第4章 2.光电效应(word教参)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步练测（人教版2019）

2.光电效应 学习目标 1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。 2.理解爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题。 3.了解光的波粒二象性 [对应学生用书第62页] 一、光电效应的实验规律 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的现象。 2.光电子：光电效应中发射出来的电子。 3.光电效应的实验规律 （1）每种金属都有一个截止频率：当入射光的频率减少到某一数值νc时，光电流消失，νc称为截止频率。 （2）存在饱和电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流就越大。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。 （4）光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬间发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过 10－9s。 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。 二、爱因斯坦的光子说与光电效应方程 1.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ν的光的能量子为hν，这些能量子被称为光子。 2.爱因斯坦的光电效应方程 （1）表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。 （2）物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。 三、康普顿效应 （1）光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）在研究石墨对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。 （3）光子的动量可以表示为p＝。 四、光的波粒二象性 （1）光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。 （2）光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性。 （3）光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。 1.判断下列说法的正误（正确的画“√”，错误的画“×”）。 （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）“光子”就是“光电子”的简称。 （×） （4）逸出功的大小与入射光无关。 （√） （5）光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。 （×） （6）光子的动量与波长成反比。 （√） （7）光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。 （√） （8）光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。 （√） 2.某金属的逸出功为W0，则这种金属的截止频率νc＝　　　　，用波长为λ的光照射金属的表面，光电子的最大初动能Ek＝　　　　。（已知普朗克常量为h，光速为c）  答案　　h－W0 [对应学生用书第64页] 要点一　光电效应现象及其实验规律 　　如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针发生了变化，这说明锌板带了电。你知道锌板是怎样带上电的吗？ 提示：锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发射出光电子，因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度。 1.光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光照射金属是因，产生光电子是果。 2.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，电子吸收了光子的能量，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，剩余部分为光电子的初动能；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；光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。 3.光子的能量与入射光的强度：光子的能量即每个光子的能量，其值为ε＝hν（ν为光子的频率），其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，入射光的强度等于单位时间内光子能量hν与入射光子数n的乘积。即光强等于nhν。 4.光电流和饱和光电流：金属板飞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，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。 5.光的强度与饱和光电流：饱和光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，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。 6.光电效应现象存在遏止电压和截止频率，当所加电压U为0时，电流I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。 当光照射在金属表面时有电子从金属表面逸出，但并不是任何频率的入射光都能引起光电效应。对于某种金属材料，只有当入射光的频率大于某一频率νc时，电子才能从金属表面逸出，形成光电流。当入射光的频率小于νc时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明没有光电子逸出，这一频率νc称为截止频率或极限频率。截止频率与阴极材料有关，不同的金属材料的νc一般不同。如果入射光的频率ν小于截止频率νc，那么，无论入射光的光强多大，都不能产生光电效应。 7.光电效应几种图像的对比 图像名称 图线形状 由图线直接（间接）得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，方程Ek＝hν－W0 ① 极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc ② 逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝E ③ 普朗克常量：图线的斜率k＝h 颜色不同即入射光的频率ν不同时，光电流与电压的关系图像 ① 遏止电压Uc：图线与横轴的交点 ② 饱和光电流Im：电流的最大值 ③ 最大初动能： Ekm＝eUc 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像 ① 截止频率νc：图线与横轴的交点 ② 遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大 ③ 普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke（注：此时两极之间接反向电压） 8.