广东省阳东广雅学校2020学年高二物理下学期 第8周 光电效应、光子导学案 9页

学案 1 光电效应 学案 2 光子 1．各种色光的频率：从红到紫的频率依次变大． 2．光的波长λ与频率ν的关系：c＝λν，式中 c 为光速． 3．光电效应与光电流 (1)金属在光的照射下发射电子的现象称为光电效应，发射出来的电子称为光电 子． (2)阴极发出的光电子被阳极收集，在回路中会形成电流，称为光电流． 4．极限频率 对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率ν0 时，才会产生光电流．我 们将ν0 称为极限频率． 5．遏止电压 在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小， 并且当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零．我们把这时的电压称 为遏止电压，用符号 U0 表示． 6．能量量子假说 1900 年，德国物理学家普朗克在研究电磁波的辐射问题时，首次提出能量量子 假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是 hν的整数倍，hν 称为一个能量量子，其中ν是辐射频率，h＝6.63×10－34 J·s，称为普朗克常 量． 7．光子假说 1905 年，爱因斯坦指出，光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做 一个光子，一个光子的能量为ε＝hν. 8．光电效应方程 hν＝12mv 2max＋W0 式中 W0 表示金属的逸出功，hν是入射光子的能量， 12mv 2max是出射光电子的最大初始动能． 9．光电效应的解释 (1)金属内部的一个电子一般只能吸收 一个光子的能量，如果光子的能量小于 电子的逸出功，那么无论光的强度(由光子数目决定)有多大，照射的时间多长， 金属内部的电子都不能被激发而逃逸出来．因此光电效应的条件是光子的能量 ε＝hν必须大于或至少等于逸出功 W0，即ν≥W0h . (2)遏止电压与光电子的最大初始动能的关系：eU0＝12mv 2max. 而在逸出功 W0 一定的情况下，出射光电子的最大初始动能只与入射光频率有关， 与光的强弱无关. 一、光电效应产生的条件 [问题设计] 如图 1 所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接 在验电器上． 图 1 (1) 用 弧 光 灯 照 射 锌 板 ， 看 到 的 现 象 为 _________________________________________， 说 明 ____________________________________________________________________ _． (2)在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射，看到的现象为 _____ _______________________________________________________________ ____， 说 明 _____________________________________________________________________． (3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较长时间，看到的 现 象 为 ____________________________________________________________________ ____， 说 明 ____________________________________________________________________ _． 答案 (1)验电器偏角张开 锌板带电了．弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，在 锌板表面发射出光电子，从而使锌板带上了正电 (2)指针偏角明显减小 锌板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见 光 (3)观察不到指针的偏转 可见光不能使锌板发生光电效应 [要点提炼] 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． 二、光电效应的实验规律 光电效应解释中的疑难 1．光电效应的四点规律 (1)任何一种金属都有一个极限频率ν0，入射光的频率必须大于ν0，才能产生 光电效应，与入射光的强度及照射时间无关． (2)光电子的最大初始动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关． (3)当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有 关． (4)光电效应几乎是瞬时的，发生的时间一般不超过 10－9 s. 2．掌握三个概念的含义 (1)入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大初始动能． (2)入射光的强度决定着单位时间内发射的光子数； (3)饱和光电流决定着单位时间内发射的光电子数． 3．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，用 W0 表示，不同金属的逸出 功不同． 4．光电效应与光的电磁理论的矛盾 按光的电磁理论，应有： (1)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关． (2)不存在极限频率，任何频率的光都能产生光电效应． (3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于 10－9s. 三、爱因斯坦的光电效应方程 1．光电效应方程实质上是能量守恒方程． 能量为ε＝hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表 面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做 功最少为 W0，电子离开金属表面时最大初始动能为 Ek，则根据能量守恒定律可 知：Ek＝hν－W0. 2．光电效应方程说明了产生光电效应的条件． 若有光电子逸出，则光电子的最大初始动能必须大于零，即 Ek＝hν－W0>0，亦 即 hν>W0，ν>W0h ＝ν0，而ν0＝W0h 恰好是光电效应的极限频率． 图 2 3．Ek－ν曲线．如图 2 所示是光电子最大初始动能 Ek 随入射光频率ν的变化曲 线．这里，横轴上的截距是极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为 普朗克常量． 