第4章 2.光电效应-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（人教版2019）

享学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 2.光电效应 孩心养定位 1.了解光电效应及其实验规律，以及光电效应与经典电磁理论的矛盾。2.了解爱因斯坦光 子说的提出过程，理解光电效应方程及其意义，会用爱因斯坦光电效应方程分析有关问题， 感受实验探究在物理学发展中的作用。3会用图像描述光电效应有关物理量之间的关系，能 利用图像求最大初动能、截止频率和普朗克常量。4.了解康普顿效应及其意义，了解光子的 动量。5.了解人类对光的本性的认识历程，知道光具有波被粒二象性。 课前自主学习 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。这个现象称为光电效 应，这种电子常称为光电子。 2.光电效应的实验规律 (1)存在截止频率。 (2)存在饱和电流。 (3)存在遏止电压。 (4)光电效应具有瞬时性。 3,逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸 出功，用W。表示。不同种类的金属，其逸出功的大小不相同。 二爱因斯坦的光电效应理论 1.光子：认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为 四，其中，h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。 2.爱因斯坦光电效应方程 (I)表达式：h加=E土形或E=h加一E。式中E=m。 (2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是加，在这些能量中，一部分大小为 化的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。 三康普顿效应和光子的动量 1.康普顿效应：在光的散射中，散射光中除了与入射光波长相同的成分外，还有波长更大 享学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 的成分的现象。 2.康普顿效应的解释：康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是：光 子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量P与光的波长2和普朗克常量h有关。这三个 量之间的关系式为p=。在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部 分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。动量卫减小，意味着波长1变大，因此， 这些光子散射后波长变大。 四光的波粒二象性 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 ●课前检测 1.判一判 (1)不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能可能相同，但最大 初动能一定不同。() (2)若用光照射光电管能发生光电效应，给光电管加正向电压时，光电流随电压的增大会一 直增大，加反向电压时，光电流随电压增大而逐渐减小至0。() (③)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。() (4)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。() (⑤)“光子”就是“光电子”的简称。() (⑥光子具有动量说明光具有粒子性。() 提示：(1)N(2)×(3)N(4)×(5)×(6)N 2.想一想 (1)验电器开始带负电并与锌板相连，当用紫外线灯照射锌板时，验电器指针夹角如何变化？ 提示：锌板上有光电子逸出，验电器指针夹角会先减小，待负电荷完全中和后，验电器指针 会因带正电夹角再次变大。 (2)光电效应中的“光”是不是特指可见光？ 提示：不是，也包括不可见光。 课堂探究评价 探究1光电效应的实验规律 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 享学科网书城国 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 照射后 照射前 外线专 光束 窗口 黄光（强） 蓝光 黄光（弱） UU.:0 乙研究光电效应的电路图 丙光电流与电压的关系 师 生互动 活动1：如图甲，带负电的锌板与验电器相连，用紫外线灯照射锌板后，验电器的指针夹角 变小，这说明了什么？ 提示：说明锌板带的负电荷变少了，这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。 活动2：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这种现象称为光电效应，逸 出的电子称为光电子。图乙真空玻璃管中的阴极K受到光的照射会逸出光电子，电路中是 否有电流？ 提示：光电子不断地从K极逸出，在电场的作用下从K极向A极运动，会形成电流。 活动3：实验发现，光的频率减小到某一值.（不同的金属不同）时，即使加很大的电压， 电路中也没有电流，这说明了什么？ 提示：入射光的频率低于时，就没有光电子逸出，不发生光电效应，且与金属自身的 性质有关。 活动4：如图乙所示，随着A、K间的电压增大，电路中的电流增大，但趋于一个饱和值， 如图丙中坐标原点右侧曲线所示，这说明了什么？ 提示：说明在一定的光照条件下，单位时间内阴极K逸出的光电子数是一定的。 活动5：保持光的颜色不变（黄色），增加光的强度，电路中的饱和电流增大，如图丙所示， 这说明了什么？ 提示：对于一定频率（颜色）的光，入射光越强，单位时间内K极发射的光电子数越多。 夏学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 活动6：如图丙所示，A、K间电压为0时，仍有电流。调换图乙电源的正负极，然后从零 开始逐渐增大A、K间的电压，发现达到遏止电压U时，电流变为0，这说明了什么？ 提示：意味着光电子具有一定的初速度，初速度的上限，应该满足mv=U。 活动7：观察图丙三种光照情况下的，可以发现什么规律？这说明了光电子的能量与什么 有关？ 提示：由图丙可知，对于同一种金属，。与光的强弱无关，只与光的频率有关。