光电效应与经典电磁理论的矛盾 （1）矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关。 按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关。而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。 （2）矛盾之二：存在截止频率。 按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率。而实验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。 （3）矛盾之三：具有瞬时性。 按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时的。 [例1]（多选）如图所示，一个真空光电管的应用电路中，阴极金属材料的极限频率为4.5× 1014 Hz，则以下判断正确的是 （　　） A.无论用什么频率的单色光照射光电管，只要照射足够的时间都能在电路中产生光电流 B.用λ＝0.5 μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生 C.发生光电效应后，增加照射光电管的入射光的强度，电路中的光电流就一定增加 D.发生光电效应后，增加电源电压，电路中的光电流一定增加 [解析]　入射光的频率小于极限频率时，无论照射多长时间也不能产生光电流，A错误；根据c＝λν，当λ＝0.5 μm时，ν＝6.0×1014 Hz，大于极限频率，B正确；入射光的强度增加，光电流一定增加，C正确；增加电源电压，光电流不一定增加，D错误。 [答案]　BC 1.（多选）关于光电效应的实验规律，下列说法中正确的是 （　　） A.当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大 B.当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的强度越大，产生的光电子数越多 C.同一频率的光照射不同金属，如果都能产生光电效应，则逸出功大的金属产生的光电子的最大初动能也越大 D.对于某种金属，入射光的波长必须小于某一极限波长，才能产生光电效应 解析　由光电效应知，对于某种金属，其逸出功是一个定值，当照射光的频率一定时，光子的能量是一定的，产生的光电子的最大初动能也是一定的，若提高照射光的频率，则产生的光电子最大初动能也将增大。要想使某种金属发生光电效应，必须使照射光的频率大于其截止频率ν0。因刚好发生光电效应时，光电子的初动能为零，有hν0＝W，所以ν0＝，又ν0＝，若照射光频率ν≥ν0，即λ≤λ0＝时能发生光电效应。同一频率的光照射到不同金属上时，因各种金属的逸出功不相同，产生的光电子的最大初动能也不相同，逸出功越小，电子摆脱金属的束缚也越容易，电子脱离金属表面时的初动能越大。若照射光的频率不变，对于特定的金属，增加光强，不会增加光电子的最大初动能，因频率不变时，入射光的光子能量不变，但由于光强的增加，入射光的光子数目增加，因而产生的光电子数目也随之增加。故正确答案为ABD。 答案　ABD 要点二　光电效应方程的理解和应用 （1）光电子的最大初动能与入射光的频率成正比吗？ （2）逸出功和截止频率与哪些因素有关？ 提示：（1）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。 （2）逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。 1.光电效应方程Ek＝hν－W0的理解 （1）式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值。 （2）光电效应方程实质上是能量守恒方程 能量为E＝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，则电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0。 （3）光电效应方程包含了产生光电效应的条件：若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0＞0，即hν＞W0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率。 （4）Ekm-ν图像：如图所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化图像。这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。 2.光电效应规律中的两条线索、两个关系 （1）两条线索 （2）两个关系 光越强→光子数目多→发射光电子多→光电流大； 光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。 [例2]　如图所示，一光电管的阴极用极限波长λ0＝500 nm的钠制成，用波长λ＝300 nm的紫外线照射阴极，光电管阳极A和阴极K之间的电势差U＝2.1 V，饱和电流的值I＝0.56 μA。 （1）求每秒内由K极发射的光电子数。 （2）求光电子到达A极时的最大动能。 （3）如果电势差U不变，而照射光的强度增加到原值的三倍，此时光电子到达A极时最大动能是多大？（普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s） [解析]　（1）每秒内由K极发射的光电子数： n＝＝ 个＝3.5×1012 个。 （2）由光电效应方程可知， Ek0＝hν－W0＝h－h＝hc， 在A、K间加电压U时，光电子到达阳极时的动能： Ek＝Ek0＋eU＝hc＋eU， 代入数值，得Ek＝6.012×10－19 J。 （3）根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，如果电势差U不变，则光电子到达A极的最大动能不变，Ek＝6.012×10－19 J。 [答案]　（1）3.5×1012 个　（2）6.012×10－19 J　（3）6.012×10－19 J 2.在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示，若该直线的斜率和截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为　　　　，所用材料的逸出功可表示为　　　　。  解析　由题意可得eUc＝m＝hν－W，变形为Uc＝ν－，结合图像可知＝k，＝－b，所以h＝ek，W＝－eb。 答案　ek　－eb 要点三　光的波粒二象性 　　曾有一位记者向诺贝尔奖获得者物理学家布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。”那么光的本性到底是什么呢？你是如何理解的？ 提示：光具有波粒二象性，光既不同于宏观观念的粒子，也不同于宏观观念的波，但光既具有粒子性又具有波动性，粒子性和波动性都是光本身的属性。 1.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 （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（大量光子）在传播时，表现出波的性质 （3）波长长的光容易表现出波动性 （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 （3）波长短的光，粒子性显著 （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 2.