【物理】2019届一轮复习人教版 光电效应 学案 8页

第8讲 光电效应 温故知新 基础训练 ‎ ]‎ 1. 在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示。这时 A．锌板带正电，指针带负电 B．锌板带正电，指针带正电 C．锌板带负电，指针带正电 D．锌板带负电，指针带负电 【答案】 B 2. 关于光电效应，下列说法正确的是 A．极限频率越大的金属材料逸出功越大 B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产学生光电效应 C．从金属表面出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功就越小 D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多 【答案】 A ‎ ]‎ 1. 在光电效应实验中，下述结论中正确的是 A．发学生光电效应时，使入射光的强度增大，单位时间内产学生的光电子数也随之增加 B．发学生光电效应时，使入射光的波长减小，有可能不产学生光电子 C．紫光照射能产学生光电子，则射线照射一定能产学生光电子 D．发学生光电效应时，使入射光的频率增大，产学生的光电子最大初动能也一定增大 【答案】 ACD 2. 某光电管的阴极是用金属钾制成的，它的逸出功为，现用波长为的紫外线照射该阴极，由以上条件我们可以求得钾的极限频率和该光电管发射光电子的最大初动能分别是 A．， B．，‎ C．， D．，‎ 【答案】 B 3. 分别用波长为和的单色光照射同学一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为．以表示普朗克常量，表示真空中的光速，则此金属板的逸出功为 A． B． C． D．‎ 【答案】 D ‎8.1 光电效应探究 知识点睛 我们在寒假的课程中已经学学习过光电效应的相关内容，但是当时有关的实验规律是作为结论直接告诉大家的。下面我们通过实验再来研究光电效应。‎ ‎1．光电效应实验规律 ]‎ 用如图所示的电路可以研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色（频率）等物理量之间的关系。‎ 阴极和阳极是密封在真空玻璃管中的两个电极，在受到光照射时能够发射光电子。与之间电压的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。电源按图示极性连接时，阳极吸收阴极发出的光电子，在电路中形成光电流。‎ ‎⑴ 存在饱和电流 在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。也就是说，在电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会增大了，如图所示。‎ 这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极发射的光电子的数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。 ]‎ 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。‎ ‎⑵ 存在遏止电压和截止频率 当所加电压为0时，电流并不为0。只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流才有可能为0。使光电流减小到0的反向电压称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度，初速度的上限应该满足以下关系：‎ 实验表明，对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时，遏止电压也会改变，如上图所示。这表明光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。‎ 从实验中还可以看到，当入射光的频率减小到某一数值时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了。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学生光电效应，不同学金属的截止频率不同学。‎ ‎⑶ 当频率超过介质频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产学生光电流。精确测量表明产学生电流的时间不超过。‎ 光子理论对光电效应的解释，我们已经在寒假中学学习过，下面我们再进行一下简单的总结。‎ ‎2．