一、光电效应的现象分析 例 1 (双选)如图 3 所示，用弧光灯照射锌板，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．用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转 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 二、光电效应方程及应用 例 2 (单选)如图 4 所示，当电键 K 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．合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表 读数小于 0.60 V 时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于 0.60 V 时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为( ) 图 4 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始动能为 Ek＝eU0＝0.60 eV 所以根据光电效应方程 Ek＝hν－W0 可得 W0＝hν－Ek＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV 答案 A ＋W0解释光电效应 1．(双选)在光电效应现象中，下列说法中正确的是( ) A．入射光的强度越大，光电子的最大初动能越大 B．光电子的最大初动能随入射光的频率增大而增大 C．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于此波长， 才能产生光电效应 D．对于某种金属，只要入射光的强度足够大，就会发生光电效应 答案 BC 2．(2020·广东·18)在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发 生了光电效应，下列说法正确的是( ) A．增大入射光的强度，光电流增大 B．减小入射光的强度，光电效应现象消失 C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应 D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大 答案 AD [概念规律题组] 1．(单选)红、橙、黄、绿四种单色光中，光子能量最小的是( ) A．红光 B．橙光 C．黄光 D．绿光 答案 A 解析 按照爱因斯坦的光子说，光子的能量ε＝hν，h 为普朗克常量，说明光子 的能量与光的频率成正比，而上述四种单色光中，绿光的频率最大，红光的频 率最小，故光子能量最小的是红光，所以选项 A 正确． 2．(单选)关于光电效应的规律，下列说法中正确的是( ) A．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能发生 B．光电子的最大初始动能跟入射光的强度成正比 C．发生光电效应的时间一般都大于 10－7s D．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数与入射光的强度成正 比 答案 D 3．(单选)对于任何一种金属，能发生光电效应的条件是( ) A．入射光的强度大于某一极限强度 B．入射光的波长大于某一极限波长 C．入射光照射时间大于某一极限时间 D．入射光的频率不低于某一极限频率 答案 D 4．(单选)关于光电效应现象，下列说法正确的是( ) A．只有入射光的波长大于使该金属发生光电效应的极限波长，才能发生光电效 应现象 B．在光电效应现象中，产生的光电子的最大初始动能跟入射光的频率成正比 C．产生的光电子最大初始动能与入射光的强度成正比 D．在入射光频率一定时，单位时间内从金属中逸出的光电子个数与入射光的强 度成正比 答案 D [方法技巧题组] 5．(单选)现有 a、b、c 三束单色光，其波长关系为λa＞λb＞λc.用 b 光束照射 某种金属时，恰能发生光电效应．若分别用 a 光束和 c 光束照射该金属，则可 以断定( ) A．a 光束照射时，不能发生光电效应 B．c 光束照射时，不能发生光电效应 C．a 光束照射时，释放出的光电子数目最多 D．c 光束照射时，释放出的光电子的最大初始动能最小 答案 A 6．(双选)如图 1 所示是光电效应中光电子的最大初始动能 Ek 与入射光频率ν的 关系图象．从图中可知( ) 图 1 A．Ek 与ν成正比 B．入射光频率必须大于或等于极限频率ν0 时，才能产生光电效应 C．对同一种金属而言，Ek 仅与ν有关 D．Ek 与入射光强度成正比 答案 BC 解析 由 Ek＝hν－W0 知 B、C 正确，A、D 错误． 7．(双选)已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0，则( ) A．当用频率为 2ν0 的单色光照射该金属时，一定能产生光电子 B．当用频率为 2ν0 的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初始动能为 hν0 C．当入射光的频率ν大于ν0 时，若ν增大，则逸出功增大 D．当入射光的频率ν大于ν0 时，若ν增大一倍，则光电子的最大初始动能也 增大一倍 答案 AB 8．频率为ν的光照射到一种金属表面上，有电子从金属表面逸出，当所加反向 电压 U 的大小增大到 3 V 时，光电流刚好减小到零．已知这种金属的极限频率 为ν0＝6.00×1014 Hz，因此入射光的频率ν＝________ Hz.(电子电荷量 e＝ 1.60×10－19 C，普朗克常量 h＝6.63×10－34 J·s) 答案 1.32×1015 解析 光电子的最大初动能 Ek＝eU0① 由爱因斯坦光电效应方程有 Ek＝hν－hν0② 联立①②得： ν＝eU0h ＋ν0＝1.32×1015 Hz [创新应用题组] 9．铝的逸出功为 4.2 eV，现用波长为 200 nm 的光照射铝的表面．已知 h＝6.63 ×10－34J·s，求： (1)光电子的最大初始动能； (2)遏止电压； (3)铝的极限频率． 答案 (1)3.225×10－19 J (2)2.016 V (3)1.014×1015 Hz 解析 (1)根据光电效应方程可知 Ek＝hν－W0，有 Ek＝hcλ－W0＝6.63×10－34×3.0×108200×10－9 J－4.2×1.6×10－19 J＝3.225×10－19 J (2)由 Ek＝eU0 可得 U0＝Eke ＝3.225×10－191.6×10－19 V＝2.016 V. (3)hν0＝W0 知 ν0＝W0h ＝4.2×1.6×10－196.63×10－34 Hz＝1.014×1015 Hz.