光的波粒二象性 （1）大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象中，如果用强光照射，在屏上立刻出现了干涉、衍射条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果显示出粒子性，如果用微弱的光照射，在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点，粒子性得到充分体现；但是如果微弱的光在照射时间加长的情况下，在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性，倾向于干涉、衍射的分布规律。这些实验，为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据。 （2）光子和电子、质子等实物粒子一样具有能量和动量，个别光子产生的效果往往显示出粒子性，如光子与电子的作用是一份一份进行的，这些都体现了光的粒子性。 （3）对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著。 （4）光子的能量ε＝hν，动量p＝，能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量，波长λ或频率ν是描述物质的波动性的典型物理量，它们通过普朗克常量h联系在一起，揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系，说明了光的波动性和粒子性组成一个有机的整体，相互间并不是独立存在的。 [例3]　如图所示，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现散射后有的射线波长发生了改变。康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了该效应的普遍性。以下说法正确的是（　　） A.散射后，射线的频率变大，光子的能量也变大 B.光子与电子碰撞时，不遵守动量守恒定律 C.如果两个光子的动量相等，则这两个光子的能量也相等 D.光电效应和康普顿效应说明光具有波动性 [解析]　散射后，射线的频率变小，光子的能量也变小，A错误；光子与电子碰撞时，动量守恒，能量守恒，B错误；由p＝、E＝hν＝h得E＝pc，则光子动量相等，能量也相等，C正确；光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，D错误。 [答案]　C 对康普顿效应的三点认识 　　（1）光电效应应用于电子吸收光子的问题；而康普顿效应应用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。 　　（2）假定X射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。 　　（3）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。 3.下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是 （　　） A.有的光是波，有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子 C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往显示出粒子性 解析　一切光都具有波粒二象性，有些行为（如干涉、衍射）表现出波动性，有些行为（如光电效应）表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子。光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量；电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以不能说光子与电子是同样的一种粒子。光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著；光的波长越短，光子的能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著，故C正确，A、B、D错误。 答案　C [对应学生用书第68页] 1.（光的波粒二象性）下列关于光的本性的说法中正确的是 （　　） A.关于光的本性，牛顿提出了“微粒说”，惠更斯提出了“波动说”，爱因斯坦提出了“光子说”，综合他们的说法圆满地说明了光的本性 B.光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子 C.光的干涉、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 D.频率低、波长长的光，粒子性特征显著；频率高、波长短的光，波动性特征显著 解析　牛顿的“微粒说”认为光是一种实物粒子，是宏观意义的粒子，而不是微观概念上的粒子，这实际上是不科学的。惠更斯提出了“波动说”，光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性，才能圆满地说明光的本性，故A错误；光具有波粒二象性，但不能把光看成宏观概念上的波，光的粒子性要求把光看成微观概念上的粒子，故B错误；干涉和衍射是波的特有现象，光的干涉、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，故C正确；频率低、波长长的光，波动性特征显著；频率高、波长短的光，粒子性特征显著，故D错误。 答案　C 2.（光电效应现象及实验规律）利用光电管研究光电效应的实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则（　　） A.用紫外线照射，电流表不一定有电流通过 B.用红光照射，电流表一定无电流通过 C.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过 D.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变 解析　因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，A错误；因不知阴极K的截止频率，所以用红光照射时，不一定发生光电效应，所以B错误；即使UMK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以C错误；当滑动触头向B端滑动时，UMK增大，阳极M吸收光电子的能力增强，光电流会增大，直至达到饱和电流，若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UMK，光电流也不会增大，所以D正确。 答案　D 3.（光电效应方程）（多选）在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb，h为普朗克常量。下列说法正确的是 （　　） A.若νa＞νb，则一定有Ua＜Ub B.若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb C.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb D.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb 解析　由爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W，又由动能定理有Ekm＝eU，当νa＞νb时，Eka＞Ekb，Ua＞Ub，A错误，B正确；若Ua＜Ub，则有Eka＜Ekb，C正确；同种金属的逸出功不变，则W＝hν－Ekm不变，D错误。 答案　BC 学科网（北京）股份有限公司 $$