第4章 第1节 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课件PPT（粤教版2019）

第四章　波粒二象性 第一节　光电效应 1．掌握光电效应现象及其实验规律.2.了解光电效应现象与经典电磁理论的冲突． 2 目录 1 2 3 课前自主学习 课后课时作业 课堂探究评价 课前自主学习 一　光电效应 1．光电效应：金属在_____的照射下发射_______的现象被称为光电效应． 2．光电子：光电效应中发射出来的_______被称为光电子． 3．光电流：光电管中阴极发射的光电子受到正向电压U加速，被阳极收集，在回路中形成________，称为光电流． 光 电子 电子 电流 课前自主学习 5 二　光电效应的实验规律 1．饱和光电流：在光照条件不变的情况下，光电流的大小随着正向电压的增大而_______，当正向电压增加到一定值时，光电流大小___________，达到饱和．饱和电流的大小与入射光的强度_________． 2．截止频率和截止波长：对于每一种金属，只有当入射光频率_______某一频率ν0时，才会产生光电流，我们将这个频率称为截止频率，其对应的波长称为截止波长． 增大 不再变化 成正比 大于 课前自主学习 6 减小 零 Uc 频率 无关 eUc 入射光的频率 课前自主学习 7 三　经典电磁理论解释的困难 1．对于频率高的光，随着入射光强度的增加，光电流_______．经典电磁理论可以对此进行解释． 2．根据经典电磁理论，只要入射光的强度足够强，任何频率的入射光都应该能够产生光电子，光电子的初动能也应该由入射光的强度决定．但是实验结果却表明，每种金属都对应有一个不同的截止频率，而且遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度_______．由此可见，经典电磁理论在解释光电效应实验时遇到了根本性的困难． 增大 无关 课前自主学习 8 1．判一判 (1)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．(　　) (2)发生光电效应时，入射光的强度增大，遏止电压变大．(　　) (3)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.(　　) (4)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．(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√ 课前自主学习 9 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？ (2)光电效应中的“光”是不是特指可见光？ 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． 提示：不是，也包括不可见光． 课前自主学习 10 课堂探究评价 课堂任务 　光电效应及其实验规律 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 课堂探究评价 12 活动1：把锌片放在紫外线下照射．用验电器检验锌片，可以发现锌片带正电．请分析可能的原因． 提示：锌片在紫外线的照射下发射电子． 课堂探究评价 13 活动2：金属在光的照射下发射电子的现象被称为光电效应，发射出来的电子被称为光电子．光电管是利用光电效应制成的一种常见的光电器件，其阴极比较容易在光的照射下发射电子．在图甲中，电路中是否有电流？ 提示：阴极发射的光电子受到正向电压U加速，被阳极收集，在回路中形成电流． 课堂探究评价 14 活动3：上述电流被称为光电流．光电流的产生是光照射的结果．试猜想光电流的大小可能与什么因素有关？ 提示：入射光的强度、频率、光照时长等． 课堂探究评价 15 活动4：如图乙所示，在光电管上加正向电压，保持入射光强度不变，频率不变，改变正向电压的大小，记录相应电流计的示数．实验发现，随着正向电压的增大，电路中的光电流增大，但当正向电压增大到一定值时，光电流达到饱和，如图丙中坐标原点右侧曲线所示，这说明什么？ 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． 课堂探究评价 16 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，这说明什么？ 提示：对于一定频率(颜色)的光，入射光强度越大，单位时间内K极发射的光电子数越多． 课堂探究评价 17 活动6：实验发现，光的频率减小到某一值ν0(不同的金属ν0不同)时，即使加很大的电压，电路中也没有电流，这说明什么？ 提示：入射光的频率低于ν0时，就没有光电子逸出，不发生光电效应，且ν0与金属自身的性质有关． 课堂探究评价 18 活动7：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Uc时，电流变为0，这说明了什么？ 课堂探究评价 19 活动8：观察图丙三种光照情况下的Uc，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，Uc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，光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关． 课堂探究评价 20 光电效应的实验规律 1．存在饱和光电流：在光照条件不变的情况下，光电流的大小随着正向电压的增大而增大，当正向电压增加到一定值时，光电流大小不再变化，达到饱和．饱和电流的大小与入射光的强度成正比．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． 课堂探究评价 21 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． 2．存在截止频率：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．我们将这个频率称为截止频率，其对应的波长称为截止波长．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． 课堂探究评价 22 课堂探究评价 23 4．光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率ν0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． 注：根据上述实验规律，可总结出光电流与电压的关系图像： 图像名称 图线形状 图像信息 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc：横轴截距 ②饱和光电流Im：电流的最大值 ③光电子最大初动能：Ek＝eUc 颜色不同时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和光电流 ③光电子最大初动能：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 课堂探究评价 24 例　利用光电管研究光电效应实验如图所示，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 课堂探究评价 25 (1)发生光电效应的条件是什么？ (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：入射光的频率大于截止频率． 提示：加在光电管两端的电压． 课堂探究评价 26 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UAK＝0，电流表中也有电流，故C错误；当滑动触头向b端滑动时，UAK增大，若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，故D正确． 课堂探究评价 光电效应中的四个关系 (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． 课堂探究评价 [变式训练]　(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 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． 课堂探究评价 29 课后课时作业 1．(截止频率)某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长的光的强度如图所示，表中给出了一些材料的截止波长，用该光源发出的光照射表中材料(　　) A．仅钠能产生光电子 B．仅钠、铜能产生光电子 C．仅钠、铂能产生光电子 D．都能产生光电子 材料 钠 铜 铂 截止波长/nm 541 268 196 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 材料 钠 铜 铂 截止波长/nm 541 268 196 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 2．(光电效应的实验规律)关于光电效应的实验现象，下列说法正确的是(　　) A．入射光的频率一定时，光电流随着入射光强度的增大而增大 B．遏止电压随着入射光强度的增大而增大 C．照射时间越长，光电子的最大初动能越大 D．入射光的波长大于截止波长时不能发生光电效应 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　入射光的频率一定时，饱和光电流随入射光强度的增大而增大，而光电流的大小还与电压有关，A错误；遏止电压随着入射光频率的增大而增大，与光强无关，B错误；光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与照射时间无关，C错误；发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，根据c＝λν，也就是说入射光的波长大于截止波长时不能发生光电效应，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 3.(光电效应的实验规律)(多选)在如图所示的光电管的 实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表 指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射时，不发生 光电效应，那么(　　) A．A光的频率大于B光的频率 B．B光的频率大于A光的频率 C．用A光照射光电管时，流过电流表的电流方向是由a流向b D．用A光照射光电管时，流过电流表的电流方向是由b流向a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　由发生光电效应的条件可知，A单色光的频率大于B单色光的频率，A正确，B错误；用A单色光照射光电管的阴极K时，从阴极K逸出电子，这些电子冲向阳极，在整个电路中形成顺时针电流，故流过电流表的电流方向是由a流向b，C正确，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 4．(光电效应的实验规律)关于光电效应，下列几种表述正确的是(　　) A．金属的截止频率与入射光的频率成正比 B．光电流的强度与入射光的强度无关 C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能要大 D．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这个波长，才能产生光电效应 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　金属的截止频率由该金属决定，与入射光的频率无关，A错误；光的频率一定时，光电流随入射光强度的增大而增大，B错误；不可见光包括频率比可见光大的紫外线、X射线、γ射线，也包括频率比可见光小的红外线、无线电波，所以不可见光的频率不一定比可见光的频率大，则用不可见光照射金属不一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大，C错误；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这个波长，才能产生光电效应，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 5.(光电效应实验)用图示电路研究光电效应现象．闭合开关S，用蓝光照射光电管阴极时，电流表G的示数不为零．下列说法正确的是(　　) A．若改用红光照射，G的示数一定变为零 B．若改用紫光照射，G的示数可能变为零 C．将滑片P向a端滑动，G的示数可能不变 D．将滑片P向a端滑动，G的示数一定增大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　依题意，用蓝光照射光电管阴极时，电流表G的示 数不为零，即发生光电效应，因为红光的频率低于蓝光的频率， 紫光的频率高于蓝光的频率，根据发生光电效应的条件，红光 的频率可能大于材料的截止频率，若改用红光照射，可能发生 光电效应，G的示数可能不为零，同理可知，若改用紫光照射， 一定发生光电效应，G的示数一定不为零，故A、B错误；将滑片P向a端滑动，光电管两端的正向电压增大，如果此前光电流已达饱和，则G的示数不变，故C正确，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 6.(综合)(多选)如图所示，是一种典型的光电管示意图，抽成真空的玻璃管内部密闭有阴极和阳极，当受到一定条件的光照时，就会发生光电效应．将其与灵敏电流计相连，关于此光电管以下说法正确的是(　　) A．图中A为阳极，B为阴极 B．当光照射在A极，会从其表面溢出光电子打在B极上 C．只提高照射光频率时，会使得电路中光电流变大 D．