6.1 光电效应及其解释（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 ■b2KXkc0m● 您身边的互联网+教辅专家 第6章 波粒二象性 第1节 光电效应及其解释 ○课标导航 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1,了解光电效应和光电效应的实验规 领略自然界的奇妙与 核 律及应用。 知道光子说和爱因 和谐，发展对科学的 心 2.理解光子说，掌握爱因斯坦光电效 斯坦光电效应方 好奇心与求知欲，乐 素 应方程，并能利用它解决光电效应的 程，能够利用它解 于探究自然界的奥 养 有关问题。 释光电效应实验现 秘，能体验探索自然 3理解光的波粒二象性，了解光是一 象。 界规律的艰辛与喜 种概率波。 悦。 必备知识/自主学习 [对应学生用书Pw] >》》》》 批注释义(《(( 知识点一 光电效应 1光电效应现象 在光的照射下电子从物体表面逸出的现象，称为光电效应，这种逸出的电子称为光申子 0。 2.光电效应实验规律 (1)当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生光电效应，这一频率称为 极限频率。极限频率与金属的种类有关。只有当入射光的频率太于或等王极限频率，才会产 ◆独家授权侵权必究 多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KxKc0m● 您身边的互联网+教辅专家 生光电效应：若入射光的频率小于极限频率，即使增加光的强度或照射时回，也不能产生光 电效应 (2)从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间很短，通常在10°s内。 (3)产生光电效应时，在光照强度不变的情况下，光电流随电压的增大而增大，当电流 增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到一个饱和值，即为饱和电流。在 光频率不变的情况下，入射光越强②，单位时间内逸出的电子数也越多，饱和电流越大。 (4)如果施加反向电压，当反向电压大于某一值时，光电流为零，这一电压值称为遏止 电压。遏止电压U.与光电子最大初动能满足的关系为：U=m迎2。光电子最大初动能与入 射光的顿率有关，与入射光的强度无关。入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大。 知识点二 光电效应的解释与应用 1.光电效应的解释 (1)光子说：光是由数量有限的、分立的光子组成的，每一个光子的能量为应。 (2)爱因斯坦光电效应方程 ①表达式：hv=W+mw2。 ②各量的意义：hv为一个光子的能量，W为金属的逸出边③，m时为电子离开金属表面 的最大初动能④。 2.光电效应的应用 (1)光电开关：控制电路的接通或断开。 (2)光电成像：原理是利用光电效应先将光信号转化成电信号，然后再将电信号转化成 光信号。例如：红外线成像。 知识点三 光的波粒二象性 1光具有波粒二象性：光子既有粒子的特征，又有波的特征。 2.光波是一种概率波。通过双缝后，光子出现在哪个位置，受概率支配。单个光子出 现在哪个位置是随机的，因此少量光子形成的光点是无规律的。当有大量光子时，概率大的 位置出现的光子多，形成亮条纹：概率小的位置出现的光子少，形成暗条纹。 3.光的波动性和粒子性不是均衡表现的，波长较长时，光子的能量和动量很小，波动 性比较明显，波长越长，波动性越明显。光在与电子等物质相互作用时更多地表现为粒子性， 在传播过程中更多地表现为波动性。 ⑦思考判断 独家授权侵权必究 色学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KXkc0m● 您身边的互联网+教辅专家 1.任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。(×)】 2.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(×) 3,光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性。（√） )》》》》》批注释义((((( 批注0：光电子就是电子，带负电，电荷量e=1.6×10℃，质量m=9.1X101kg 批注O: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。 批注O:不同金属，其表面层存在的阻碍电子逃逸金属的力不相同。 批注O: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，光子的能量被某 个电子全部吸收。 ()若是金属表面的电子，直接离开金属表面，只做逸出功即可，光电子的动能最大， 为E=hv-W; (2)若是金属内部的电子，在逸出时，除了要做逸出功外，还要克服其他束缚做功，则 光电子的动能E<hv-W。 关键能力/互动探究 [对应学生用书Pm 探究点一 光电效应的实验规律及其解释科单思维之提升© ◆要点归纳 1.光电效应的实验规律 (1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能 发生光电效应，低于这个截止颜率则不能发生光电效应。 (2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大 而增大。 (3)大于截止频率的光照射金属时，光电流（单位时间内金属发射出的光电子数目的多少） 与入射光强度成正比。 (4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10”s。 2.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释 (1)解释极限频率的存在：光照射到金属板时，电子获得一个光子的能量为，若光子 能量大于等于金属的逸出功，则能够发生光电效应，若光子能量小于金属的逸出功，即使增 独家授权侵权必究 多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KXkc0m● 您身边的互联网+教辅专家 大光强，也不能够发生光电效应，所以金属要发生光电效应，入射光光子的能量存在一个最 小值，即入射光的频率存在一个最小值。 (2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的，且一个电 子只吸收一个光子，不累积吸收。如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不 能使电子逸出。 (3)解释最大初动能与频率的关系：对于某种金属来说，由爱因斯坦光电效应方程v W十m可知，电子逸出时的最大初动能由入射光的频率决定。若入射光的频率不变，即使 增大入射光的强度，光电子的最大初动能也不变。 ◆对点例练 例1(2022福建厦门外国语学校高二期未)利用光电管研究光电效应的实验如图所示， 用频率为的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过，则() A.用紫外线照射，电流表中不一定有电流通过 B.用红外线照射，电流表中一定无电流通过 C.用频率为ⅴ的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片移到最右端时，电流表中一 定无电流通过 D.用频率为ⅴ的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片向左端移动时，电流表的示 数可能不变 D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，电流表中一定有电 流通过，故A错误；因不知阴极K的极限频率，所以用红外线照射，可能发生光电效应， 电流表中可能有电流通过，故B错误；由于发生了光电效应，即使A、K问的电压为零，电 流表中也有电流通过，故C错误；当滑动变阻器的滑片向左端移动时，阳极吸收光电子的 能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳校时，电流达到最大，即饱和电流，若在 移动前，电流已经达到饱和电流，那么再增大光电管两端的电压，光电流也不会增大，故D 正确。 [练1](2022·山东淄博高二期末)紫外光电管是利用光电效应原理对油库等重要场所进行 ◆独家授权侵权必究 多学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KXkc0m● 您身边的互肤网+教辅专家 火灾报警的装置，其工作电路如图所示，其中A为阳极，K为阴极，只有当明火中的紫外 线照射到K极时，电压表才有示数且启动报警装置。已知太阳光中的紫外线频率主要在 7.5×104~9.5×104Hz,而明火中的紫外线频率主要在1.1×1051.5×105Hz,下列说法 正确的是( 紫外光电管 电源 A.为避免太阳光中紫外线的干扰，K极材料的截止频率应大于1.5×105Hz B.只有明火照射到K极的时间足够长，电压表才会有示数 C,电源左边接正极有利于提高报警装置的灵敏度 D.电压表的正接线柱与C相连 D解析：太阳光中的紫外线频率主要在7.5×10~9.5×104Hz,为避免太阳光中紫崇外 线的干扰，K极材料的截止频率应大于9.5×104Hz,A错误；电压表有设有示数与明火的 照射时间无关，与明火中紫外线的频率有关，B错误；电源左边接正极时，光电管上被施加 反向电压，发生光电效应时到达阳极的光电子数减少，因此会降低报警装置的灵敏度，可知 电源右边应接正极，则电压表的正接线柱与C相连，D正确，C错误。 