第4章 第一、二节 光电效应 光电效应方程及其意义（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第四章 波粒二象性 第一、二节　光电效应　光电效应方程及其意义 核心素养导学 物理观念 (1)知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。 (2)初步了解能量子假说和光子假说。 (3)理解掌握光电效应方程。 科学思维 应用光电效应方程解决实际问题。 科学探究 通过实验了解光电效应的实验规律。 科学态度与责任 体会光电效应和量子化知识对人们认识物质世界的影响，领会科学是不断发展永无止境的。 一、光电效应 1．定义：金属在光的照射下_________的现象。发射出来的电子称为______。 2．光电效应的实验规律 (1)存在_____电流。 (2)存在_____频率。 (3)存在_____电压，用Uc表示。 发射电子 光电子 饱和 截止 遏止 eUc 3．经典电磁理论解释的困难 (1)无法解释______频率的存在。 (2)无法解释遏止电压只与入射光的_____有关，与入射光的_____无关。 截止 频率 强度 二、光电效应方程及其意义 1．能量子假说 物体热辐射所发出的电磁波的能量是_______的，只能是____的整数倍。 2．普朗克常量：h＝______________。 3．量子化：物理量__________的现象。 4．光量子：_________指出，光的能量不是连续的，而是一份一份的光量子，后来被称为_____。一个光子的能量ε＝____。 不连续 hν 6.63×10－34 J·s 分立取值 爱因斯坦 光子 hν Ek＋W0 逸出功 1.如图所示，若利用紫外线灯照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器都有张角，而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，判断下列说法正误： (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)当频率超过截止频率νc时，入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。 ( ) × × √ 2. 如图是研究光电效应的电路图，在光电管两端加正向电压，用一定强度的光照射时，若增加电压，电流表示数不变，而光强增加时，保持所加电压不变，电流表示数会增大，这说明了什么？ 提示：发生光电效应时，飞出的光电子个数只与光的强度有关。 新知学习(一)|能量的量子化和光电效应 [任务驱动] 中国量子科学实验卫星“墨子号”，率先成功实现“千公里级”的星地双向量子纠缠分发，打破了此前国际上保持多年的“百公里级”纪录。那么，量子是谁最早提出来的呢？ 提示：普朗克。 [重点释解] 1．能量子和量子数 (1)内涵：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，E＝nε，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子，n就是量子数。 (2)特点：辐射或吸收能量时以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收，即只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。 2．能量子的能量公式 ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34 J·s。 3．能量子假说的意义 (1)普朗克的能量子假说，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。 (2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征，架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁。 4．光电效应的五组概念 (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，光子是光电效应的因，光电子是果。 (2)光电子的初动能与光电子的最大初动能。 ①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。 ②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。 [典例体验] [典例]　如图所示为一个真空光电管的应用电路，其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．无论用怎样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频率，电路中的饱和光电流就一定增加 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，能发生光电效应产生光电流，B正确；饱和光电流和入射光的频率无关，C错误；增加电源电压，光电流不一定增加，D错误。 [答案]　B /方法技巧/ 光电效应规律的应用 (1)入射光的频率相同，发生光电效应时光电子的最大初动能相同，故遏止电压相同。 (2)光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比。　　 [针对训练] 1．对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点，以下说法错误的是 (　 ) A．以某一个最小能量值一份一份地辐射 B．辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍 C．辐射和吸收的能量是量子化的 D．吸收的能量可以是连续的 解析：根据量子化的理论，带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍，故A、B正确。带电粒子辐射和吸收的能量不是连续的，是量子化的，故C正确，D错误。本题选不正确的，故选D。 答案：D 2．(多选)一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列说法正确的是 (　 ) A．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加 B．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子最大初动能增加 C．若改用紫光照射，则可能不会发生光电效应 D．若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加 解析：光电效应的规律表明：入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能大小，当入射光频率增加时，产生的光电子最大初动能增加；而入射光的强度增加，会使单位时间内逸出的光电子数增加，紫光频率高于绿光，故正确的是A、D。 答案：AD　 新知学习(二)|光电效应方程及应用 [重点释解] 1．光电效应方程Ek＝hν－W0的四点理解 (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 ①能量为ε＝hν的光子被电子吸收，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。 ②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。 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 ①光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大； ②光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。 [典例体验] [典例]　在研究光电效应实验中，光电管的阴极材料为铯(Cs)，用某一频率的光照射，实验测得光电流随电压变化的图像如图所示。已知铯的逸出功为3.0×10－19 J。 (1)铯发生光电效应的极限频率是多少？ (2)本次实验的入射光频率是多少？ 光电流随电压变化的图像 [拓展]　上述[典例]中，若用频率相同、强度不同的光分别照射光电管的阴极形成光电流，那么在下列光电流与电压的关系图像中，正确的是 (　 ) [针对训练] 1．某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，其中νc为极限频率。下列说法正确的是 (　 ) A．逸出功随入射光频率的增大而减小 B．最大初动能Ek与入射光强度成正比 C．最大初动能Ek与入射光频率成正比 D．图中直线的斜率与普朗克常量有关 解析：逸出功是金属的固有属性，只与金属本身有关，与入射光的频率无关，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，但最大初动能与入射光的频率不是成正比关系，故B、C错误；根据Ek＝hν－W0并结合图像可知，Ek- ν图线的斜率表示普朗克常量，故D正确。 答案：D 2．(2024·广州高二月考)用如图所示的实验装置研究光电效 应现象。用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光 电效应，电流表G的示数不为零，移动滑动变阻器的触点c，发 现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为零，则在 该实验中(　　) A．光电管阴极的逸出功为1.05 eV B．光电子的最大初动能为1.05 eV C．若开关S闭合，当触点c向a端滑动时，电流表G示数可能增大 D．若开关S断开，用光子能量为1.00 eV的强光照射，电流表G可能满偏 解析：由题目可知，遏止电压为Uc＝1.7 V，故最大初动能为Ek＝eUc＝1.7 eV，故B错误；根据光电效应方程可知，逸出功为W0＝E－Ek＝1.05 eV，故A正确；电源电压为反向电压，当触点c向a端滑动时，反向电压增大，电压表示数增大，电流表中电流减小，故C错误；断开开关S，光电管、电流表、滑动变速器构成闭合回路，但光子能量为1.00 eV，小于光电管阴极的逸出功1.05 eV，光电效应不会发生，没有光电流，故D错误。 答案：A　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——多光子光电效应与内光电效应 1．(选自鲁科版新教材“科学书屋”)在光电效应的早期实验中，所用光的强度不是很高，电子几乎没有同时吸收两个光子的机会。激光的强度较高，有极好的方向性和相干性，用激光照射金属板，电子有同时吸收两个或多个光子的可能性。这种一个电子吸收多个光子发生的光电效应称为多光子光电效应。 当光照射在某些半导体材料上时，光子被吸收，在其内部激发出导电的载流子，从而使其电导率显著增加，或者光照使材料两面产生一定的电势差(光伏电压)，这些现象称为内光电效应。 科学思维——光电效应方程的应用 2．(选自沪科版新教材课后练习)当用频率为7.0×1014 Hz 的紫光分别照射铯、锌和银的表面时，能产生光电效应吗？为什么？若能产生光电效应，逸出的光电子的最大动能是多大？ 已知铯、锌、银的极限频率分别为4.55×1014 Hz、8.07×1014 Hz、11.5×1014 Hz。 解析：当入射光的频率大于极限频率时，便能发生光电效应，比较可知，只有铯能发生光电效应。 根据hν－hν0＝Ekm可得， 逸出的光电子的最大动能Ekm＝6.63×10－34×(7.0－4.55)×1014 J≈1.624×10－19 J。 答案：铯能发生光电效应，因为入射光的频率大于铯的极限频率　1.624×10－19 J 2．(2024·黑吉辽高考)(多选)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器。用某一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电子，若增加此X光的强度，则(　　) A．该金属的逸出功增大 B．X光的光子能量不变 C．逸出的光电子最大初动能增大 D．单位时间逸出的光电子数增多 解析：金属的逸出功是金属本身的特性，与照射光的强度无关，A错误；根据ε＝hν可知，X光的光子能量与其强度无关，B正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，结合以上分析可知，逸出的光电子最大初动能与照射光的强度无关，C错误；若增加此X光的强度，则单位时间入射到金属表面的光子数增多，单位时间逸出的光电子数增多，D正确。 答案：BD　 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其 截止频率ν1<ν2，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最 大值Ekm随电压U变化关系的图像是 (　 ) 解析：根据爱因斯坦光电效应方程可知光电子到达A极时动能的最大值Ekm＝eU＋hν－hν截止，可知Ekm- U图像的斜率相同，均为e；截止频率越大，则图像在纵轴上的截距越小，因ν1<ν2，则图像C正确，A、B、D错误。 答案：C　 2．(2024·黑吉辽高考)(多选)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器。用某一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电子，若增加此X光的强度，则(　　) A．该金属的逸出功增大 B．X光的光子能量不变 C．逸出的光电子最大初动能增大 D．单位时间逸出的光电子数增多 解析：金属的逸出功是金属本身的特性，与照射光的强度无关，A错误；根据ε＝hν可知，X光的光子能量与其强度无关，B正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，结合以上分析可知，逸出的光电子最大初动能与照射光的强度无关，C错误；若增加此X光的强度，则单位时间入射到金属表面的光子数增多，单位时间逸出的光电子数增多，D正确。 答案：BD　 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （十二） (单击进入电子文档) 36 (4)光电子最大初动能mvmax2＝_____。 5．光电效应方程：hν＝________。其中W0称为金属的________，Ek是电子的最大初动能，即Ek＝_________。 mvmax2 (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，亦即hν>W0，ν>＝ν0，而ν0＝恰好是光电效应的截止频率。 (4)Ek-ν图像 如图所示是光电子最大初动能Ek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。 [解析]　已知铯的逸出功W0＝3.0×10－19 J，从图像可知遏止电压Uc＝2.5 V。 (1)设铯材料的极限频率为νc，有W0＝hνc 解得νc＝≈4.52×1014 Hz。 (2)当光电管加反向遏止电压时，光电流为零， 有eUc＝mvm2，设入射光频率为ν， 根据爱因斯坦光电效应方程，有hν＝W0＋mvm2 解得ν＝≈1.06×1015 Hz。 [答案]　(1)4.52×1014 Hz　(2)1.06×1015 Hz 解析：选用频率相同的光照射光电管时，光电子的最大初动能相等，由eUAK＝mv2可知，加在光电管上的遏止电压相同，选项A、B均错误；因入射光强度不同，光电流饱和值也不相同，光强越大，入射光子越多，饱和光电流越大，故C正确，D错误。 答案：C　 /易错警示/ 解此类问题应注意以下两点 (1)记住光电效应方程：Ek＝hν－W0，应能从能量守恒定律的角度进行理解。 (2)遏止电压Uc与频率ν、W0的关系：由Ek＝eUc和Ek＝hν－W0，联立得Uc＝－。 $$