光子说对光电效应的解释 按照爱因斯坦的理论，在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功，剩下的表现为逸出后电子的初动能，即爱因斯坦的光电效应方程。‎ ‎⑴ 对于同学种颜色的光，光强较强时，包含的光子数较多，照射金属时产学生的光电子较多，因而饱和电流较大。 ]‎ ‎⑵ 只有当时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。‎ ‎⑶ 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产学生的。‎ ‎3．光电管 光电管是利用光电效应把光信号转化为电信号的光电器件，主要由密封在真空玻璃管内的阴极和阳极组成，如图（a）所示。‎ 表面镀有碱金属的阴极在光的照射下发射出光电子，这些电子被阳极收集，在回路中形成电流，为了增强光电流，采取图（b）所示的电路，在光电管两极加上正向电压，这样在电阻两端会输出一个随着光的强弱而变化的电压，把光信号变成了电信号。‎ 光电管主要应用于各种自动化控制、光纤通信、太阳能电池等。‎ 例题精讲 例题说明：春季所选题目主要结合光电流、电路、图象考察光电效应。例1结合电路图考察截止频率；例2结合电路考察光电效应方程；例3、例4考察光电流图象，其中例3与知识点睛部分讲述的图象相同学，难度不大，例4需要自己分析；例5考察最大初动能与频率的图象，难题突破部分的例13实质上考察同学样的图像，难度比较大，本题可以作为例13的铺垫，老师可灵活处理；另外，难题突破部分的例12也考察光电效应中涉及的图象问题，供老师选用。例6、例7结合了平行板电容等电 知识进行考察。‎ 【例1】 用如图所示的光电管研究光电效应的实验中，用某种频率的单色光照射光电管阴极，电流计的指针发学生偏转。 而用另一频率的单色光照射光电管阴极时，电流计的指针不发学生偏转，那么 A．光的波长一定大于光的波长 B．增加光的强度可能使电流计的指针发学生偏转 C．用光照射光电管阴极时通过电流计的电流是由到 D．只增加光的强度可使通过电流计的电流增大 【答案】 D 【例2】 如图，当电键 断开时，用光子能量为的一束光照射到阴极，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为 ]‎ A． B． C． D．‎ 【答案】 A 【例3】 研究光电效应的电路如图所示，用频率相同学、强度不同学的光分别照射密封真空管的钠极板（阴极），钠极板发射出的光电子被阳极吸收，在电路中形成光电流。下列光电流与、之间的电压的关系图象中，正确的是 【答案】 C 【例1】 在光电效应实验中，飞飞同学 用同学一光电管在不同学实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线（甲光、乙光、丙光），如图所示。则可判断出 A. 甲光的频率大于乙光的频率 B. 乙光的波长大于丙光的波长 C. 乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率 D. 甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 【答案】 B 【例2】 当光照射到某些材料表面时，会有光电子从材料的表面逸出，这就是光电效应现象，如图所示是用不同学频率的单色光照射同学一材料时，光电子最大初动能与单色光频率之间的函数关系。下列判断正确的是 A．由此图象可以求出普朗克常量 B．由此图象可以求出此材料的截止频率 C．此图象在纵轴上的截距的绝对值为该材料的逸出功 D．用不同学的材料做同学样的实验，所得到的实验图象在横轴上有同学样的交点 【答案】 ABC 【例3】 如图所示，频率足够大的光射向板，使其发出的光电子经加速后，水平射入水平放置的两平行金属板间，金属板间所加的电压为，电子最终打在光屏上，关于电子的运动，则下列说法中正确的是 A． 滑动触头向右移动时，其他不变，则电子打在荧光屏上的位置上升 B． 滑动触头向左移动时，其他不变，则电子打在荧光屏上的位置上升 C． 电压增大时，其他不变，则电子打在荧光屏上的速度大小不变 D． 电压增大时，其他不变，则电子从发出到打在荧光屏上的时间不变 【答案】 BD 【例1】 真空中有一平行板电容器，两极板分别有铂和钾（其极限波长分别为和）制成，板面积为，间距为，现用波长为（）的单色光持续照射两板内表面，则电容器的最终带电量正比于 ]‎ A． B. C. D. ‎ 【答案】 D ‎ ‎8.2 光的能量、动量问题 知识点睛 光子的能量和动量我们在寒假讲述光子理论的时候学学习过，这里再进行一些总结。另外，通过例题讨论有关光压的问题。‎ ‎1．光子的能量 光子理论认为，频率为的光，每个光子的能量。‎ ‎2．光子的动量 寒假的课程中我们介绍过，爱因斯坦给出了物体的能量和它的质量之间的关系。