探究点二光电效应方程与图像问题科举思维之提升)图 ◆要点归纳 1.对光电效应方程E=hv一W的理解 (1)E为光电子的最大初动能，与金属的逸出功W和光的频率ⅴ有关。 (2)若E.=0,则hv=W,此时的v即为金属的截止频率。 2.光电效应现象的有关计算 (I)最大初动能的计算：E=hv一W=hv一ha: (2)截止频率的计算：=W,即=： (3)遏止电压的计算：一eU.=0一E,即U==。 独家授权侵权必究 多学科网书城▣ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KxKc0m● 您身边的互联网+教辅专家 3.光电效应中的四类图像 图像名称 图线形状 读取信息 ①极限频率（截止频率）：横轴截距 最大初动能E与 ②逸出功：纵轴截距的绝对值W=一 入射光频率v的关 E=E 系图线 ③普朗克常量：图线的斜率k=h ①极限频率：横轴截距 遏止电压U与入 ②遏止电压U:随入射光频率的增大 射光频率v的关系 而增大 图线 ③普朗克常量h: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 强光（黄） ①遏止电压U:横轴截距 同的光，光电流与 弱光（黄） ②饱和光电流Im:电流的最大值 电压的关系 0 ③最大初动能：Em=eU 黄光 ①遏止电压U、Ua 颜色不同时，光电 蓝光 ②饱和光电流 流与电压的关系 0.ta0 ③最大初动能：Ek1=eUeu,Ea=eUa ◆对点例练 例2(2022·浙江绍兴高二期末)新冠病毒疫情防控工作中，体温枪被广泛使用，成为重 要的防疫装备之一、某一种体温枪的工作原理是：任何物体温度高于绝对零度（一273℃）时 都会向外发出红外线，红外线照射到体温枪的温度传感器，发生光电效应，将光信号转化为 电信号，从而显示出物体的温度。已知人的体温正常时能辐射波长为10m的红外线，如图 甲所示，用该红外光线照射光电管的阴极时，电路中有光电流产生，光电流随电压变化的图 像如图乙所示。已知h=6.63×104Js,e=1.6×109C,则() ·独家授权侵权必究 多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KXKc0m● 您身边的互联网+教辅专家 窗口 红外光 I/mA -20 U/×10V A.波长10m的红外线在真空中的频率为3×104Hz B.将图甲中的电源正负极反接，将一定不会产生电信号 C.由图乙可知，该光电管阴极金属的逸出功约为0.10eV D.若人体温度升高，则辐射红外线的波长减小，逸出光电子的最大初动能减小 C解析：由公式c=y可知，波长I0m的红外线在真空中的频率为v==Hz= 3×103Hz,故A错误；将图甲中的电源正负极反接，即为反向电压，只要反向电压小于過 止电压，电路中就会有电信号产生，故B错误；由图乙可知，遏止电压为0.02V,则有U =Emux=w-Wa,即Wo=hv-eU=(-0.02)cV≈0.10eV,故C正确；若人体温度升高，辐 射红外线的能量增大，频率增大，波长减小，由爱因斯坦光电效应方程可知，逸出光电子的 最大初动能增大，故D错误。 [练2](2022·山东烟台高二期末)用阴极K为金属铷的光电管观测光电效应现象，实验装 置如图甲所示。实验中测得铷的遏止电压U。与入射光频率ⅴ之间的关系如图乙所示，纵轴 与横轴交点的横坐标为o,图线与横轴交点的横坐标为。已知普朗克常量为h,电子的电 荷量为e。则下列说法中正确的是() 窗口 光束 K 左电石 0 甲 A.图乙中图线的斜率为 B.金属物的逸出功为h% C,欲测遏止电压，则电源左端应为正极 D当电源左端为正极时，微安表的示数随电压表示数的增大而持续增大 A解析：根据Em=hv一W,结合eU=Em,联立可得U=一，可知图乙中图线的斜 独家授权侵权必究 多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KXKc0m● 您身边的互联网+教辅专家 率为，故A正确；由图可知，金属物截止频率为M,则金属铷的逸出功为W=h叫，故B错 误；由图甲可知，欲测通止电压，电源右端应为正极，故C错误；电源左端为正极，当电 流达到饱和光电流后，微安表的示数不再随电压表示数的增大而增大，故D错误。 [练3](2022北京西城高二期末)如图所示，为某金属在单色光的照射下产生的光电子最 大初动能E与入射光频率v的关系图像。由图像可知( 电子逸出 A.该金属的逸出功大于W。 B.该金属的逸出功等于 C.入射光的频率为时，光电子的最大初动能为W。 D.入射光的频率为2.时，光电子的最大初动能为W。 D解析：根据光电效应方程Em=v一W,得，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功， 等于W%,A错误；当最大初动能为零时，入射光的能量等于逸出功，即等于似，B错误； 入射光的频率为时，等于极限频率，恰能发生光电效应，最大初动能为零，C错误；根据 光电效应方程可知，入射光的频率变为原来的2倍，由于逸出功不变，则最大初动能为 W,D正确。 