9) eV＝2.7 eV，故B錯誤；由題意可知，當用光子能量為3.6 eV的光照射到光電管上時，電流表G有示數，即有光電子逸出，開關S斷開后，光電子仍然能到達陽極，即能形成光電流，故C錯誤；由于2 eV小于陰極的逸出功，故改用能量為2 eV的光子照射，不能發生光電效應，即電流表G沒有示數，故D錯誤。
例4　波長λ＝0.071 nm的倫琴射線使金箔發射光電子，發生光電效應。光電子在磁感應強度為B的勻強磁場區域內做最大半徑為r的勻速圓周運動，已知r·B＝1.88×10－4 T·m。電子的質量m＝9.1×10－31 kg，e＝1.6×10－19 C，c＝3.0×108 m/s，h＝6.63×10－34 J·s。試求：
(1)光電子的最大初動能；
(2)該金屬的逸出功；
(3)該電子的物質波的波長。
答案　(1) 4.97×10－16 J　(2) 2.3×10－15 J　(3) 2.2×10－11 m
解析　(1)電子在磁場中半徑最大時對應的初動能最大。洛倫茲力提供向心力，
則有evB＝m，Ekm＝mv2
解得Ekm＝，
代入數據解得Ekm≈4.97×10－16 J
(2)由愛因斯坦光電效應方程可得
Ekm＝hν－W0，ν＝
故W0＝－Ekm，
代入數據解得W0≈2.3×10－15 J
(3)由物質波波長公式可得λ′＝
電子的動量p＝mv＝
解得λ′≈2.2×10－11 m。

展開更多......

收起↑