只提高光照强度时，会使得电路中光电流变大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　由光电效应的基本知识可知题图中A为阴极，B为阳极，A错误；根据光电效应的定义知，一定频率的光照射在阴极金属上时，会从其表面溢出光电子打在阳极上，B正确；提高照射光频率不一定会增加单位时间溢出的光电子数目，所以光电流不一定会变大，C错误；提高光照强度可以增加单位时间溢出的光电子数目，会使得电路中的光电流变大，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 7．(遏止电压和光电子的最大初动能)如图甲所示，合上开关，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零．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．把电路改为图乙所示，当电压表读数为2 V时，电子到达阳极时的最大动能为(　　) A．0.6 eV B．1.9 eV C．2.6 eV D．4.5 eV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　图甲所加电压为反向电压，当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数不为零，当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为0，说明光电子的最大初动能为Ek＝0.6 eV，图乙所加电压为正向电压，故电子到达阳极时，最大动能为Ek′＝Ek＋2 eV＝2.6 eV，C正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 8．(光电效应的实验规律)关于光电效应的规律，下列说法中正确的是(　　) A．发生光电效应时，不改变入射光的频率，增大入射光强度，则单位时间内从金属内逸出的光电子数目增多 B．光电子的最大初动能跟入射光强度成正比 C．发生光电效应时，光电子的逸出不可认为是瞬时的 D．只有入射光的波长大于该金属的截止波长，光电效应才能产生 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　入射光频率不变时，入射光的强弱不影响光电子的能量，只影响单位时间内发出光电子的数目，只增大入射光的强度，单位时间内逸出的光电子数目将增多，A正确；光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，跟入射光强度无关，B错误；发生光电效应的时间非常短，可认为是瞬时的，C错误；发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，即只有入射光的波长小于该金属的截止波长，光电效应才能产生，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 9．(综合)(多选)在光电效应实验中，某同学按如图a方式连接电路，利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K 两极之间电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光) 如图b所示，则下列说法中正确的是(　　) A．甲、乙两光的光照强度相同 B．丙光照射阴极时，极板的截止频率最大 C．甲、乙、丙三光的频率关系为ν甲＝ν乙<ν丙 D．若把滑动变阻器的滑片P向右滑动，光电流不一定增大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 解析　入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大，而甲、乙两光对应的遏止电压相同，小于丙光的遏止电压，所以甲、乙两光的频率相等，小于丙光的频率，C正确；甲、乙两光的频率相同，饱和光电流大的光照强度大，则甲光的光照强度大于乙光，A错误；阴极极板的截止频率是金属自身的属性，与入射光无关，B错误；题图a中光电管加的是正向电压，如果光电流已经达到饱和，把滑动变阻器的滑片P向右滑动，正向电压增大，光电流不增大，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 10．(综合)如图甲所示是研究光电效应规律的光电管．用波长λ＝0.50 μm的绿光照射阴极K，实验测得流过电流表的电流I与A、K两极之间的电势差UAK满足如图乙所示规律，取h＝6.63×10－34 J·s，电子的电量e＝1.60×10－19 C．结合图像，求： (1)每秒钟阴极发射的光电子数； (2)光电子飞出阴极K时的最大动能为 多少焦耳？ 答案　(1)6.0×1012　(2)1.44×10－19 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 3．遏止电压 (1)在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流将会随着反向电压的增加而_________，并且当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到______．我们把这时的电压称为遏止电压，用符号_______表示． (2)对于同种金属，遏止电压只与入射光的________有关，而与入射光的强度________． 4．光电子的最大初动能：eq \f(1,2)mveq \o\al(2,max)＝________．对于同种金属，光电子的最大初动能只与________________有关． 提示：意味着光电子具有一定的初速度，初速度的上限vmax应该满足eq \f(1,2)mveq \o\al(2,max)＝eUc. 3．存在遏止电压：在光电管的两个电极上加上反向电压，调节反向电压的大小可阻止光电子到达阳极．在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流将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Uc表示．光电子到达阳极要克服反向电场力所做的功W＝eUc(e为电子的电荷)．如果光电子到达阳极的速度刚好为零，根据能量守恒定律，则光电子出射时的最大初动能eq \f(1,2)mveq \o\al(2,max)＝eUc(m为电子的质量，vmax为光电子的最大初速率)． 实验表明，对于一定频率的光，无论光的强度如何，同种金属的遏止电压都是一样的，当光的频率增大时，遏止电压也会增大．遏止电压只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关．而遏止电压对应光电子的最大初动能，也就是说，其最大初动能只与入射光的频率有关． 解析　根据光的波长、频率和光速之间的关系ν＝eq \f(c,λ)可知，光的波长越长，其频率越低；根据发生光电效应的条件可知入射光的频率要大于材料的截止频率，即入射光的波长要小于材料的截止波长，根据图表信息可知三种材料均能产生光电子，故D正确． 解析　(1)每秒钟阴极发射的光电子个数：N＝eq \f(Imt,e)＝eq \f(0.96×10－6×1,1.60×10－19)＝6.0×1012. (2)光电子飞出阴极K时的最大动能：Ek＝eUc＝0.9 eV＝1.44×10－19 J. $$