探究点三光的波粒二象性科学思丝之提升© ◆情境探究 用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙 所示的图像。 甲 (1)图像甲是曝光时间很短的情况，光点的分布有什么特点？说明了什么问题？ (2)图像乙是曝光时间稍长情况，当光子数较多时落在哪些区城的概率较大？可用什么 规律来确定？ (③)图像丙是曝光时间足够长的情况，体现了光的什么性？怎样解释上述现象？ 答案：(I)当曝光时间很短时，屏上的光点是随机分布的，具有不确定性，说明了光具 独家授权侵权必究 多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KXKc0m● 您身边的互联网+教辅专家 有粒子性。 (2)落在亮条纹区域的概率较大，这种概率可用波动规律来确定。 (3)体现了光的波动性。综合上面三个图像可知，少量光子呈现粒子性，大量光子呈现 波动性，而且光是一种概率波。 ◆探究归纳 光的波动性与粒子性 实验基础 表现 说明 1.光的波动性是光子本身 光的 1. 大量光子产生的效果显示出波动性 的一种属性，不是光子之 光的干涉 波动 2.频率较低的光在传播时，表现出波的性 间相互作用产生的 和衍射 性 质 2.光的波动性不同于宏观 概念的波 1. 当光同物质发生作用时，这种作用是 1.粒子的含义是“不连 光电效 光的粒 “一份一份”进行的，表现出粒子性 续”“一份一份”的 应、康普 子性 2. 2.少量或个别光子容易显示出光的粒子 2.2.光子不同于宏观概 顿效应 性 念的粒子 总结 对于不同频率的光，频率越高，光的粒子性越强；频率越低，光的波动性越强 ◆对点例练 例3（多选）对光的认识，下列说法正确的是() A.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 B.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的 C。光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了 D.光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒 子性表现明显 ABD解析：光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为 往往显示出波动性，A正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种 属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B正确；粒子性和波动性是光同 时具备的两种属性，C错误，D正确。 [练4)关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是( 独家授权侵权必究 多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2KxKc0m● 您身边的互联网+教辅专家 A.波粒二象性指光有时表现为波动性较明显，有时表现为粒子性较明显 B.光的频率越高，粒子性越明显 C.能量越大的光子其波动性越显著 D.光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下 光的波动性表现明显 C解析：波粒二象性指光有时表现出的粒子性较明显，有时表现出的波动性较明显， 或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下，光的波动性表现明显， A、D正确；光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B正确，C错误。 探究点四解决实际问题（科举志度与青任之装知© [练5]（科技情境）某科技小组买到几个光电管，想测量这种光电管材料的截止频率，他 们在实验室找到了几块标有波长数值的滤光片（如图所示），请据此设计可行的测量方案。 660nm 590nm 540nm 460nm420nm 答案：见解析 解析：光电管材料载止频率的测量方案如下： (1)选取某一标称波长（如460m)的滤光片，使射入光电管的光为该波长的单色光。 (2)按图所示连接好电路，选择反向电压，调节滑动变阻器，使电路中的电流刚好为零， 则此时电压表的示数为通止电压。 (3)根据动能定理E=eU,得到光电子最大初动能。 (4)根据光电效应方程W=v一E,其中v=,得到光电管材料的逸出功。 (5)根据h%=W%,可得材料截止频率%。 (6)更换滤光片，重复上述实验步骤，最后将测量结果取平均值。 ·独家授权侵权必究