这说明对 于同一种金属，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。 活动8：当频率超过时，无论入射光怎样微弱，光照到金属时产生电流的时间不超过10 s,这说明了什么？ 提示：光电效应几乎是瞬时发生的 得 出 结论 1.存在截止频率 当入射光的频率减小到某一数值时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。%称为截止 频率或极限频率。也就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。 实验表明，不同金属的截止频率不同，即截止频率与金属自身的性质有关。 2.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 也不会再进一步增大了。 这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极K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A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。 实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这说明，对于一定频率 (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 如果施加反向电压，也就是阴极K接电源正极、阳极A接电源负极，在光电管两极间形成 使电子减速的电场，电流有可能为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mv=Ue。 进一步的实验表明，同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样 享学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 的。光的频率v改变时，遏止电压U也会改变（频率越大，遏止电压越大）。这意味着，对于 同一种金属，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。 4.光电效应具有瞬时性 当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。精确测 量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎是瞬时发生的。 实践提升 例1利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为ⅴ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v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ⅴ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 [实践探究](1)发生光电效应的条件是什么？ 提示：入射光的频率大于截止频率。 (2)当滑动变阻器的滑动触头移动时，改变的是什么物理量？ 提示：加在光电管两端的电压。 [规范解答]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，可能发生光电效应，故B 错误；即使UAx=O,电流表中也有电流，故C错误；当滑动触头向b端滑动时，Ux增大， 若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UK,光电流也不会增大，故D正确。 [答案]D ☒规律点拨 光电效应中的四个关系 享学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 (1)光照射某种金属时，入射光的频率决定着能否发生光电效应。 (2)入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。 (3)光电流和饱和电流：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，这个饱和值是饱和电流，在一定的光照条件下，饱 和电流与所加电压大小无关。 (4)光的强度与饱和电流：当入射光频率一定时，入射光越强，饱和电流越大。 [变式训练1]（多选）如图所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计中 没有电流通过。其原因可能是( A.入射光太弱 B.入射光波长太长 C.光照时间太短 D.电源正、负极接反 答案BD 解析金属存在截止频率，入射光的频率超过截止频率时才会有光电子射出，入射光的频率 低于截止频率时不能产生光电效应，光电效应的产生与光照强弱无关，B正确，A错误；电 路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流 产生，D正确：光电效应的产生与光照时间无关，C错误。 探究2爱因斯坦的光电效应理论 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 ODo0eoo 甲 光电效应实验的结论 1.入射光的频率低于截止颜率时不发生光电效应。不同金属的截止频率不同。 2.对于一定频率的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 6 享学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 3,对于同一种金属，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。 4.光电效应几乎是瞬时发生的。 乙 光电效应经典解释中的疑难 ·不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截 止频率。 ·光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压U应该与光的强弱有关。 ·如果光很弱，按经典电磁理论估算，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，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 丙 师生互动 活动1：金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则热运动，但在温度不很高时，电子并 不能大量逸出金属表面，这说明什么？ 