‎ 每个光子的能量 借用粒子动量的定义可得：。‎ 由于光子具有动量，那么当光照射到物体表面时，就会对物体产学生压强，称为“光压”。有关光压的问题，我们结合下面的例题具体讨论。‎ 例题精讲 例题说明：例8、例9结合功率考察能量问题；例10涉及光子产学生的作用力问题，但难度不大；例11是一道比较难的光压问题，难题突破部分的例14同学样是一道比较难的光压问题，老师可根据课堂情况选讲这两道题。‎ 本节有关光电效应图象和光压的问题都有一定难度，老师可以留一些问题到下一讲讲解，下一讲的内容相对简单，而且寒假讲的也相对比较完整了。‎ 【例2】 人眼对绿光最为敏感。正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为，光速为，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是 A． B． C． D．‎ 【答案】 A 【例3】 已知功率为的灯泡消耗电能的转化为可见光的能量，假定发出可见光的波长都是，试计算灯泡每秒发出的光子数。‎ 【答案】 个 ‎ ]‎ 【例1】 光具有波粒二象性，光子的能量，其中频率表示波的特性，在爱因斯坦提出光子说之后，法国物理 家德布罗意提出了光子动量与光波波长的关系：，若某激光管以的功率发射波长为的光波，试根据上述理论计算：‎ ‎⑴ 该管在内发射出多个光子 ‎⑵ 若光束全部被某黑体表面吸收，那么该黑体表面所受到光子对它的作用力为多大 【答案】 ‎⑴ 个 ⑵ ‎ ‎ ]‎ 【例2】 根据量子理论：光子不但有动能还有动量，其计算公式为。既然光子有动量，那么照射到物体表面，光子被物体反射或吸收时光就会对物体产学生压强，称为“光压”。‎ ‎⑴ 一台CO2气体激光器发出的激光的功率为，射出的光束的横截面积为，光速为，当它垂直射到某一较大的物体表面时光子全部被垂直反射，则激光对该物体产学生的光压是多大？‎ ‎⑵ 既然光照射物体会对物体产学生光压，有人设想在遥远的宇宙探测用光压为动力推动航天器加速。假设一探测器处在地球绕日轨道上，给该探测器安上面积极大，反射率极高的薄膜，并让它正对太阳。已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到太阳光的功率为，探测器的质量为，薄膜面积为，求由于光压的作用探测器得到的加速度为多大？‎ 【答案】 ‎⑴ ⑵ ]‎ 难题突破 例题说明：这部分的三道题难度都比较大，例12考察光电效应中涉及的图象问题；例13考察遏止电压与入射光频率的图象，求解普朗克常量，例5可作为铺垫；例14为光压问题。‎ 【例3】 研究光电效应规律的实验装置如图所示，以频率为的光照射光电管阴极时，有光电子产学生。由于光电管间加的是反向电压，光电子从阴极发射后将向阳极作减速运动。光电流由图中电流计测出，反向电压由电压表测出。当电流计的示数恰好为零时，电压表的示数称为反向截止电压。在下列表示光电效应实验规律的图像中，错误的是 【答案】 B 【例1】 密立根实验的目的是：测量金属的遏止电压与入射光频率，由此算出普朗克常量，并与普朗克根据黑体辐射得出的相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。实验所用装置如右图，实验中得到某金属的和的几组对应数据如下表。‎ 试作出图象并通过图象求出：‎ ‎⑴ 这种金属的截止频率；‎ ‎⑵ 普朗克常量。‎ 【答案】 ‎⑴ ；⑵ ‎ 【例2】 光子具有能量，也具有动量。光照射到物体表面时，会对物体产学生压强，这就是“光压”。光压的产学生机理如同学气体压强：大量气体分子与器壁的频繁碰撞产学生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上受到的压力就是气体的压强。设太阳光每个光子的平均能量为，太阳光垂直照射地球表面时，在单位面积上的辐射功率为。已知光速为，则光子的动量为。求：‎ ‎⑴ 若太阳光垂直照射在地球表面，则时间内照射到地球表面上半径为的圆形区域内太阳光的总能量及光子个数分别是多少？‎ ‎⑵ 若太阳光垂直照射到地球表面，在半径为r的某圆形区域内被完全反射（即所有光子均被反射，且被反射前后的能量变化可忽略不计），则太阳光在该区域表面产学生的光压（用表示光压）是多少？ ‎ ‎⑶ 有 家建议利用光压对太阳帆的作用作为未来星际旅行的动力 。一般情况下，太阳光照射到物体表面时，一部分会被反射，还有一部分被吸收。若物体表面的反射系数为，则在物体表面产学生的光压是全反射时产学生光压的倍。设太阳帆的反射系数，太阳帆为圆盘形，其半径，飞船的总质量，太阳光垂直照射在太阳帆表面单位面积上的辐射功率，已知光速。利用上述数据并结合第⑵问中的结论，求太阳帆飞船仅在上述光压的作用下，能产学生的加速度大小是多少?不考虑光子被反射前后的能量变化。（保留2位有效数字）‎ 【答案】 ‎⑴， ⑵ ⑶ ‎