4.1 光电效应&4.2 光电效应方程及其意义（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第一节　光电效应 第二节　光电效应方程及其意义 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道光电效应现象，了解与之相关的截止频率，饱和电流，截止电压等．知道光电效应的瞬时性． 2．掌握爱因斯坦光电效应方程，知道逸出功和最大初动能． 1.物理观念：光电效应、光电子、截止频率、逸出功、最大初动能、康普顿效应、光的波粒二象性． 2．科学思维：光电效应方程的理解和应用，光电效应的Ek-ν图像． 3．科学探究：实验探究光电效应，观察截止频率、饱和电流、截止电压等． [对应学生用书P57] 1．光电效应：金属在光的照射下发射电子的现象． 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)存在着饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大．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． (2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关．当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应． (3)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的． 4．经典电磁理论解释的困难 (1)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． (2)光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc应该与光的强弱有关． (3)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． [思考] 提示　紫外线照射锌板后，发生光电效应，发射出电子，使验电器带电． 1．能量子假说 (1)定义：普朗克认为，组成黑体的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，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子． (2)能量子表达式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量．h＝6.63×10－34 J·s. (3)能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的． [判断] (1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍．(√) (2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比．(√) 2．光电效应方程 (1)光子假说：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)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． (3)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W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek. [判断] (1)逸出功和截止频率由入射光的强度决定．(×) (2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比．(×) [对应学生用书P58] 探究点一　光电效应的实验规律 光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电．光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出．科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用．光电效应在现代科技中有哪些应用呢？ 提示　应用光电效应的产品有很多，主要是两个方面：太阳能电池和光电传感器，使用光电传感器的设备，常见的有：光控路灯，数码照相机，光敏电阻、二极管、三极管等． 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．截止频率的理解 频率低于νc的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出． 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．即入射光的强度等于 nhν. 4．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． 研究光电效应规律的实验装置如图所示，以频率为ν的光照射光电管阴极K时，有光电子产生．由于光电管K、A间加的是反向电压，光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动．光电流i由图中电流计G测出，反向电压U由电压表V测出．当电流计的示数恰好为零时，电压表的示数称为截止电压Uc.在下列表示光电效应实验规律的图像中，错误的是(　　) B　[当反向电压U与频率ν一定时，光电流与入射光强度成正比，A正确；截止电压Uc与入射光频率的关系图像应为一条不过坐标原点的倾斜直线，B错误；当光强I和频率ν一定时，反向电压增大，光电流减小，若反向电压超过截止电压Uc，则光电流为零，C正确；光电效应发生所需的时问小于10－9s，D正确．] [训练1]　研究光电效应的电路如图所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流．下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像中，正确的是(　　) C　[频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以截止电压相同；饱和电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大，故选项C正确．] 探究点二　光电效应方程的理解和应用 如图是光电效应现象中光电子最大初动能与入射光频率的关系图像，由图像分析两者是否成正比关系？ 提示　由于图像不通过原点O，所以不是正比关系． 1．光电效应方程中的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范围是大于0小于等于Ek. 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发生光电效应的条件 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＞＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率． 4．Ek­ν曲线 如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是截止频率(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． 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，饱和光电流的值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＝6.63×10－34J·s)? [思路点拨]　(1)光电管阴极的逸出功W与极限波长λ0的关系为W＝. (2)每秒内由K极发射的电子全部参与导电时对应饱和光电流． (3)光电子的最大初动能大小与入射光的强度大小无关． 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)根据光电效应规律，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 [训练2]　(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，测得相应的截止电压分别为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＜U 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 BC　[设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又Ek＝eU，则最大初动能与截止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，截止电压U随ν增大而增大，A项错误；又有hν－Ek＝W，W相同，则D项错误．] [训练3]　(多选)在某次光电效应实验中，得到的截止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示，若该直线的斜率和纵截距分别为k和－b，电子电荷量的绝对值为e，则(　　) A.普朗克常量可表示为 B．若更换材料再实验，得到的图线的k不改变，b改变 C．所用材料的逸出功可表示为eb D．b由入射光决定，与所用材料无关 BC　[根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，以及Ekm＝eUc得：Uc＝－，图线的斜率k＝，解得普朗克常量h＝ke，故A错误；纵轴截距的绝对值b＝，解得逸出功W0＝eb，故C正确；b等于逸出功与电荷电量的比值，而逸出功与材料有关，则b与材料有关，故D错误；更换材料再实验，由于逸出功变化，可知图线的斜率不变，纵轴截距改变，故B正确．] [对应学生用书P61] 1．(光电效应现象)(多选)光电效应实验的装置如图所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下面说法中正确的是(　　) A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转 B．用绿色光照射锌板，验电器指针会发生偏转 C．锌板带的是负电荷 D．使验电器指针发生偏转的是正电荷 AD　[将擦得很亮的锌板连接验电器，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电．在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来．锌板中缺少电子，于是带正电，A、D选项正确．绿光不一定能使锌板发生光电效应．] 2．(光电效应方程的应用)如图甲所示是研究光电效应实验规律的电路．当用强度一定的黄光照射到光电管上时，测得电流表的示数随电压变化的图像如图乙所示．下列说法正确的是(　　) A．若改用红光照射光电管，一定不会发生光电效应 B．若改用蓝光照射光电管，图像与横轴交点在黄光照射时的右侧 C．若用频率更高的光照射光电管，则光电管中金属的逸出功变大 D．若照射的黄光越强，饱和光电流将越大 D　[根据光电效应方程Ekm＝hν－W0知，红光的频率小于黄光的频率，红光照射不一定发生光电效应，但不是一定不会发生光电效应，故A错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0知，蓝光的频率大于黄光的频率，则光电子的最大初动能增大，所以反向遏止电压增大，图像与横轴交点在黄光照射时的左侧，故B错误；光电管中金属的逸出功的大小是由材料本身决定的，与入射光的频率无关，故C错误；增加入射光的强度，则单位时间内产生的光电子数目增加，饱和光电流将越大，故D正确．] 3．(光电效应方程的应用)在两种金属a和b的光电效应实验中，测量反向遏止电压Uc与入射光子频率ν的关系，下图中正确的是(　　) D　[根据光电效应方程得Ekm＝hν－W0，又Ekm＝eUc，解得Uc＝ν－，则反向遏止电压Uc与入射光子频率ν的关系图像是不过原点的直线；对于不同的金属逸出功W0不同，则两图像的斜率相同，截距不同．故选D.] 4．(光电效应方程的应用)有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa∶λb∶λc＝1∶2∶3.当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek，若改用b光束照射该金属板，飞出的光电子最大动能为Ek，当改用c光束照射该金属板时(　　) A．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek B．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek C．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek D．由于c光束光子能量较小，该金属板不会发生光电效应 B　[对a、b、c三束光由光电效应方程有：－W＝Ek，－W＝Ek，由以上两式得＝Ek，W＝Ek.当改用c光束照射该金属板时－W＝Ek－Ek＝Ek，B正确．] 学科网（北京）股份有限公司 $$