提示：说明金属表面存在一种力阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些 能量以克服这种阻碍。 活动2：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用 W%表示。结合图甲，如何解释光强与光电流的关系？ 提示：光照到金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过金属的逸出功，电 子就能从金属表面逸出。入射光的强度越大，单位时间金属吸收的能量越多，单位时间逸出 的光电子数越多，饱和光电流就越大。 活动3：根据光的电磁理论得出的结论（图丙）与光电效应的实验结论（图乙）矛盾。存在截止 顿率意味着逸出功与截止频率有关，另外光电子的能量也与入射光的频率有关，结合普朗克 能量子的假设，可以作出什么猜想？ 提示：逸出功、光电子的能量都与频率有关，联想到普朗克的假设：电磁波辐射和吸收时的 能量子正比于频率，可以认为电磁波就是由一个个不可分割的能量子组成。 活动4：爱因斯坦认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量 子为ε=，称为光子。试根据此假设及能量守恒定律推导出光电效应中光电子和光子的能 量关系式。 提示：当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸 夏学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 收一个光子获得的能量是v,根据能量守恒定律，在这些能量中，一部分大小为W的能量 被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能，即=Ek+W或Ek=mv-Wo,式中 E为光电子的最大初动能，E=m。 活动5：只有经过检验，根据猜想得出的结论才有可能成为科学理论。试用所得出的关系式 解释图乙的实验结论。 提示：(I)上述方程表明，只有当h>W时，光电子才可以从金属中逸出，=就是光电效应 的截止频率。 (2)上述方程还表明，光电子的最大初动能￡，与入射光的频率v有关，而与光的强弱无关。 这就解释了遏止电压和光强无关。 (3)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生 的。 (4)对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多，照射金属时 产生的光电子较多，因而饱和电流较大。 得出结 论 1.光子说：光子说的提出说明了光是由光子组成的。光子的能量c=,决定于光的频率。 光的强度与光子的数目有关。在频率一定的情况下，光越强，单位时间内单位面积上接收的 光子数越多。 2.光电效应方程：E=v一W。 (I)式中的E是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时动能大小可以是0 ~E范围内的任何数值。 (2)爱因斯坦光电效应方程实质上是能量守恒方程 ①能量为ε=v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对它的阻碍，另 一部分就是电子离开金属表面时的初动能。 ②如要克服金属阻碍做功最少为W(金属的逸出功)，电子离开金属表面时动能最大为E, 则根据能量守恒定律可知：E=v一Wo 实践提 升 例2用波长为2.0×10-7m的紫外线照射钨的表面，释放出米的光电子中最大的初动能是 享学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 3.7×109J。由此可知，钨的截止频率约为（普朗克常量h=6.63×104Js,真空中的光速c =3.0×10m/s)( A.5.5×104Hz B.7.9×104Hz C.9.4×10*Hz D.1.2×105Hz [实践探究](1)金属的截止频率与逸出功存在什么关系？ 提示：以=。 (2)光电子的最大初动能与入射光频率有什么关系？ 提示：E=v-W。 [规范解答]由爱因斯坦光电效应方程知E=v-W。,紫外线的频率为v=,逸出功W。= h,联立可得=-≈9.4×104Hz,故C正确。 [答案]C @规律点拨 1.光电效应的两条对应关系 (1)光越强（一定频率）一→光子数目越多一发射光电子越多→饱和光电流越大。 (2)光子频率越高→光子能量越大→光电子的最大初动能越大。 注：单色光的强度I=nhv,其中n是单位时间射到单位面积上的光子数。 2.光电效应定量分析时应抓住三个关系式 (1)爱因斯坦光电效应方程：E=m·W。 (2)最大初动能与遏止电压的关系：E=eU。 (3)逸出功与极限频率的关系：形。=。 3.光电效应的四类图像解读 图像名称 图线形状 图像信息 ①截止频率（极限频率）：横轴截距 ②逸出功：纵轴截距的绝对值-E=E Wo 最大初动能E与入射 ③普朗克常量：图线的斜率k=h 光频率ⅴ的关系图线 ④爱因斯坦光电效应方程中的W为逸 出功，它与截止频率的关系是W= h 9 享学科网书城国 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 ①截止频率：横轴截距 ②逸出功：W%=eUn=h 遏止电压U,与入射光 ③遏止电压，：随入射光频率的增大 频率v的关系图线 而增大 ④普朗克常量：等于图线的斜率与电 子电荷量的乘积，即h=ke 颜色相同、强度不同 强光（黄） ①遏止电压U。:横轴截距 的光，光电流与电压 酚光（黄） ②饱和光电流/m:电流的最大值 U.0 的关系 ③光电子最大初动能：E=eU ①遏止电压U、Ua 1黄光 颜色不同时，光电流 ②饱和光电流 蓝免 与电压的关系 U.Us o i ③光电子最大初动能：E:=eU,Ea =eUe [变式训练2]（多选）如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压U与入射光 频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实 验测定了普朗克常量h。己知元电荷e=1.6×10-9C,普朗克常量h的值未知。由图像可知( 35/n 3.0日 2.5 2.0月 15E 05E 567891011120“Hz A.图线的斜率为普朗克常量h B.钠的截止频率为8.5×10+Hz C,由该实验可测得普朗克常量为h=6.6×104Js D.钠的逸出功为2.3eV 答案CD 解析根据爱因斯坦光电效应方程，有E=v-W,根据动能定理有E=U,联立可得U。 =v·,则图中直线的斜率表示，故A错误；遏止电压U。=0时，光电子最大初动能为零， 10